Фотолитография презентация

Фотолитография Практическое занятие по курсу ФХОМиНЭ

Литография Литография Литографией (греч. lithos - камень), применяемой в производстве ИИЭ, называют процесс формирования геометрического рисунка на поверхности кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют элементы схемы (базу, эмиттер, электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п.).

Получение топологического рисунка Получение топологического рисунка На первой стадии процесса изготовления ИС после завершения испытаний или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. Процесс создания рисунка ИС разбивают на этапы: на одном этапе формируют электроды затвора, на втором контактные окна и т.п. Этим этапам соответствуют различные уровни фотошаблона. С помощью ЭВМ геометрический рисунок топологии преобразуют в цифровые данные. С помощью этих данных генератор изображения формирует рисунок топологического слоя на шаблоне либо непосредственно на пластине.

Формирование ИС Формирование ИС Законченные ИС получают последовательным переносом топологического рисунка с каждого шаблона, уровень за уровнем на поверхность кремниевой пластины. При этом между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут проводиться различные операции (ионной имплантации, диффузии, окисления, нанесение металлизации и т.п.)

Процесс литографического переноса изображения Процесс литографического переноса изображения

Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблон является основным инструментом литографии в планарной технологии. Для изготовления каждой ИС требуется комплект фотошаблонов из 4 – 15 (и более) стекол. Топология структуры – рисунок (чертёж), включающий в себя размеры элементов структуры, их форму, положение и принятые допуски; Оригинал – увеличенный, поддающий воспроизведению рисунок отдельной детали фотошаблона, обычно одной или нескольких топологий структур изделия, предназначенной для изготовления фотошаблона методом последовательного уменьшения и мультипликации; Промежуточный оригинал – фотошаблон с рисунком оригинала после его фотографического промежуточного уменьшения в один или несколько приёмов, с размножением изображения или без него; Фотошаблон – плоско - параллельная пластина из прозрачного материала для фотолитографических целей с рисунком, состоящим из непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков, образующих топологию одного из слоёв структуры прибора, многократно повторённого в пределах активного поля структуры;

Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблоны. Основные термины Маска – плоская пластина или плёнка, содержащая рисунок в виде сквозных окошек и предназначенная для локального экспонирования; Металлизированный фотошаблон – фотошаблон, экспонирующий рисунок которого представляет собой тонкую металлическую плёнку, нанесенную на стеклянную подложку; Эталонный фотошаблон – первый фотошаблон в процессе изготовления структур, с которого обычно получают рабочие или первичные копии фотошаблонов; Рабочий фотошаблон – фотошаблон, применяемый в фотолитографическом процессе при изготовлении полупроводниковых структур контактной или проекционной печатью на полупроводниковыех пластинах, покрытых слоем фоторезиста; Фигура совмещения – специальный топологический рисунок в виде штриха, щели, креста и т.д. для облегчения юстировки рабочего фотошаблона при его совмещении с рисунком на полупроводниковой пластине.

Генерация изображения методом микрофотонабора Генерация изображения методом микрофотонабора

Схема генератора изображения Схема генератора изображения

Работа генератора изображения Работа генератора изображения Пучок света от источника направлен сверху вниз. Установка работает с остановками стола в заданном положении во время экспонирования.Элементаные рямоугольники формируются блоком шторок,состоящим из неподвижной и подвижной шторок. Их взаимное расположение определяет размеры элемен тарного прямоугольника. Координатный стол обеспечивает точное перемещение пластины с фоторезистом по координатам X и Y. Генератор изображения может формировать до 300 тыс. экспозиций в час. Для ИС с более чем 1 млн. элементов формирование 1 стекла фотошаблона займет несколько десятков часов.

Маршруты изготовления фотошаблонов Маршруты изготовления фотошаблонов Маршрут изготовления фотошаблонов выбирают исходя из степени сложности ИС. Чем короче маршрут генерации и переноса изображения, тем меньше вносимых дефектов. Для ИС малой и средней степени интеграции выбирают маршрут: 1–3–5–7–9–10–11–12–13. Это обеспечивает высокую производительность и низкие затраты за счёт невысокой точности и высокого уровня дефектности. Для ИС высокой степени интеграции требования к точности существенно возрастают. Это определяет маршрут: 1–3–4–7–8–12–13. Здесь низка производительность и высоки затраты. В случае СБИС выбирают маршрут, обеспечивающий максимальную точность и минимальный уровень дефектности не смотря на низкую производительность и очень высокие затраты: 1 – 3 – 5 – 6 – 13.

Разновидности фотошаблонов Разновидности фотошаблонов По технологии изготовления фотошаблоны делятся на: - металлизированные – в качестве непрозрачных участков используются пленки металла (как правило, используют плёнки хрома, нанесенные ионным распылением из-за их хорошей адгезии к стеклу и высокой износостойкости); - эмульсионные – используются плёнки органических эмульсий; - транспарентные (полупрозрачные) – непрозрачные участки обладают селективной светонепроницаемостью, т.е. прозрачны для глаза оператора при λ>0,55 мкм и непрозрачны для УФ при λ=0,35 – 0,45 мкм (CdSe, Fe2O3, SiO2)

Фигуры совмещения Фигуры совмещения

Фоторезисты Фоторезисты Фоторезисты – светочувствительные полимерные композиции, в которых под действием света протекают необратимые химические реакции, приводящие к изменению их физических и химических свойств. Внешним проявлением действия света на фоторезисты – изменение характера их растворимости. В негативных фоторезистах (ФН) растворимость экспонированного участка уменьшается, а в позитивных фоторезистах (ФП) –возрастает.

Характеристики экспонирования резистов Характеристики экспонирования резистов

Кинетика фотохимических реакций Кинетика фотохимических реакций Особенностью фотохимических реакций является то, что фотон действует селективно,возбуждая одну молекулу и не затрагивая остальные. Кинетика: - поглощение фотона молекулой; - переход молекулы в возбуждённое состояние; - первичные фотохимические процессы с участием активных молекул; - вторичные «темновые» процессы между молекулами или комплексами, образующимися в результате первичных процессов.

Реакции, протекающие в резистах Реакции, протекающие в резистах 1. Фотолиз – возбуждение молекулы и её распад под действием света: 2. Фотоперегруппировка – перестановка атомов или радикалов в главной цепи молекулы под действием света:

Реакции, протекающие в резистах Реакции, протекающие в резистах 3. Фотоприсоединение – присоединение активированной молекулой другой молекулы или молекул. 4. Фотосенсибилизация – передача электронной энергии возбуждения от одной молекулы (или ее части) к другой молекуле (или ее части).

Требования к фоторезистам Требования к фоторезистам 1. Высокая светочувствительность в требуемом диапазоне длин волн. 2. Высокая разрешающая способность (на современном уровне производства CБИС – до 5000 – 10000 линий/мм при толщине слоя фоторезиста до 0,1 мкм). 3. Высокая адгезия к подложке (полупроводнику, оксиду, нитриду или металлу, другим функциональным слоям). 4. Высокая контрастность (получение резко дифференцированой границы между экспонированными и неэкспонированными участками). 5. Высокая устойчивость в химически агрессивных средах. 6. Однородность свойств по всей поверхности слоя. 7. Стабильность свойств во времени. 8. Отсутствие загрязнений продуктами химических превращений. 9. Доступность материалов, относительная простота, надежность и безопасность применения, возможность различных способов нанесения и др.

Схема технологического процесса фотолитографии Схема технологического процесса фотолитографии

Обработка пластин Обработка пластин Обработка подложек производится с целью: 1. Очистки подложек от загрязнений; 2. Повышения адгезии фоторезиста. В технологии ИИЭ фотолитографии подвергают технологические слои кремния, диоксида кремния, нитрида кремния,алюминия, фосфоросиликатного стекла.

Удаление поверхностных загрязнений Удаление поверхностных загрязнений Поверхностные загрязнения удаляют: - механическим способом с помощью кистей и щёток под струёй воды (ГМО) - ультразвуковой отмывкой; - потоком жидкости и газа; -растворением в органических растворителях; - обработкой в растворах ПАВ; -обработкой в неорганических кислотах.

Обработка поверхности слоёв Обработка поверхности слоёв кремния SiO2 и Si3N4 Данные слои не обладают высокой химической активностью. Как правило их обрабатывают в ПАР, нагретом до температуры 60 – 80 °С. Часто в ПАР добавляют триаммонийную соль оксиэтилидендифосфоновой кислоты (ТАСОЭДФ) для стабилизации перекиси водорода и смачивания поверхности. Иногда в состав ПАР вводят хлористый аммоний для улучшения сорбционной способности по отношению к тяжёлым металлам, а также комплексообразователи для щелочных металлов. В МОП - технологии перед обработкой диффузионных слоёв в ПАР, как правило, проводят обработку в смеси КАРО с целью уменьшения плотности заряда в окисле.

Обработка поверхности металла Обработка поверхности металла В технологии ИС для металлизированной разводки, как правило, используют алюминий и его сплавы с кремнием (до 5 %), которые обладают высокой химической активностью. Поверхность алюминия обрабатывают в органических растворителях (диметилформамиде (ДМФ), изопропиловом спирте). Для удаления механических за- грязнений используют также ДМФ в сочетании с ультразвуковой обработкой. Также для очистки алюминиевой поверхности используют обработку в очищающем растворе, состоящем из перекиси водорода (200 мл), воды (800 мл), смачивателя (0,2 г/л), ТАСОЭДФ (4 г/л), при температуре 60 – 70 °С в течение 10 – 12 мин.

Обработка поверхности Обработка поверхности фосфоросиликатного стекла ФСС также обладает высокой химической активностью, особенно к щелочным средам. Скорость травления ФСС в ПАР при температуре 75 °С составляет 0,1 – 0,3 мкм/мин. Поэтому поверхность слоёв ФСС обрабатывают на установках ГМО или в смесях КАРО при температуре 120 – 170 °С в течение 1 – 5 минут с последующей промывкой в деионизованной воде.

Адгезия для фотолитографических процессов Адгезия для фотолитографических процессов Адгезия – способность фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является время, отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке травителя. Адгезию считают хорошей, если слой фоторезиста 20 × 20 мкм отрывается за 20 мин. Для обеспечения адгезии необходимо чтобы поверхность подложки была гидрофильна по отношению к фоторезисту и гидрофобна к травителю.

Обработка, повышающая адгезию фоторезиста Обработка, повышающая адгезию фоторезиста Сразу после термического окисления плёнка SiO2 гидрофобна. Через некоторое время на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы и она становится гидрофильной. Образовавшаяся плёнка воды препятствует адгезии фоторезиста к поверхности слоя SiO2 . Для улучшения адгезии подложки перед нанесением фоторезиста отжигают при температуре 700 – 800 °С в сухом инертном газе. Подложки с плёнками ФСС обрабатывают при температуре 100 – 500 °С в сухом инертном газе в течение 1 часа. Для удаления влаги с поверхности применяют также обработку в гексаметилдесилазане (ГМДС).

Нанесение фоторезиста Нанесение фоторезиста Операция представляет собой процесс создания на поверхности подложки однородного слоя толщиной 1 – 3 мкм. Наибольшее распространение в промышленности получил способ нанесения фоторезиста центрифугированием. При включении центрифуги фоторезист растекается по поверхности подложки под действием центробежной силы. Слой фоторезиста толщиной h на границе с подложкой формируется за счет уравновешивания этой силы и силы сопротивления, зависящей от когезии молекул фоторезиста: где А- коэффициент пропорциональности, ν – вязкость, ω - частота вращения.

Сушка фоторезиста Сушка фоторезиста Способствует окончательному формированию структуры слоя фоторезиста. В процессе сушки из фоторезиста удаляется растворитель и происходят сложные релаксационные процессы, уплотняющие молекулярную структуру слоя, уменьшающие внутренние напряжения и повышающие его адгезию к подложке. Основными режимами сушки являются: - температура сушки (90 – 120 °С); - время сушки (10 – 30 мин.); - скорость подъёма и спада температуры. По способу подвода тепла различают 3 вида сушки: - конвективная сушка (в термостате); - ИК – сушка; - СВЧ – сушка.

Методы совмещения и экспонирования Методы совмещения и экспонирования

Контактная фотолитография схема совмещения Контактная фотолитография схема совмещения

Контактная фотолитография схема экспонирования Контактная фотолитография схема экспонирования

Фотолитография на микрозазоре Фотолитография на микрозазоре

Схема проекционного экспонирования со сканированием Схема проекционного экспонирования со сканированием

Проекционная фотолитография без изменения масштаба Проекционная фотолитография без изменения масштаба

Схема пошаговой мультипликации с уменьшением масштаба Схема пошаговой мультипликации с уменьшением масштаба

Проявление фоторезиста Проявление фоторезиста

Задубливание Задубливание Проводят при более высокой температуре, чем сушка. Задубливание обеспечивает: - повышение стойкости маски ФР к действию травителей; - повышает адгезию маски ФР к подложке. При задубливании в результате воздействия температуры происходит окончательная полимеризация фоторезиста, а также затягивание (залечивание) мелких пор, отверстий и несквозных дефектов.

Пути повышения разрешающей способности фотолитографии Пути повышения разрешающей способности фотолитографии Минимальные размеры элементов современных ИИЭ составляют 32 – 65 нм. При этом основным методом формирования топологического рисунка на данном этапе остаётся проекционная фотолитография путем пошаговой мультипликации .

Эволюция источников УФ излучения Эволюция источников УФ излучения

Фотолитография с фазосдвигающей маской Фотолитография с фазосдвигающей маской

Схема иммерсионной фотолитографии Схема иммерсионной фотолитографии

Схема фотолитографии на сверхжёстком УФ Схема фотолитографии на сверхжёстком УФ