Технологические процессы фотолитографии

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Особенности обработки материалов п/п [1]:

- монокристаллы обладают изотропными свойствами и требуют при механической обработке ориентации по кристаллографическим плоскостям, обозначаемым индексами Миллера (100, 110, 111), слитки ориентируют по кристаллографической плоскости 111, обеспечивая этим равномерность скорости травления, ровный фронт вплавления и диффузии;

- пластины режут из слитка, шлифуют и полируют для: получения заданной толщины, параллельности плоскостей (2 – 3 мкм на 30 – 40 мм), гладких поверхностей 13 – 14-го класса чистоты (без царапин, углублений, неровностей, обеспечения высокой точности фронтов диффузии или вплавления в пределах единиц и долей микрометра при создании электронно-дырочных переходов;

- при шлифовании применяется абразивная суспензия между шлифовальниками и изделием (Т:Ж = 1:3, Т – твердая фаза, Ж – жидкость), суспензия – дистиллированной Н₂О и абразив (микропорошки М10 – карбид кремния и М5 – электрокорунд);

- при полировке применяются алмазные пасты на основе алмазных микропорошков САМ3 и САМ1 (САМ3 – на батистовом полировальнике, САМ1 – на велюровых, замшевых и фетровых полировальниках);

- прошивка отверстий и полостей различной конфигурации проводится на ультразвуковых установках – рабочий инструмент действует на абразивные частицы суспензии, придавая им энергию за счет кавитации.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Ориентирование монокристаллов по кристаллографическим плоскостям при их механической обработке.

2. Особенности резки, шлифовки и полировки п/п кристаллов.

3. Принцип действия ультразвуковых установок при прошивке отверстий в п/п материалах.

Операции фотолитографии рассмотрены выше при описании технологического процесса производства п/п приборов.

Схема агрегата для фотолитографии (ФЛГ) – агрегат ФЛГ 4415.

Каждая установка (всего 12) агрегата – стол со скафандром - оснащена соответствующим оборудованием и оснасткой. Установки могут быть отдельные (не в составе агрегата). Они соединяются шлюзами и затворами, которые позволяют транспортировать п/п пластины из скафандра в скафандр без соприкосновения с атмосферой помещения. В скафандрах контролируемая атмосфера – очищенный воздух или азот. Элементы управления и контроля находятся снаружи или внутри скафандра. Операции в каждой установке: 1-я установка – обезжиривание п/п пластин в органических растворителях, сушка в сушильной камере и охлаждение до комнатной температуры; 2-я установка содержит дозатор фоторезиста (ФР) и две центрифуги – методом центрифугирования на п/п пластины наносят слой ФР; 3-я установка – ФР сушат горячим очищенным воздухом заданной температуры (для нагрева есть печь), для равномерной сушки пластины вращают; 4-я установка – совмещают п/п пластины со слоем ФР с фотошаблоном (ФШ) и экспонируют УФ-излучением; 5-я установка – фоторезист проявляют в парах органических растворителей; 6-я установка – микрометром МИМ-4 контролируют качество обработки; 7-я установка – травят п/п пластину в местах, не защищенных ФР; 8-я установка – удаляют слой ФР; 6-я установка – выполняют окончательный визуальный контроль. Как видно из описания схемы агрегата в установках 1, 5, 7, 8 проводятся химические обработки, химические реактивы (трихлорэтилен, деионизованная вода, воздух, N₂, ФР, смеси HF + H₄F + H₂O + 98 %-ая H₂SO₄) подаются через трубопроводы, установки оборудованы сливами, а также сбросами избыточного давления. Производительность агрегата – 20 пластин в час, размеры пластин: диаметр 22 – 32 мм, толщина 0,15 – 0,3 мм.

Фоторезисты светочувствительны, устойчивы к воздействию кислотных и щелочных травителей. Их назначение заключается в образовании на поверхности п/п пластины тонкой защитной пленки нужной конфигурации, получающейся в результате светового воздействия на отдельные участки. После проявления пленки ФР часть ее (нужного рисунка) остается на поверхности п/п пластины и служит маской при последующих технологических операциях.

Механизм работы ФР: световое излучение, падающее на пленку ФР, создает в ней активные центры. Активация может быть прямой и сенсибилизирующей. При прямой активации молекулы ФР диссоциируют или объединяются с другими молекулами. При сенсибилизирующей активации молекулы в реакции не участвуют, но передают свою энергию другим молекулам.

К фотохимическим реакциям способны следующие вещества: с неустойчивой связью С – N (диазосоединения – диазокетоны, диазосульфонаты и хинондиазиды); полимеризующие (ненасыщенные альдегиды и кетоны – производные коричневой кислоты); с неустойчивой связью O – N (нитронафталиновые сульфокислоты и ароматические нитроальдегиды). В п/п производстве наиболее широкое применение находят: поливиниловый спирт (ПВС), полиэфиры, полиамиды, поливинилацетали и др. Кроме того, к группе светочувствительных соединений, используемых в п/п производстве, относятся вещества, которые под действием светового излучения разрывают свои связи и переходят в нерастворимое состояние (кетоны, альдегиды, сульфоны, диазосоединения, нафтохинондиазиды).

По способу образования рисунка на поверхности п/п пластины ФР подразделяют на 2 группы: негативные и позитивные. Негативные ФР под действием света образуют нерастворимые участки рисунка на поверхности пластины и после проявления остаются на ее поверхности. Рисунок ФР представляет собой негативное изображение оригинала (фотошаблона), позитивные ФР, наоборот, под действием света образуют растворимые участки, в этом случае рисунок оригинала в точности повторяется на поверхности пластины.

В качестве негативных ФР в п/п технологии применяется состав на основе сложного эфира ПВС и коричневой кислоты – поливинилциннамат (ПВЦ), максимальная чувствительность которого лежит в УФ-области спектра. Готовый фоторезист ПВЦ представляет собой порошок белого или желтоватого цвета, он растворяется в органических составах – растворах толуола с хлорбензолом, ацетата метиленгликоля с метаксилолом. Кислотостойкость ПВЦ к травителям (на основе HF + HNO₃) не очень высока. Наибольшее применение фоторезист ПВЦ находит в планарной технологии для защиты SiO₂ от травителя, состава: HF + фтористый аммоний + + Н₂О.

В качестве позитивного ФР используется состав, состоящий из 1, 2 нафтохинондиазида (2) – 5 – сульфоэфира новолака с различными полимерами. Растворителями служат спирты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол. Нередко используют смеси из нескольких растворителей с различным давлением паров – это улучшает процесс пленкообразования, снижает количество пор и напряжений в пленке. УФ-поглощение ФР на основе нафтохинондиазидов (НХДА) по сравнению с ФР ПВЦ сдвинуто в сторону больших длин волн.

Критерии выбора ФР: чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость. Спектр поглощения ПВЦ: от 225 нм (α – 70 %) до 450 нм (α – 40 %), λ_макс1 = 320 нм (α – 95 %), λ_макс2 = 420 нм (α – 51 %). Спектр поглощения НХДА: от 320 нм (α – 30 %) до 580 нм (α – 25 %), λ_макс1 = 380 нм (α – 62 %), λ_макс2 = 530 нм (α – 62 %).

Разрешающая способность ФР: изображение – размер ~ 1 мкм, 500 – 1000 линий/мм, толщина пленки – 0,5 – 1 мкм.

Для определения кислотостойкости ФР используются способы, основанные на измерении величины стравливания края изображения. С этой целью измеряют ширину клина, который образуется на краю пленки после травления.

Нанесение ФР проводится методом центрифугирования (методом пульверизации и напыления в электростатическом поле в лабораторных условиях).

Фотохимическая обработка после изготовления оригинала: проявление изображения и промывка, задубливание ФР, травление пленки хрома, снятие ФР и промывка пластин. Для проявления позитивного ФР используются глицериновый (1 % раствор тринатрийфосфата в водно-глицериновом составе) и щелочной (0,3 % раствор КОН) проявители. Задубливание ФР проводят в термостате (120 ^оС, 30 мин); травление пленки хрома осуществляется в термостабилизированных условиях в растворе HCl. Снятие ФР проводится в 50 % растворе КОН; травление Al с негативным ФР – в 5 – 20 % растворе NaOH и KOH (50 – 80 ^оС); травление Al с позитивным ФР – в 50 % растворе ортофосфорной кислоты (60 – 70 ^оС); травление Cr (позитивный ФР) – в разбавленной HCl; травление Au (позитивный ФР) – в царской водке. Пленку Ta (негативный ФР) снимают в щелочных растворах (снятие окисла Ta), затем в кислотном травителе, содержащем HF.

Фотошаблоны (ФШ) – плоскопараллельные пластины из прозрачного материала, на которых имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных для света с определенной λ участков, образующих топологию одного из слоев структуры прибора или группы приборов, многократно повторенных в пределах активного слоя пластины п/п. ФШ – основной инструмент для осуществления ФЛГ операций в планарной технологии. С помощью ФШ формируют изображения в слое ФР, нанесенном на п/п пластины. ФШ могут быть прямые (повторяют рисунок оригинала) и обратные – дают негативное изображение оригинала. Разрешающая способность ФШ – от единиц до десятых долей микрометра. Размеры ФШ – 30×30 мм² (диаметр п/п пластины 35 – 40 мм, в последнее время 80 – 90 мм). На нем располагается от 50 до нескольких тысяч однотипных элементов.

ФШ после механической обработки поступают на химический участок, где подвергаются воздейсвию щелочей, кислот и растворов солей для растворения и удаления загрязнений. Используются следующие способы очистки: обезжиривание в ацетоне; в 10 % растворе соды или водном растворе бихромата калия; в горячей дистиллированной Н₂О и метиловом спирте; в растворе едкого кали, хромовой смеси и парах изопропилового спирта; в хромовой смеси и в азотной кислоте, затем в Н₂О; промывка в серном эфире, в смеси его с этиловым спиртом, затем в Н₂О. Наиболее эффективными способами очистки являются операции: обезжиривание в горячем перекисно-аммиачном растворе с последующей промывкой проточной деионизованной водой – этот раствор является хорошим окислителем и не образует вредных соединений; обработка в концентрированной H₂SO₄ + промывка в деионизованной воде для дополнительного окисления возможных остатков жировых загрязнений и растворения некоторых неорганических веществ; протирка специальными кистями в проточной деионизованной Н₂О; сушка стекол с помощью центрифугирования при скорости 2 000 – 3 000 об/мин.

Промышленная линейка включает УЗ-очистку, обработку в горячем растворителе, вибрационно-химическую обработку, финишную отмывку, сушку и нанесение консервирующего покрытия (лака), который снимается непосредственно перед загрузкой пластины в рабочую камеру напылительной установки (пленка хрома).

Задания для самостоятельной работы

1. Оборудование для фотолитографии.

2. Виды и механизмы работы фоторезистов.

3. Усройство, виды и химическая обработка фотошаблонов.

Дата добавления: 2014-11-25