Фотолитография 2013


Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования«Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК МЕТОДОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ
Рекомендовано редакционно-издательской комиссией по радиотехнике, наноэлектронике и лазерным системам Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королёва в качестве методических указаний
С А М А Р А Издательство СГАУ2013

УДК 621.382.83
Составители: А.И. Меркулов, В.Д. Дмитриев, М.П. Калаев Рецензент: доцент, к.т.н., Лофицкий И.В.
Изучение технологии изготовления элементов гибридных интегральных микросхем и микросборок методом фотолитографии: Метод, указания к лаб. работе / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост. А.И. Меркулов, В.Д. Дмитриев, М.П. Калаев – Самара: СГАУ, 2013. -20 с.
Рекомендуются студентам специальности 210201. 65 и 211000.62 при изучении дисциплины «Технология микросборок».
© Самарский государственный аэрокосмический университет, 2013

Цель работы: изучение и практическое освоение основных операций фотолитографического процесса, получения рисунка пассивных элементов гибридных интегральных микросхем (ГИМС) и микросборок (МСБ).
Задания:
Изучить структуру и основные операции фотолитографического процесса получения рисунка пленочных элементов ГИМС и МСБ.
Изучить оборудование для фотолитографического процесса.
Изучить методику оценки качества рисунков элементов при фотолитографическом методе изготовления.
Исследовать точность изготовления размеров пассивных пленочных элементов.
Изучить технологию изготовления пленочных элементов методом фотолитографии (см. Приложение).
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Сущность процесса фотолитографии
Фотолитография - совокупность фотохимических процессов, применяющихся для получения необходимых размеров и конфигурации элементов интегральных микросхем и других электронных микроузлов.
Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем.
На поверхность материала наносят слой особого свето-чувствительного состава - фоторезиста. Фоторезисты (ФР) -светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей) вещества, предназначенные для создания защитного рельефа требуемой конфигурации от последующего воздействия химических, физических, электрохимических и прочих агрессивных сред. Защитный рельеф образуется в результате того, что под действием света, падающего на определенные участки фоторезистного слоя, последние изменяют свои физико-химические свойства.
В зависимости от механизма протекающих в фоторезисте реакций, особенностей, и изменения его свойств, фоторезисты делят нанегативные и позитивные. При облучении негативного фоторезиста через фотошаблон (позитив) в нем протекают процессы, приводящие к потере растворимости, в результате чего после обработки в соответствующих растворителях (проявителях) удаляются только необлученные участки, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона, и на подложке образуется защитный рельеф, повторяющий негативное изображение фотошаблона.
В позитивных фоторезистах под действием света протекают фотохимические реакции, приводящие, наоборот, к усилению растворимости в соответствующих проявителях, в результате чего удаляются (вымываются) только облученные участки фоторезиста и защитный рельеф повторяет позитивное изображение фотошаблона.К основным достоинствам фотолитографического процесса следует отнести:
возможность получения пленочных и объемных компонентов ИМС весьма малых размеров (до долей микрона) практически любой конфигурации;
универсальность метода (изготовление трафаретов для напыления пленок и сеткографии, селективное травление пленочных слоев, вытравливание "окон" в оксидных пленках для локальной диффузии, эпитаксии и имплантации, глубинное травление в полупроводниковых и диэлектрических подложках и т.д.);
возможность применения групповой технологии (за одну операцию и на одном виде оборудования можно получить сотни и тысячи элементов ИМС и других приборов).
Для осуществления фотохимических процессов в фоторезистных материалах применяют обычно ультрафиолетовое (УФ) излучение. Поскольку в естественном свете содержание УФ лучей сравнительно невелико, то для более интенсивного протекания фотохимических процессов применяют искусственные источники УФ излучения. Поглощение УФ излучения органическими молекулами протекает селективно, т.е. для различных веществ поглощение наблюдается на вполне определенной длине волны УФ диапазона.
Процессы, протекающие при экспонировании вещества, разделяют на три группы:
1 - фотополимеризация и образование нерастворимых участков; наиболее типичными для системы, в которой используется этот процесс, являются негативные фоторезисты - эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта;
- сшивание линейных полимеров радикалами, образующимися при фотолизе светочувствительных соединений, использование каучуков с добавками светочувствительных веществ, таких, например, как бисазиды, дает возможность получать исключительно кислотостойкие негативные фоторезисты;
- фотолиз светочувствительных соединений с образованием растворимых веществ. Примером служит большинство современных фоторезистов, в которых фотолиз соединений, называемых нафтохинондиазидами (НХД), приводит к тому, что облученные участки становятся растворимыми в щелочных составах.В точной фотолитографии предпочитают использовать позитивные ФР в связи с отсутствием ореолов по границам защитного рельефа. Позитивные ФР проявляют в растворах с основными свойствами (в качестве проявителя часто используется водный раствор тринатрий-фосфата). Помимо разрушенных молекул НХД проявитель должен растворять и полимер, поэтому с целью снижения числа

Рисунок 1 - Характеристическая кривая и погрешность в воспроизведении размеров элементов после проявления: 1 - зависимость скорости проявления от экспозиции; 2 - зависимость погрешности от экспозиции Vпр=hc/tпр, где tпр-время полного растворения слоя толщиной hc, получившего дозу излучения ; Е - плотность светового потока, Вт/м2; - время экспозиции, с.
дефектов на незасвеченных участках желательно время воздействия проявителя на слой фоторезиста сокращать до минимума. Для этого необходимо работать на нижнем пределе экспонирования, который определяется условием достижения максимальной скорости проявления экспонированных участков по экспериментальным кривым (рисунок 1).
1.2. Получение конфигурации тонкоплёночных элементов методом фотолитографии
Типовой технологический процесс фотолитографии в общем виде представлен схемой (рисунок 2).
Нанесение фоторезиста на подложку осуществляют:
1.Центрифугой при частоте вращения до 10 тыс. об/мин. Методобеспечивает получение тонких, равномерных покрытий толщинойдо 1 микрометра с отклонением до 5%. В промышленности выпускаетсяагрегат для нанесения и сушки фоторезиста типа Э12 К631 .

Рисунок 2 - Схема фотолитографического процесса
2.Распылением фоторезиста в обеспыленной среде под давлением.Размер частиц, поступающих на подложку, не превышает 1,5-2 мкм.Метод обеспечивает нанесение слоя в интервале от 0,3 до 10 мкм сдопуском ±5%.
3.Погружением подложки в ванну с фоторезистом. Однакотолщина плёнки на подложке неравномерна и имеет форму "клина"за счёт стекания фоторезиста в сторону, противоположнуювытягиванию подложки из ванны.
Для удаления остатков растворителя из плёнки фоторезиста проводят сушку, при которой адгезия между подложкой и фото-резистом увеличивается. Формируется конфигурация в плёнке фоторезиста экспонированием, при котором изображение с фото-шаблона переносится на поверхность подложки, покрытой слоем фоторезиста.
Фоторезист проявляют, погружая в раствор или выдерживая в парах проявителя. Время проявления определяется толщиной фоторезиста и регулируется таким образом, чтобы по всей площади подложки полностью был удален проэкспонированный растворимый фоторезист.
Контроль геометрических размеров элементов после проявления производят путем измерения линейных размеров на оптических микроскопах типа УИМ-21, УИМ-23 и проверяют на соответствие размерам, заложенным в топологии.
После проявления проводят процесс дубления фоторезиста -термическую обработку с целью удаления проявляющего раствора и улучшения адгезии. Время выдержки и контроль температуры строго контролируют для исключения искажения изображения в результате пластической деформации. Затем проводят травление незащищенных слоем фоторезиста участков материала пленки. Травление обеспечивает создание требуемой конфигурации в тонком слое материала, на который нанесен фоторезист. Затем фоторезист снимают в смеси органических растворителей, не разрушающих нанесенные слои тонкопленочных элементов.
Травление в фотолитографическом процессе является одной из ответственных операций, так как геометрические размеры пленочных резисторов должны выдерживаться с высокой точностью, что, в конечном счете, определяет точность их номинала. Метод травления и травильный раствор должны обеспечивать равномерность травления, целостность защитной фоторезистной пленки и отсутствие нерастворимых продуктов реакции при оптимальной скорости травления. Кроме того, отношение скорости бокового травления к скорости травления в глубину должно быть минимальным. Адгезия фоторезиста к пленкам во время травления не должна ухудшаться, чтобы не было отслоений. Образование пузырей нежелательно, так как их адсорбция на краях фоторезиста приводит к неравномерному процессу травления.
Нарушение фоторезистной пленки, отслаивание указывает на непригодность совместного использования травителя и фоторезиста. Следует также избегать длительного воздействия травителя на фоторезист.
Для создания конфигурации пленочных элементов в процессе фотолитографии используют селективное травление многослойных структур, осажденных в едином технологическом цикле вакуумного напыления. На подложку последовательно напыляют резистивную, затем проводящую пленку и, при необходимости, слой для контакт-ных площадок.
Затем по многослойной структуре проводят фотолитографию по каждому или группе слоев, получая таким образом конфигурацию тонкопленочных резисторов и проводников (см. Приложение).
2. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Качество фотолитографического процесса оценивается тремя параметрами:
1.Точностью передачи размеров, которую оценивают поабсолютным или относительным отклонениям размера элемента отноминального значения

где - l полученный размер; l0 - номинальный размер.
2.Точностью совмещения, которая количественно определяетсяразностью, где и - заданный и воспроизведенныйзазор между элементами специально помещенной на ГИМС отметкисовмещения (элементы отметки выполняются в разных слоях ГИМС).
Точность совмещения в основном зависит от использующихся установок для совмещения, геометрии меток совмещения и квалификации работников.
3. Плотностью опасных дефектов -, 1/см2.
Чаще всего это дефекты фотошаблона или попадания пыли между слоем ФР и фотошаблоном. Дефекты могут быть также следствием посторонних включений и механических напряжений в слое ФР, физико-химических несовершенств ФР (включения нерастворимых полимеров, остатки продуктов, использующихся при синтезе ФР, участки ФР с разложившимися молекулами светочувствительных составляющих и др.). Очевидно, что с увеличением толщины слоя ФР вероятность превращения потенциального дефекта (в связи с его малыми размерами) в реальный уменьшается. Однако с ростом толщины(см. рисунок 3) ухудшается точность передачи размера и разрешающая способность; приближенно считается, что величина должна быть меньше 0,2 -0,3
Точность передачи размеров рисунка складывается из точности получения ФР маски и точности, получаемой в процессе травления (рисунок 3).
Воспроизведение размеров защитного слоя зависит от многих факторов: типа ФР, толщины его слоя, времени экспозиции, условий проявления; основным из них является правильный выбор экспозиции

Рисунок 3 - Определение точности передачи рисунка: 1 - при правильно выбранном времени травления, где- размер на фотошаблоне,- размер на слое фоторезиста; 2 - при большом времени травления
При недостаточной экспозиции время проявления будет большим (может быть даже не полное удаление слоя ФР). При больших экспозициях за счет боковой засветки размер окна в слое ФР (см. рисунок 3) будет значительно превышать размер на фотошаблоне
Процесс травления при неправильно выбранных режимах (концентрация раствора, температура, время травления) может внести значительный вклад в отклонение размеров элементов.
Действие химических травителей является ненаправленным, поэтому наряду с травлением толщины рабочей пленки происходит боковое растравливание под защитным слоем ФР. Количественно боковое (краевое) растравливание оценивается величиной х, которую называют шириной клина расслаивания, или коэффициентом травления К=х /hM (где hM - толщина рабочей пленки).
Примечание: Следует отметить, что, несмотря на заслуженное внимание, уделенное методу фотолитографии в данной работе, существует ряд технологических процессов получения еще более точного рисунка на поверхности пленок, полупроводников и т.д. Это процессы электроне-литографии, рентгенолитографии, ионного травления и другие. Они будут рассмотрены в лекционном курсе.
3. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Лабораторное оборудование состоит из:
бокса, снабжённого вытяжной вентиляцией;
центрифуги для нанесения слоя фоторезиста;
установки для экспонирования с лампой типа СВД- 120А;
рамки для засветки с экраном; -термостата;
фотошаблона;
микроскопа МИИ-4;
секундомера;
набора химической посуды и пинцетов.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Изготовить пассивные элементы пленочной микросхемыметодом фотолитографии согласно технологическому процессу,приведенному в Приложении. Произвести процесс фотолитографиидля четырех различных значений экспозиции.
2.Исследовать точность передачи размеров пассивных элементовпленочной схемы на слое фоторезиста (после проявления и термообработки) и на пленке меди (после травления) в зависимости от времени экспонирования. Рассчитать абсолютные и относительные отклонения размеров элементов.
Примечание. Произвести измерения с помощью микроскопа размеров элементов в нескольких местах (с определенным шагом) на фотошаблоне, фоторезистном слое и пленочном элементе.
3. Оформить отчет.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Схема технологического процесса получения рисунка ГИМС методом прямой фотолитографии с хронометражом операций (рассчитать длительность технологического цикла).
Результаты замеров различных пленочных элементов и защитного рельефа, а также результаты расчетов точности передачи рисунка (оформить в виде таблицы).
Построить графики точности передачи рисунка на слое ФР и на пленке в зависимости от времени экспонирования.
Объяснить ход полученных зависимостей и определить оптимальное время экспонирования для условий проведения опыта.
Указать на "узкие" места фотолитографического процесса.
Контрольные вопросы
Какие методы получения рисунка тонких пленок вы знаете?
Что такое фоторезист?
Какова последовательность операций при прямой фотолито-графии?
В чем различия позитивного и негативного фоторезиста?
Каковы критерии оценки фотолитографического процесса?
Какие явления вызывают появление дефектов при фото-литографической обработке?
Каково влияние передержки или недодержки при экспони-ровании на качество получения рисунка ИМС?
Как связаны между собой величина экспозиции и время проявления?








Список использованных источников
Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок.- М.: Лань, 2006.- 400 с.
Пиганов М.Н. Материалы гибридных микросхем и микросборок. – Самара: СГАУ, 2004. – 204с.
М. Н. Пиганов, В. Д. Дмитриев, С. В. Тюлевин. Оборудование и технологические процессы в производстве тонкопленочных микросхем и микросборок. – Самара: СГАУ, 2011. – 148 с.
М. Н. Пиганов, В. Д. Дмитриев. Технологические основы микросборок. - Самара: СГАУ, 2010. – 204 с.
Парфенов О.Д. Технология микросхем.-М.: Высшая школа, 1986.-320 с.
Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. -М.: Радио и связь, 1987.- 464 с.

Учебное издание
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК МЕТОДОМ
ФОТОЛИТОГРАФИИ
Методические указания
Составители:
Меркулов Анатолий Игнатьевич
Дмитриев Василий Дмитриевич
Калаев Михаил Павлович

Приложенные файлы

  • docx 15911028
    Размер файла: 151 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий