Методы и технология формирования рисунка интегральных микросхем

Для создания геометрического рисунка совмещенных тонкопленочных элементов, образующих многослойную структуру, можно выделить две группы методов: контактные маски и методы свободной маски. В технологии полупроводниковых ИМС используются контактные маски, которые представляют собой применение последовательной селективной и обратной фотолитографий. Метод последовательной ФЛ (прямые маски) представлен на рис. 5, а. Сначала на подложку 1 наносится тонкопленочный слой из рабочего материала 2, например SiO2 на кремниевую подложку, затем контактной фотолитографией формируется фоторезистивная маска (рис.5, 4–7). Через прямую ФР-маску травится слой SiO2. Травитель для SiO2 не должен разрушать и травить фоторезист и подложку (селективный травитель). После травления ФР-маска удаляется.

Рис. 5— Методы последовательной (а) и обратной фотолитографий (б): 1 — подложка; 2 — слой SiO2; 3 — слой меди; 4 — фоторезист; 5 — фотошаблон; 6 — излучение; 7 — фоторезистивная маска; 8 — обратная маска в слое меди; 9 — пленка рабочего материала; 10 — рисунок в рабочем слое

В обратной ФЛ маска формируется в слое ФР или в пленке из вспомогательного металла, который легко травится, например из меди (рис. 5, б). Пленка меди 3 напыляется непосредственно на подложку 1. С помощью фоторезистивного защитного рельефа 4 в нем формируется рисунок 8, негативный (обратный) по отношению к требуемому изображению. Фоторезистивная маска удаляется, и на металлическую маску наносится рабочий материал 9. При травлении материала маски (меди), находящейся под рабочим слоем, последний удаляется с подложки, за исключением мест, где он осажден непосредственно на подложку. За счет этого получается рисунок 10 в рабочем материале.

Однако технологический процесс с обратной металлической маской несколько усложняется. Возможен и упрощенный метод обратной ФЛ, при котором на подложку наносится фоторезист и на нем образуется негативный рисунок требуемой конфигурации; далее наносится сплошной слой рабочей пленки, который удаляется с подложки вместе с фоторезистом. Метод обратной фоторезистивной маски исключает действие сильных травителей на пленку, так как ФР удаляется органическим растворителем. Однако, используя обратную ФР-маску, нельзя применять сильный нагрев, так как он приводит к дополнительной полимеризации или разложению фоторезиста. В процессах, в которых имеет место нагрев, следует применять обратную ФЛ с подслоем (рис.5, б).

Метод свободных масок базируется на использовании специальных металлических трафаретов. К трафарету предъявляют ряд требований, определяемых условиями его эксплуатации. Трафарет используют в качестве маски при напылении пленок методом термического испарения в вакууме. Он устанавливается перед подложкой с некоторым зазором. Напыляемое вещество с испарителя поступает на подложку только через окна в трафарете, которые и образуют рисунок. Поэтому трафарет должен обладать жесткостью и упругостью, чтобы при нагреве в процессе напыления не деформироваться, но при этом быть достаточно тонким для уменьшения эффекта затенения. Этим требованиям удовлетворяют сплавы меди, сталь, молибден, бериллиевая бронза при толщинах фольги 50–125 мкм.

Схема изготовления монометаллического трафарета представлена на рис. 6, а и включает в себя операции изготовления ФР-маски (нанесение ФР 1 на фольгу 2, экспонирование 3, проявление). Затем следует операция травления фольги. На операции травления другую сторону пластины защищают лаком 5. Величина подтравливания приблизительно равна глубине травления 6 (рис. 6, а). Монометаллические трафареты, полученные методом контактной ФЛ, применяют редко из-за сильного растравливания материала фольги и ограниченной точности перенесения рисунка с фотошаблона (до 5–15 мкм). Для устранения подтравливания применяют биметаллические трафареты, в которых один слой, более толстый (100–150 мкм), служит основой и обеспечивает механическую прочность маски; другой слой, относительно тонкий (7–10 мкм), является собственно трафаретом и обеспечивает точное воспроизведение рисунка (биметаллический трафарет).

Рис. 6 — Схема изготовления монометаллического (а) и биметаллического (б) трафаретов: 1 — фоторезист; 2 — фольга; 3 — излучение; 4 — фотошаблон; 5 — лак; 6 — подтрав; 7 — монометаллический трафарет; 8 — ФР-маска; 9 — слой никеля; 10 — биметаллический трафарет

В качестве основы биметаллического трафарета применяют пластины из бериллиевой бронзы толщиной 0,1–0,15 мм, на которой формируют защитную маску из фоторезиста (рис. 6, б). Изолирующий рисунок на поверхности пластины соответствует будущим местам отверстий в трафарете. На открытые участки пластины гальваническим способом наращивают слой никеля толщиной до 10 мкм. Затем фоторезистивную маску удаляют и травят пластину на всю глубину, при этом слой никеля выполняет функцию защитной маски. Биметаллические трафареты характеризуются более высокой точностью по сравнению с монометаллическими трафаретами, но отличаются непрочностью нависающих слоев никеля и возможностью зарастания щели при напылении материалов.