Оригинал, 2-объектив, 3-промежуточный ФШ, 4-эталонный ФШ, 5-рабочие ФШ

Эталонный групповой ФШ получают путем мультиплицирования изображения рисунка, т.е. пошагового впечатывания, уменьшенного до натурального размера изображения промежуточного ФШ на фотопластину (рис. 4, б). Процесс выполняется на специальных оптико-механических установках — фотоповторителях.

Рабочие ФШ представляют собой копии с эмульсионных или хромированных эталонов, полученные методом контактной печати. В качестве покрытий для рабочих ФШ используются пленки хрома (хромированные ФШ) или полупрозрачные покрытия из окиси железа Fe2O3 (транспарентные ФШ). Хромированные ФШ имеют стойкость до 50 отпечатков, транспарентные ФШ выдерживают до 100 отпечатков. Не менее важно то, что для транспарентных ФШ проще поиск знаков совмещения, так как окисное покрытие поглощает ультрафиолетовое излучение, но является прозрачным для видимого света.

Рассмотренный метод изготовления ФШ называется оптико-механическим методом. Необходимость многократного воспроизведения изображения на групповом ФШ, а также получения фотокопий с износостойким покрытием приводит к многоступенчатости процесса изготовления ФШ. Однако с каждой ступенью процесса происходит накопление дефектов в рисунке, и требование высокой точности приходит в противоречие с требованием малой плотности дефектов. Оптико-механический метод получается длительным и дорогостоящим и рекомендуется для изготовления ФШ полупроводниковых приборов и интегральных схем крупносерийного производства.

Современным методом изготовления ФШ является микрофотонаборный метод генерации изображения. Микрофотонаборный метод реализуется либо оптическим, либо электронным генератором изображения. В основе работы оптического генератора изображения лежит принцип фотонабора. Топологическая структура рисунка расчленяется на элементарные прямоугольники с различным отношением сторон и определенной ориентацией по углу (рис. 5). По заданной программе очередной эле мент формируется подвижными шторками диафрагмы и разворачивается на необходимый угол, а двухкоординатный стол, на котором размещена светочувствительная пластина, отрабатывает заданные координаты. После остановки стола производится экспонирование светом с заранее установленной выдержкой. Соответственно исходными данными для каждой экспозиции являются длина и ширина очередного элемента, угол его поворота вокруг центра тяжести относительно оси x и координаты центра тяжести элемента (x и y). С помощью генератора изображения получают оригинал в масштабе 10:1, который используют для изготовления эталонных ФШ с помощью фотоповторителя.

Рис 5. – Генерация изображений топологических элементов на микрофотонаборной установке а – сложного, б,в – простых

Оптический генератор позволяет осуществить до 300 тысяч экспозиций в час и формировать с большой скоростью сложный топологический рисунок. Однако ввиду того, что современные интегральные схемы имеют до миллиона топологических элементов, даже при таком быстродействии формирование одного фотошаблона составляет десятки часов. Электроннолучевой генератор изображения в сравнении с оптическим имеет более высокое быстродействие. В нем используется электронный луч в режиме векторного сканирования. При этом возможно получение на рабочем поле до 50 млн. элементов.

Изготовление рабочих ФШ представляет собой процесс контактной ФЛ, состоящей из следующих этапов:

– осаждение пленки рабочего материала;

– нанесение ФР;

– первая сушка;

– совмещение и экспонирование;

– проявление ФР;

– травление пленок;

– удаление ФР;

– контроль ФШ

Качество процесса ФЛ во многом определяется механическим и физико-химическим состоянием поверхности подложек. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой ФР должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин (т.е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию. Для нанесения слоя ФР чаще всего используют метод центрифугирования. При этом методе на подложку, которая устанавливается на столике центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей — дозатором. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности под- ложки. Прилегающий к подложке граничный слой формируется за счет уравновешивания центробежной силы, пропорциональной числу оборотов, и силы сопротивления.

Используя метод центрифугирования, можно в зависимости от вязкости ФР регулировать толщину его слоя от 0,4 до 3,5 мкм, изменяя частоту вращения центрифуги от 1500 до 8000 об/мин. При малых скоростях центрифугирования слой ФР получается неровным и наблюдается его утолщение по краям подложки. Выбирая толщину слоя ФР, необходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью (чем меньше толщина, тем выше разрешающая способность) и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя ФР должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его стойкости к травителю и обеспечивать малую дефектность.

Для окончательного удаления растворителя из слоя ФР его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя ФР снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 100⁰ С. Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты. Существуют три метода сушки ФР: конвекционный, инфракрасный и в СВЧ-поле.

При конвективной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90–100⁰ С в течение 15–30 мин. Недостаток этого метода — низкое качество ФР-слоя.

При инфракрасной сушке источником теплоты является сама подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы. Так как «фронт сушки» перемещается от подложки к поверхности слоя ФР, качество сушки по сравнению с конвективной существенно выше, а время сокращается до 5–10 мин.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглощая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Время сушки — несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недостатками — сложность оборудования, а также неравномерность сушки слоя ФР.

При любом методе сушки ее режимы (время, температура) должны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста.

Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется процессом совмещения и экспонирования. Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью 10 % от минимального размера элемента. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят одновременно на одной установке. Перед экспонировнаием слоя ФР фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры ИМС необходим комплект ФШ со строго согласованными топологическими рисунками элементов. При первой фотолитографии, когда поверхность подложки еще не имеет рисунка, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих ФЛ, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок ФШ ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя. Совмещают рисунки ФШ и подложки по специальным знакам — фигурам совмещения, предусмотрен ным в рисунке каждого топологического слоя. Существуют два метода совмещения ФШ с подложками:

– визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблюдают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25–1,0 мкм и зависит от возможностей установки;

– автоматизированный фотоэлектрический, обеспечивающий точность совмещения 0,1–0,3 мкм

Процедура совмещения осуществляется с помощью механизма совмещения микроизображений.

После выполнения совмещения подложку прижимают к ФШ и экспонируют слой ФР. Обеспечить идеальный контакт и отсутствие локальных зазоров по большим площадям практически невозможно. Зазор при контактировании двух поверхностей носит случайный характер и обусловлен неплоскостностью под ложки, изгибом подложки при термообработках, наличием нижележащего микрорельефа и др. Этот зазор может колебаться в диапазоне 5–20 мкм. Наличие зазора ухудшает разрешающую способность контактной фотолитографии.

Окончательное формирование в пленке ФР изображения элементов схем происходит при его проявлении, когда в зависимости от типа ФР удаляются экспонированные или неэкспонированные участки. В результате на поверхности подложки остается защитная фоторезистивная маска требуемой конфигурации. Проявителями для негативных ФР служат органические растворители: толуол, бензол, трихлорэтилен и др. Позитивные ФР проявляются в слабых водных растворах щелочей: 0,3–0,6 %-ный раствор KOH; 1–2 %-ный раствор три- натрийфосфата и др. Для каждого резиста существуют оптимальные сочетания времен экспонирования и проявления, обеспечивающие наилучшую воспроизводимость размеров проявленных эле ментов рисунка.

После проявления подложки промывают и сушат при повышенных температурах. Температура сушки составляет: для негативных ФР — 200–220⁰ С при времени выдержки 1 ч; для позитивных ФР — 200–240⁰ С — 0,5 ч. В процессе сушки в негативных ФР происходит окончательная полимеризация проявленных участков. Вследствие этого повышается стойкость слоя ФР к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке.

После сушки подложки подвергают контролю под микроскопом. При контроле обнаруживаются: посторонние включения, пылинки, микрочастицы, которые создают участки, обладающие повышенной растворимостью. Эти дефекты, как правило, незаметные во время нанесения резиста, выявляются при проявлении, поскольку обладают повышенной растворимостью. В результате растворения они создают поры (проколы) в слое ФР.

Задубливание является финишной операцией нанесения фоторезистивной маски, поэтому после нее следует окончательный визуальный контроль перед травлением.

Контактная ФЛ заканчивается операцией травления технологического слоя и последующим удалением фоторезистивной маски. Для удаления фоторезистов можно применять множество жидких растворителей или использовать газофазные процессы с возбужденным кислородом (сжигание в кислородной плазме). Позитивные ФР легко удаляются в органических рас- творителях. Негативные ФР лучше удаляются при окислении. При жидкостном методе подложки кипятят в органических растворителях (диметилформамиде и др.). При этом слой ФР набухает и удаляется. Чем больше задублен ФР, тем он прочнее, тем сложнее его растворить. Эффективное удаление ФР можно проводить в среде кислорода при высоких (до 700⁰ С) температурах, если это позволяет структура подложки. Освещение подложки ультрафиолетовыми лучами позволяет резко снизить температуру обработки. Формирование топологии рисунка на технологическом слое (металлизация, диэлектрическая пленка) является конечной задачей фотолитографии. Это осуществляется химическим жидкостным либо «сухим» (ионно-плазменным) методами. Химическое жидкостное травление основано на растворении в химических реагентах незащищенных фоторезистивной маской участков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор. Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя и его температурой.