Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур: Лабораторный практикум

Министерство образования Российской Федерации

УДК 538.945 Ф81

Омский государственный университет

Рекомендован к изданию учебно-методическим советом ОмГУ. Протокол № 1 от 28 апреля 2004 г.

Ф81

Фотолитографический метод создания

Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур: Лабораторный практикум (для студентов физического факультета) / Сост.: С.А. Сычев, Г.М. Серопян, И.С. Позыгун, В.В. Семочкин. – Омск: Омск. гос. ун-т, 2004. – 27 с. Материал соответствует Государственному образовательному стандарту по специальности 010400 «Физика». Даются представления о фотолитографическом методе создания тонкопленочных структур с использованием метода сухого травления и, в частности, микроструктур из тонких ВТСП пленок для изготовления элементов сверхпроводящей криоэлектроники. Может быть использован студентами других специальностей.

тонкопленочных ВТСП структур Лабораторный практикум (для студентов физического факультета) специальность 010400 «Физика»

УДК 538.945

Издание ОмГУ

© Омский госуниверситет, 2004

Омск 2004 2

Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур Цель работы: создание тонкопленочных ВТСП микроструктур, в частности, сквид-геометрии методом фотолитографии и сухого травления. Приборы и принадлежности: центрифуга для нанесения фоторезиста, фоторезист ФП 20Ф, источник ультрафиолетового излучения, фотошаблон (маска), пипетка, термометр, барометр, вакуумный насос, ртутный манометр, ячейка травления, химические реагенты, сушильная печь, образцы тонких ВТСП пленок, микроскоп МИИ-4. Процесс фотолитографии Фотолитография – это совокупность фотохимических процессов, создающая на поверхности материала защитный слой требуемой прочности от агрессивных воздействий и последующей операции селективного травления или осаждения, использующих этот защитный рельеф. Сам процесс фотолитографии известен сравнительно давно, он заимствован из полиграфической промышленности. Фотолитография широко применяется в радиотехнической промышленности при изготовлении печатных плат. Широкое применение фотолитографические методы получили и в электронной промышленности. В настоящее время без фотолитографии невозможно себе представить получение полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. К основным достоинствам фотолитографического процесса следует отнести: 1) возможность получения пленочных и объемных компонентов интегральных микросхем весьма малых размеров (до единиц и долей микрона) практически любой конфигурации; 2) универсальность метода: изготовление металлических масок для напыления пленок, селективное травление пленочных слоев, вытравливание “окон” в маскирующих пленках для локаль3

ной диффузии, эпитаксии и ионной имплантации, глубинное травление в полупроводниковых и диэлектрических подложках и т.д.; 3) возможность применения групповой технологии (за одну операцию и на одном виде оборудования – получение сотен и тысяч элементов интегральных микросхем и дискретных полупроводниковых приборов). Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати, как контактной, так и проекционной, ухудшается резкость края (рис. 1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный фоторезист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением или взрывной литографией. Край щели Контактная печать П ечать с зазором П роекционная печать

Рис. 1. Профили распределения интенсивности в изображении для случаев контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии

4

Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам: 1) дифракция; 2) глубина фокуса объектива; 3) низкоконтрастный фоторезист; 4) стоячие волны (отражение от подложки); 5) преломление света в фоторезисте. Изображение неточечного источника в фокальной плоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, а распределяется в дифракционную картину диска Эйри. Таким образом, неэкспонируемый промежуток частично экспонируется дифрагировавшим и отраженным от подложки излучением. Вследствие внутреннего эффекта близости изолированные экспонируемые линии облучаются недостаточно и должны экспонироваться с большей дозой, что ведет к искажению изображений линий размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размером менее 3 мкм, или проявляться с потерей толщины фоторезиста в неэкспонируемых промежутках. Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в фоторезисте двумерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах ±15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера минимального элемента. Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные и Xe дуговые лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах: – Дальний УФ от 100 до 200-300 нм; – Средний УФ 300-360 нм; – Ближний УФ от 360-450. 5

Существует 3 основных типа фотолитографических устройств: 1) контактная печать; 2) проекционные с преломляющей оптикой; 3) проекционные с отражательной оптикой. При контактной печати шаблон, выполненный в масштабе 1:1, находится в физическом контакте с подложкой или отдален от нее на несколько микрометров в случае печати с зазором. Главными недостатками контактной печати являются повреждения шаблона и ограниченная совместимость. В проекционных системах используются линзы или зеркала, позволяющие проецировать рисунок фотошаблона (масштаб 10:1, 5:1 или 1:1) на квадратное поле (20х20) или полоску (1,5 мм), которая затем сканируется по пластине. Контактная печать. В принципе сколь угодно высокое разрешение может быть получено при физическом контакте шаблона и подложки, а также методом прямого молекулярного осаждения. Однако на практике молекулярный контакт трудно осуществить, а шаблон после десятка проходов при совмещении и печати повреждается. Перемещения и шаблона, и пластины в процессе совмещения вызывают ошибки оператора и ограничивают точность совмещения примерно до ±1 мкм. На ранних этапах развития литографии контактная печать служила основным методом для получения изображений с размерами 3–10 мкм. Поскольку для жидкостного травления важен не профиль изображения в резисте, а его ширина, уход размеров в пределах ±1 мкм при жидкостном проявлении совместим с отклонениями ±1 мкм при печати. При использовании соответствующего контактного шаблона или двухслойных резистов могут быть получены изображения размером вплоть до 0,1 мкм. При использовании коротковолнового УФизлучения метод печати с зазором позволяет получать рисунки с шириной линии 1 мкм. Если зазор Z между шаблоном и пластиной превышает френелевский предел (±5%-ный допуск для интенсивно6

сти и 20%-ный допуск для ширины линии), предельное разрешение W составляет 1–2 мкм для зазора 5-10 мкм:

W ≅ 0,7λZ .

2

2

1

1

При дальнейшем увеличении зазора в изображении появляются вторые и третьи дифракционные порядки и результирующий профиль оказывается сужающимся книзу. Близко расположенные линии при контактной печати или печати с зазором расплываются из-за конструктивной интерференции между волнами, дифрагировавшими на соответствующих краях. Использование более коротковолнового излучения в контактной печати и печати с зазором позволяет работать с большими зазорами. Круглые отверстия воспроизводятся лучше, чем прямоугольные фигуры, в которых наблюдается закругление углов вследствие внутреннего эффекта близости. Благодаря дифракции дефекты в виде точечных проколов не воспроизводятся. Использование негативных фоторезистов в методе печати с зазором затруднено тем, что интенсивность дифрагировавшего на шаблоне света уменьшается при его распространении за шаблоном, и в резисте пропечатываются высокие порядки дифракции. Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем (см. рис. 2). На поверхность материала 1 (полупроводник, диэлектрик, металл или сверхпроводник) наносят тонкий слой фоторезиста 2. Фоторезисты – это светочувствительные вещества, которые устойчивы к агрессивным химическим, электрохимическим и другим воздействиям и предназначены для создания защитного рельефа требуемой конфигурации от этих воздействий. При создании защитного рельефа фоторезист освещают через фотошаблон – кварцевую пластину 3, на одной поверхности которой предварительно создан контрастный рисунок, состоящий из прозрачных 4 и непрозрачных 5 участков. Под действием света в освещаемых участках фоторезистивного слоя протекают фотохимические реакции, в результате которых эти участки изменяют свои свойства.

В зависимости от механизма протекающих в фоторезисте фотохимических реакций и особенностей изменения его свойств фоторезисты делят на негативные и позитивные. При облучении негативного фоторезиста через фотошаблон в освещаемых участках фоторезиста протекают процессы, приводящие к потере их растворимости в соответствующих растворителях (проявителях), в результате чего после обработки в них удаляются только необлученные участки, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона. При

7

8

4

4

3 5 2

3 5 2

1

1 2

2 1

1

2

2

1

1

а)

SiO2

Si б)

Рис. 2. Этапы процесса фотолитографии а) негативный фоторезист; б) позитивный фоторезист

этом на подложке образуется защитный рельеф, повторяющий негативное изображение фотошаблона. В позитивных фоторезистах под действием света в освещаемых участках протекают фотохимические реакции, приводящие, наоборот, к усилению их растворимости в соответствующих проявителях, в результате чего после обработки в них удаляются (вымываются) только облученные участки фоторезиста и защитный рельеф повторяет позитивное изображение фотошаблона. Собственно процесс фотолитографии на этом, как правило, заканчивается. Последующее использование защитного рельефа в зависимости от типа изделия, подлежащего обработке, заключается в травлении материала подложки на незащищенных фоторезистом участках или в наращивании того или иного материала на этих участках, например, в электрохимическом осаждении металла на эти участки. Рассмотрим подробнее сущность основных процессов фотолитографии. Подготовка поверхности подложки перед напылением пленок предшествует операции нанесения фоторезиста и включает в себя ряд последовательных промывок. Их цель – удаление загрязнений, обезжиривание и обеспечение качества фоторезистивного покрытия и хорошей адгезии фоторезиста к подложке. Промывка подложек производится в жидких органических растворителях или в их парах. Для промывки используются следующие растворители: трихлорэтилен, толуол, четыреххлористый углерод, ацетон, этиловый спирт и др. В современных процессах подложка с напыленной пленкой сразу подвергается фотолитографии. Следующая операция – формирование фоторезистивного слоя – включает в себя нанесение слоя фоторезиста на поверхность подложки с пленкой и сушку этого слоя. Формирование фоторезистивного слоя является одной из основных операций процесса фотолитографии, так как разрешающая способность и кислотостойкость фоторезистивного покрытия зависят от его толщины и адгезии к подложке и, следовательно, от условий нанесения фоторезиста на по-

верхность подложки: центрифугирование, пульверизация (распыление жидкого фоторезиста сжатым газом), погружение (окунание) образца в раствор фоторезиста и полив подложки жидким фоторезистом. Широкое применение в настоящее время получил метод центрифугирования. При нанесении слоя фоторезиста этим методом подложку закрепляют в центре диска, который вращается с угловой скоростью (2–15)∙103 об/мин. и в процессе его вращения на подложку из пипетки наносят несколько капель фоторезиста. Процесс растекания фоторезиста на плоском вращающемся диске происходит под действием центробежных сил и сил сопротивления, обусловленных вязкостью фоторезиста. Изучение процесса растекания жидкости на вращающемся диске методом скоростной фотосъемки показало, что при центрифугировании раствор фоторезиста образует на подложке растекающийся поток, который может быть разбит на две области: тонкий пограничный слой, где силы вязкости уравновешиваются центробежными силами, и область «внешнего потока», где можно не учитывать влияние вязкости. При центрифугировании «внешний поток» сбрасывается с подложки центробежными силами, и на поверхности остается только пограничный слой, толщина которого

9

10

h = A3

η , ω

где А – коэффициент пропорциональности; η – вязкость фоторезиста; ω – угловая скорость вращения диска. Из этой формулы следует, что толщина слоя фоторезиста зависит от угловой скорости и от вязкости фоторезиста, но не зависит от радиуса подложки. Экспериментальные данные подтверждают это. Поэтому толщину слоя наносимого фоторезиста можно регулировать, меняя угловую скорость вращения подложки. Недостатками метода центрифугирования является неустранимое краевое утолщение слоя и наличие значительных внутренних напряжений в пленке, обусловленных действием центробежных сил. В связи с этим в последние в последние годы начинает находить

практическое применение метод пульверизации фоторезиста. Достоинством этого метода является отсутствие утолщений по краям пластины, минимум внутренних напряжений и дефектов в слое (отсутствие центробежных сил), высокая адгезия пленки фоторезиста на профилированные поверхности, высокая производительность и возможность автоматизации процесса. Метод погружения особенно удобен в случае формирования двусторонних фоторезистивных покрытий. Однако поперечное сечение покрытия, нанесенного погружением, имеет форму клина. Поскольку толщина покрытия пропорциональна скорости вытягивания подложки из раствора фоторезиста, то более медленное вытягивание дает более тонкое и, как правило, более однородное покрытие. Один из способов ослабления «эффекта клина» заключается в том, что подложку окунают в раствор фоторезиста дважды, и при этом перед вторым погружением подложку поворачивают на 180°. Этот способ очень прост в конструктивном оформлении и успешно применяется при производстве печатных плат. После нанесения фоторезиста его подвергают сушке, во время которой происходит испарение растворителя и пленкообразование. Для получения высококачественной пленки сушку фоторезиста осуществляют в два этапа. Сначала фоторезист в течение 10–15 минут подсушивают при комнатной температуре. При этом происходит постепенное удаление растворителя и ориентированная укладка макромолекул полимера. Последняя является обязательным условием адгезии слоя к подложке. Затем производится сушка при повышенных температурах (до 100°С) в течение 20–30 минут. Обычно время и температура сушки для определенного фоторезиста подбираются экспериментально. После формирования фоторезистивного слоя на поверхности подложки осуществляют формирование защитного рельефа, которое происходит в процессе экспонирования, проявления и термической обработки (задубливания) фоторезистивного слоя. Перед экспонированием рисунок фотошаблона должен быть точно совмещен с рабочим полем подложки. После совмещения фо-

тошаблон и подложка с фоторезистом приводятся в соприкосновение и производится операция экспонирования ультрафиолетовым излучением. Основным условием качественного экспонирования является оптимальная экспозиция. Обычно экспозицию подбирают опытным путем так, что получается наиболее качественное воспроизведение рисунка на защитном рельефе. После экспонирования производят проявление изображения. При этом растворимые части фоторезистивного слоя вымываются. Для негативного фоторезиста ими будут необлученные участки, а для позитивного – облученные. Проявляющие растворители подбираются в зависимости от природы фоторезиста. В результате такой обработки на поверхности подложки образуется защитный рельеф требуемой конфигурации. Защитный рельеф на поверхности подложки сначала подсушивается при комнатной температуре, а затем производится термообработка защитного рельефа при повышенных температурах (150– 200°). Процессы полимеризации, происходящие в нем в это время, повышают адгезию и кислотоустойчивость. Эта операция называется дублением. Увеличение температуры и времени углубляет процесс дубления, т.е. фоторезистивный слой приобретает лучшие защитные свойства. Однако это ведет к трудоемкой операции – последующему снятию слоя. Поэтому в зависимости от конкретных условий время и температуру дубления ограничивают величинами, достаточными для получения только оптимальной защиты. Типичный режим дубления составляет 20–30 мин. при 130–150°С и только для длительного травления в сильных реагентах режим дубления негативных фоторезистов повышают до 30–60 мин. при 200°С. После вышеописанного процесса получения «фоторезистивной маски» заданной конфигурации следует обработка участков подложки, которые не защищены слоем фоторезиста. Эта обработка заключается чаще всего в химическом травлении материала подложки либо в химическом, электрохимическом или физическом наращивании материала. При химическом травлении подложек, а также при хими-

11

12

ческом или электрохимическом осаждении на нее другого материала обратная сторона подложки покрывается кислотоупорным лаком. На заключительной стадии процесса фотолитографии, как правило, следует удаление использованного фоторезистивного рельефа с помощью растворителей: диоксана, диметилформалида, моноэтаноламина, дихлорэтана и др., обычно с применением механического воздействия. Фотошаблоны Фотошаблон – образец (шаблон), несущий информацию о взаиморасположении и геометрических размерах элементов изготавливаемой микроэлектронной схемы. Фотошаблон называется прямым, если его рисунок является позитивным отображением оригинала, и обратным, если его рисунок является негативным отображением оригинала. Фотошаблон может быть изготовлен из любого непрозрачного для ультрафиолетового излучения материала, в котором можно было бы реализовать (выполнить) прозрачные участки. Чаще всего в качестве фотошаблона применяют пластины из оптического стекла или кварца, на одной поверхности которых расположены непрозрачные (оптически плотные) участки, получаемые фотолитографическим или иным способом. Технология изготовления фотошаблонов является одним из наиболее сложных процессов в микроэлектронике. Это обусловлено рядом специфических особенностей фотошаблонов и предъявляемыми к ним требованиями. Основные требования к фотошаблонам следующие: 1. Высокая разрешающая способность, которая диктуется необходимостью получения минимальных размеров элементов рисунка – от единиц до десятых долей микрона. Поэтому разрешающая способность фотошаблона должна быть порядка 1000 линий/мм. 2. Достаточно большая площадь рабочего поля, необходимая для размещения на нем большого количества элементов изображения. Рабочее поле фотошаблона обычно имеет размеры примерно 13

50х50 мм2, что позволяет расположить на нем от десятков до десятков тысяч элементов. 3. Высокая контрастность, которая обеспечивается большой оптической плотностью непрозрачных участков и отсутствием вуали на прозрачных участках. 4. Высокая точность размеров элементов и расстояний между ними. Первое из этих требований связано с необходимостью обеспечения точных размеров активных и пассивных структур интегральных микросхем для уменьшения разброса их электрических параметров. Второе требование обусловлено необходимостью последовательного совмещения нескольких фотошаблонов, входящих в один комплект, предназначенный для многослойных структур в микросхемах. 5. Высокое качество оптически плотных участков. Фотошаблоны не должны иметь на непрозрачных участках царапины, проколы, пятна и т.д. Полное отсутствие дефектов, особенно в сложных и больших по площади фотошаблонах, получить очень трудно. Поэтому обычно принимают, что количество дефектных элементов рисунка не должно превышать 1%. 6. Плоскостность рабочей поверхности фотошаблона, которая должна быть не хуже 0,5 мкм на длине 25 мм, чтобы избежать зазоров между слоем фоторезиста и шаблоном при контактной печати. 7. Стабильность характеристик фотошаблонов и их износостойкость во времени. Частое прижатие фотошаблона к подложке, покрытой фоторезистом, при экспозиции контактным способом приводит к его стиранию. Обычно эмульсионные фотошаблоны не выдерживают более 20 операций контактной печати. В связи с этим широко применяются фотошаблоны, использующие в качестве оптически плотного слоя не фотоэмульсии, а более износостойкие металлические покрытия (например, хром). Металлизированные фотошаблоны выдерживают более 1000 операций контактной печати. При изготовлении непрозрачного слоя фотошаблона могут быть использованы следующие материалы: 1) серебряная эмульсия; 14

2) обработанный ионами резист; 3) диазидные полимеры; 4) оксид железа; 5) германий на стекле; 6) хром на стекле; 7) отожженный полиакрилонитрил; 8) оксид европия. Фоторезисты Фоторезисты являются светочувствительными сложными композициями (составами) органических веществ, состоящими из полимерной основы и различных добавок. В качестве полимерной основы используются: поливиниловый спирт, полиэфиры, полиамиды, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, поливинилацетат, каучуки и др. Добавки обеспечивают в первую очередь повышение светочувствительности полимеров, а также такие важные качества, как кислотостойкость, вязкость, смачивание и другие. Для определения пригодности фоторезистов в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем используют три основных критерия: светочувствительность, разрешающую способность и кислотостойкость. Светочувствительность фоторезиста – это величина, обратная количеству поглощенной световой энергии, необходимой для получения в данном слое фоторезиста определенного фотохимического эффекта, который состоит в потере (в негативном фоторезисте) или приобретении (в позитивном фоторезисте) растворимости облученных участков фоторезиста:

1 1 S= = , E ⋅t H

Физический смысл этого критерия состоит в том, что, чем меньше требуется экспозиция для изменения растворимости слоя на глубину h, тем более светочувствителен фоторезист. Большинство фоторезистов обладают светочувствительностью к ультрафиолетовой области спектра, лежащей в диапазоне от 300 до 500 нм. Поэтому они экспонируются (освещаются) ультрафиолетовыми лучами от таких искусственных источников, у которых максимумы спектра излучения близки к максимумам спектров поглощения фоторезистов. Под разрешающей способностью фоторезиста понимают максимально возможное число раздельно передаваемых одинаковых линий защитного рельефа на 1 мм поверхности подложки:

R=

1000 , 2l

где R – разрешающая способность, линий/мм; l – ширина раздельно передаваемой линии, мкм. Иногда разрешающую способность определяют наименьшей шириной линии или наименьшим расстоянием между ними в микронах. Следует различать разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии. Разрешающая способность процесса фотолитографии всегда ниже разрешающей способности фоторезиста. Это объясняется следующим (рис. 3). излучение 2

дифракция рассеяние отражение

1

3

где Е – интенсивность облучения слоя фоторезиста толщиной h, в котором произошел требуемый фотохимический эффект; t – время выдержки; H – экспозиция.

Рис. 3. Оптические процессы в слое фоторезиста

15

16

При экспонировании (освещении) имеет место паразитное облучение слоя 1 фоторезиста за счет дифракции света на краю непрозрачного элемента 2 (участка) фотошаблона, диффузного рассеяния в слое 1 и частичного отражения от подложки 3. В результате этого происходит засвечивание незначительной части слоя, лежащей под непрозрачным элементом около границы прозрачный–непрозрачный элементы. В случае негативного фоторезиста участок, расположенный непосредственно под непрозрачным элементом 2 фотошаблона, засвеченный паразитным облучением незначительной интенсивности, легко удаляется при проявлении. После проявления остается лишь участок, непосредственно прилегающий к подложке, удерживаемый силами адгезии. Таким образом, на границе защитного рельефа образуется «ореол» (рис. 4), который снижает разрешающую способность процесса фотолитографии при использовании негативного фоторезиста. При тех же условиях экспонирования при использовании позитивного фоторезиста «ореол» практически не возникает. Поэтому в этом случае разрешающая способность процесса фотолитографии будет выше. Кроме того, разрешающая способность самих позитивных фоторезистов выше, чем негативных. 1

Толстые слои фоторезиста хуже удерживаются на подложке по сравнению с тонкими, что увеличивает боковое подтравливание. Поэтому с увеличением толщины фоторезистивного покрытия падает разрешающая способность процесса фотолитографии. Обычно используют слой фоторезиста толщиной 0,3÷1 мкм. фоторезист

x h

подложка

Рис. 5. Возникновение бокового подтравливания материала подложки Разрешающая способность фоторезистов находится в интервале 50÷500 линий/мм, а процесса фотолитографии в 1,5÷2 раза ниже.

Разрешающая способность процесса фотолитографии также снижается из-за бокового подтравливания (на некоторую величину х) под слоем фоторезиста на границах защитного рельефа при травлении материала подложки (рис. 5). Очевидно, чем выше толщина слоя негативного фоторезиста, тем больше «ореол» при проявлении.

Кислотостойкость. Фоторезисты должны обладать высокой устойчивостью к воздействию кислот и щелочей, так как в процессе травления защитный рельеф значительное время (до нескольких минут) контактирует с кислотами и щелочами. Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зависит как от химического состава его полимерной основы, так и от толщины и состояния фоторезистивного покрытия. Нестойкость фоторезиста определяют по следующим признакам: 1) частичное разрушение пленки; 2) отслаивание пленки от подложки; 3) локальное растравливание; 4) боковое подтравливание на границах защитного рельефа. Первые два вида нарушения пленки фоторезиста при химической обработке свидетельствуют о полной его непригодности для изготовления микросхем и могут служить критериями забраковывания всей партии приготовленного фоторезиста. Два других вида нестойкости слоя фоторезиста (ло-

17

18

ореол

3

Рис. 4. Возникновение ореола при использовании негативного фоторезиста

кальное растравливание и боковое подтравливание) допустимы в определенных пределах. Локальное растравливание обусловлено появлением различного рода дефектов в слое фоторезиста: сквозные поры (проколы), пыль, пустоты и др. В результате появления таких дефектов пленка фоторезиста локально пропускает травители на защитных участках рельефа. Причиной появления дефектов в слое может быть возникновение механических напряжений и проколов в процессах нанесения слоя, сушки, экспонирования и проявления, причем, чем тоньше слой, тем вероятнее возникновение подобных дефектов. Степень локального растравливания и пористости слоя фоторезиста выявляют микроскопическим анализом поверхности пластины после процесса травления. При этом дефектность определяется числом дефектов на единицу площади. Такой параметр, как кислотопроницаемость, численно равен площади, приходящейся на один дефект. Величина бокового подтравливания х зависит не только от глубины травления h, но и от адгезии слоя фоторезиста к подложке. Поэтому кислотостойкость фоторезистов часто оценивают фактором травления

K тр =

h . x

Очевидно, что, чем лучше адгезия фоторезистивного слоя к подложке, тем меньше х и h и, следовательно, выше кислотостойкость. Адгезия фоторезиста зависит от его физико-химических свойств и условий проведения операций процесса фотолитографии (нанесение, сушка, экспонирование, термообработка и т.д.). Выбор фоторезистов определяется вышерассмотренными критериями, окончательный же выбор фоторезиста определяют применяемые травители, материал подложки, подлежащий травлению, а также требования, предъявляемые к изделию. При этом следует учитывать, что позитивные фоторезисты обладают высокой разрешающей способностью и позволяют получать четкие границы защитного рельефа. Негативные фоторезисты предпочтительно используются в процессах, связанных с глубоким травлением металлов. 19

Примером позитивного фоторезиста является фоторезист ФП-383, который представляет собой раствор светочувствительных продуктов новолачной смолы в диоксане. Внешний вид ФП-383 – вязкая прозрачная жидкость оранжевого цвета. Разрешающая способность – 400 линий/мм. Кислотопроницаемость пленки фоторезиста толщиной 1 мкм характеризуется плотностью дефектов в пленке и равна 0,6 мм2. ФП-383 применяют при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Примером негативного фоторезиста является фоторезист ФН-11, который представляет собой раствор циклокаучука, фотосшивающего агента в смеси ксилола с толуолом. Его внешний вид – прозрачная жидкость светло-коричневого цвета. Разрешающая способность фоторезиста при толщине пленки 2,5 мкм равна 100 линий/мм. ФН-11 применяют в процессах фотолитографии металлов: меди, стали, хрома, анодированного алюминия и др. Метод сухого травления В данной работе применяется метод радикального газового травления, основанный на гетерогенных химических реакциях с использованием стабильных кластеров типа (HCl·n(H2O))m. Для упрощения операции травления используются кластеры (HCl·6H2O)m с заданным соотношением HCl и H2O, полученные путем напуска в вакуумированную камеру паров азеотропного раствора соляной кислоты. Как видно из рис. 6, скорость травления существенно зависит от температуры в камере, что дает возможность тонкой регулировки процесса травления.

20

Рис. 6. Зависимость скорости травления YBaCuO пленки от температуры при давлении пара, близком к насыщенному Травление тонкой YBa2Cu3O7-x пленки происходит по реакции: (HCl·kH2O)m + YBa2Cu3O6,5+x ⇒ x YCl3 + 2BaCl2 + 3CuCl2 + 78H2O + 6,5H2O + O2, 2 где k = 6, m = 13. Продукты травления легко растворяются полярными растворителями в процессе снятия фоторезиста.

21

Дефекты при проведении процесса фотолитографии Основными дефектами при проведении процессов фотолитографии являются: а) наличие проколов в пленке фоторезиста; б) неровности пленки фоторезиста по всей поверхности ВТСП пленки; в) наличие клина в окисной пленке; г) неровность края изображения пленки фоторезиста; д) изменение заданных геометрических размеров; е) наличие ореола по краю изображения. Наличие проколов в пленке фоторезиста – наиболее распостраненный вид фотолитографических дефектов. Возникают эти дефекты в результате использования некачественных или износившихся фотошаблонов, а также от наличия в фоторезисте пылинок, субполимерных частиц и других посторонних включений. Проколы в пленке фоторезиста могут также возникнуть в результате перегрева этой пленки при экспонировании. Количество проколов в значительной степени зависит от качества смачивания поверхности рабочего образца фоторезистом. Плохое смачивание приводит к появлению большого числа проколов. Неровности пленки фоторезиста по всей поверхности рабочего образца определяются как способом нанесения фоторезистивной пленки, так и предварительной обработкой поверхности рабочего образца. Основными параметрами предварительной обработки, влияющими на неровность пленки фоторезиста, является чистота обработки поверхности (класс чистоты), плоскостность и плоскопараллельность. Однако даже при получении высоких показателей по предварительной обработке поверхности рабочего образца слой фоторезиста может быть неравномерным. Это может быть обусловлено чрезмерной густотой фоторезиста, низкой скоростью вращения центрифуги, отклонением плоскости столика центрифуги от горизонтальной плоскости. Неровности в пленке фоторезиста приводят к трудностям контактирования с фотошаблоном, выбора времени экс22

позиции и, как следствие этого, к дефектам в последующих технологических операциях. Наличие клина в окисной пленке – один из часто встречающихся в фотолитографическом процессе дефектов. Этот вид дефекта оказывает существенное влияние на размер создаваемой диффузионной области. Без клина в окисной пленке распространение диффузанта вбок строго определяется режимом диффузии и однозначно связано с глубиной диффузии. При наличии клина дополнительно увеличиваются размеры диффузионной области за счет проникновения диффундирующей примеси через тонкую область клина в исходный материал рабочего образца. Это происходит потому, что толщина окисла в области клина является недостаточной для защиты рабочего образца от диффундирующей примеси. Поэтому, чем больше клин, тем шире его тонкая область и, следовательно, больше дополнительное неконтролируемое увеличение диффузионной области. Причинами, вызывающими появление клина в фотолитографическом процессе, могут быть неправильно подобранная экспозиция фоторезиста, наличие плохого контакта между пластиной и фотошаблоном при экспонировании, недостаточная оптическая плотность непрозрачных участков фотошаблона, неперпендикулярное падение света на фотошаблон, а также некачественное проявление фоторезиста после экспонирования. Неровность края изображения пленки фоторезиста появляется в тех случаях, когда плохо подобраны режимы экспозиции и проявления. Мельчайшие неровности края в виде периодических выступов и впадин могут возникнуть из-за наличия в фоторезистах субполимерных частиц размером 0,3 – 0,5 мкм. Появление таких частиц связано с неполной растворимостью сухого резиста в используемых составах. Более крупные и нерегулярные выступы и впадины обычно появляются при использовании некачественных фотошаблонов. Наиболее часто этот вид дефекта возникает при употреблении металлизированных шаблонов, имеющих зубчатые края элементов изображения. Для предупреждения этого вида дефекта необходимо

тщательно фильтровать фоторезист и проверять качество используемого фотошаблона. Изменение заданных геометрических размеров изображения имеет место при плохом контакте между рабочим образцом и фотошаблоном. Плохой контакт между этими элементами приводит к появлению воздушного зазора, который при экспонировании изменяет характер и размер переносимого с фотошаблона изображения. Чем больше зазор между контактируемыми элементами, тем сильнее искажается первоначальный рисунок изображения. Кроме того, на изменение геометрических размеров изображения могут оказывать существенное влияние неправильно подобранные режимы экспонирования и проявления. Наличие ореола по краю изображения связано с рассеянием света, проходящего через фотошаблон при экспонировании. Рассеяние света приводит к образованию по краю изображения «нерезкой зоны», которая после проявления дает ореол. Этот вид дефекта приводит к ухудшению геометрических параметров изображения и последующих технологических операций. Все перечисленные дефекты оказывают большое влияние на последующие технологические операции изготовления приборов, ухудшая их электрические параметры.

23

24

Ход проведения работы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Очистить подложку с предварительно напыленной ВТСП пленкой от загрязнений. Поместить подложку в центрифугу и жестко зафиксировать ее положение. С помощью пипетки нанести фоторезист на поверхность подложки. Включить центрифугу, выставив нужную частоту оборотов и по прошествии 30 сек. выключить. После нанесения пленки фоторезиста последняя подвергается сушке в шкафу при 45–50 °С от 1–1,5 ч. Совместить подложку с фотошаблоном (маской) под микроскопом. Экспонировать от 20 до 40 сек. Проявить изображение, промыв образец в растворе KOH (от 0,5 до 1 %). Тщательно промыть в дистиллированной воде, визуально наблюдая процесс проявления рисунка. Произвести дубление полученного защитного рельефа в течение 1,5 часов в сушильной печи при 50 °С. Выполнить операцию химического травления в парах раствора соляной кислоты, наблюдая процесс травления визуально. Удалить защитный рельеф с поверхности ВТСП пленки, промыв в чистом этиловом спирте при комнатной температуре. Исследовать полученную сквид-геометрию с помощью микроскопа. Проанализировать, на каком этапе фотолитографического процесса были допущены ошибки и неточности. Повторить процесс, внеся необходимые коррективы.

25

Контрольные вопросы 1. Сущность и назначение процесса фотолитографии. 2. Основные типы фотолитографических устройств. Их достоинства и недостатки. 3. Фоторезист. Виды фоторезистов. Основные критерии пригодности. 4. Фотошаблон. Требования, предъявляемые к фотошаблонам. 5. В чем заключается метод сухого травления? 6. Каким образом можно тонко регулировать скорость травления? 7. Какие дефекты характерны при проведении фотолитографического процесса? Литература 1. Березин Г.Н., Никитин А.В., Сурис Р.А. Оптические основы контактной фотолитографии. М.: Радио и связь, 1982. 104 с. 2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии / Под ред. А.В. Шальнова. М.: Мир, 1985. 496 с. 3. Муравьев А.Б., Скутин А.А., Югай К.К., Югай К.Н., Сычев С.А., Серопян Г.М. Травление высокотемпературных сверхпроводящих пленок YBCO // Вестник Омск. ун-та. 1997. № 2. С. 26–28.

26

Учебно-практическое издание

Составители С.А. Сычев, Г.М. Серопян, И.С. Позыгун, В.В. Семочкин

ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД СОЗДАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ВТСП СТРУКТУР Лабораторный практикум (для студентов физического факультета) специальность 010400 «Физика»

Технический редактор М.В. Быкова Редактор Л.Ф. Платоненко

Подписано в печать 21.05.04. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 1,7. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ 314. Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

27

28