1.3. Основные характеристики светочувствительных материалов

Светочувствительность – величина, обратно пропорциональная экспозиции, и вызывающая в материале нужный эффект, например, потерю или приобретение растворимости

. (2.6)

Светочувствительность любого фоторезиста носит спектрально избирательный характер. Знание спектральной чувствительности ФР позволяет целенаправленно и обоснованно выбирать источники излучения и подбирать условия неактиничного освещения помещений.

В прямой зависимости от светочувствительности фоторезиста находится и качество формируемого в его слое защитного рельефа.

Для позитивных ФР – полнота удаления с поверхности подложки локальных участков слоя фоторезиста при последующем проявлении.

Для негативных – образование локальных полимеризованных участков.

Фоторезисты также характеризуются пороговой светочувствительностью , определяемой началом фотохимической реакции

, (2.7)

где – начальная экспозиция.

Светочувствительность и пороговая светочувствительность фоторезиста зависят также от толщины слоя, концентрации и состава проявителя. Поэтому, говоря об их величинах, всегда необходимо учитывать конкретные условия процесса фотолитографии.

Разрешающая способность – свойство светочувствительного слоя передавать мелкие детали изображения. Она равна максимальному числу линий одинаковой толщины, формируемому в слое с линейным размером 1 мм

, (2.8)

где – минимальная ширина воспроизводимой линии или расстояния между ними, мм.

Разрешающая способность ФР, как правило, перекрывает разрешающую способность фотолитографии, которая зависит от плоскопараллельности подложки и слоя фоторезиста, дифракционных явлений в системе экспонирования, эффектов отражения, интенсивности излучения, равномерности освещения и других факторов.

Кислотостойкость и щелочестойкость – важные характеристики ФР, которые должны обладать высокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, так как при переносе изображения с фоторезистивной маски на подложку защитный рельеф значительное время контактирует с ними. Эти свойства определяются химическим составом и структурой полимера, являющегося основным их компонентом. При оценке этих характеристик имеет значение не только величина бокового подтравливания, но и качество фоторезиста с точки зрения локальных дефектов.

Стойкость фоторезистов к химическим воздействиям оценивают фактором травления

, (2.9)

где – глубина травления; – боковое подтравливание.

К прочим характеристикам светочувствительных материалов, важных для технологии РЭС относятся: срок службы, стабильность во времени, минимум загрязнений изделий продуктами фотохимических реакций, стоимость, токсичность, технологичность.

1.4. Оптические явления в системе фотошаблон – фоторезист – подложка

Формирование скрытого изображения в слое фоторезиста при экспонировании и последующем проявлении зависит от оптических эффектов в системе, таких как дифракция, отражение, интерференция. Эти эффекты определяют предельную возможность контактной фотолитографии по разрешающей способности.

Свет, обладая волновой природой, претерпевает дифракционное перераспределение на освещаемом объекте. Разрешающая способность оптических систем при создании фотошаблонов зависит от разрешающей способности объектива и от его числовой апертуры¹

, (2.10)

где – диаметр эффективного отверстия объектива (зрачка); – фокусное расстояние объектива; – радиус дифракционного пятна изображения (рис. 2.1).

Числовая апертура объектива, характеризует его способность передавать световой поток и определяет разрешающую способность и резкость изображения.

Рис. 2.1. Распределение освещенности в дифракционном пятне изображения

Очевидно, что чем меньше r, тем выше разрешающая способность. Если рассматривать две очень близко расположенные точки изображения (точки А и Б на рис. 2.2), то можно увидеть наложение двух дифракционных картин (рис. 2.2). Как видно из рис. 2.2, чем ближе расположены эти точки, тем менее вероятно получение их раздельного изображения.

Рис. 2.2. Условное расположение двух дифракционных пятен

Одной из важнейших характеристик оптической системы является глубина резкости изображения Г.

Глубина резкости Г – это расстояние вдоль оптической оси между точками в пространстве, выход за пределы которых не гарантирует заданной резкости изображения.

Дифракционные явления, возникающие в системе фотошаблон – фоторезист – подложка, являются одним из факторов, ограничивающих разрешающую способность, и приводят к перераспределению интенсивности актиничного излучения на поверхности фоторезиста, после прохождения через фотошаблон. При этом следует учитывать, что между фотошаблоном и подложкой при контактной фотолитографии всегда имеется некоторый зазор , обусловленный их взаимной неплоскостностью (рис.2.3).

В этом случае минимальная ширина воспроизводимой линии или расстояния между линиями определяется по выражению

. (2.11)

Рис. 2.3. Схема переноса изображения при контактной фотолитографии и перераспределение интенсивности актиничного излучения на поверхности фоторезиста; 1, 2 – зоны идеальной и фактической (с учетом дифракции) передачи изображения

В теории дифракции выделены три случая перераспределения актиничного излучения. Основным критерием является волновой параметр :

, (2.12)

где – размер элемента на фотошаблоне.

Рассмотрим наиболее типичные случаи (рис. 2.4).

В том случае, если размеры элементов топологического рисунка достаточно велики, а зазор мал (рис. 2.4, а), то . При этом дифракционное перераспределение занимает малую пограничную область и искажения изображения элементов минимальны.

При (рис. 2.4,б) дифракционная картина занимает всю рабочую область и искажения формы элементов достигают максимальных значений.

Случай реализуется при малых размерах элементов или большом зазоре (рис. 2.4,в).

а б в

Рис. 2.4. Дифракционное перераспределение интенсивности актиничного излучения в зависимости от значения волнового параметра: а – Р ≤ 1; б – Р ≈ 1; в – Р ≥ 1

Ограничение разрешающей способности контактной фотолитографии, кроме того, обусловлено расходимостью пучка при экспонировании и многократными его отражениями от поверхностей фотошаблона и слоя фоторезиста.

При экспонировании фоторезиста в его слое может возникать стоячая волна, обусловленная взаимодействием (интерференцией) падающей волны и отраженной от границы раздела фоторезист – подложка. Их взаимодействие приводит к перераспределению интенсивности излучения в слое фоторезиста и вызывает послойное усиление и ослабление экспозиции, снижая качество формируемого защитного рельефа (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Эффект действия стоячих волн на края элементов в пленке фоторезиста

Это выражается либо удалением частей негативного фоторезиста с поверхности подложки из-за недостаточной экспозиции какого-либо слоя, находящегося недалеко от поверхности подложки, либо появлением бугров и неровностей в пленке позитивных фоторезиста.