Учебно-методические материалы для лабораторных занятий по курсу «Технология изготовления современных ис, мэмс и нэмс»

Данная учебно-методическая разработка для лабораторного практикума дает возможность слушателям, изучающим курс «Технология изготовления современных ИС, МЭМС и НЭМС» параллельно с лекционными и практическими занятиями изучить теоретический материал и подготовиться к выполнению лабораторных работ, в ходе выполнения которых, слушатели знакомятся с принципиальным устройством установок; приобретают практические навыки работы на них; проводят эксперименты; обрабатывают и анализируют полученные результаты и делают выводы по лабораторным работам.

Основные решаемые задачи:

1. Закрепление теоретического материала через проведение устного опроса и выполнение лабораторных работ.

2. Связь теории с актуальными проблемами изучаемой дисциплины.:

3. Слушатель допускается к выполнению следующего этапа работы только после успешной сдачи предыдущего этапа.

4. Постановка острых проблем стимулирует дискуссии между слушателями.

5. Дополнительная полезная информация.

Очевидно, что максимальная эффективность от работы на лабораторных занятиях достигается при предварительной подготовке к ним.

Лабораторные работы проводятся под руководством преподавателя. Чтобы хорошо подготовиться к лабораторной работе, слушателю необходимо:

−   уяснить вопросы и задания, рекомендуемые для подготовки к лабораторному занятию;

−   прочитать конспект лекций и соответствующие главы учебника (учебного пособия), дополнить запись лекций выписками из него;

−       сформулировать и записать развернутые ответы на вопросы для подготовки к лабораторному занятию;

Важной формой обучения, а также этапом подготовки к лабораторным занятиям является самопроверка знаний. В ходе самопроверки слушатель должен ответить на вопросы, рекомендованные для подготовки к лабораторному занятию, а также составить план-конспект развернутых ответов. Это поможет глубже усвоить пройденный материал и прочно закрепить его в памяти. Вопросы, указанные в плане практического занятия, являются наиболее существенными. Если при самопроверке окажется, что ответы на некоторые вопросы неясны, то надо вновь обратиться к первоисточникам, учебнику (учебному пособию) и восполнить пробел.

На лабораторном занятии слушателям очень важно внимательно слушать выступающих товарищей, записывать новые мысли и факты, замечать неточности или неясные положения в выступлениях, активно стремиться к развертыванию дискуссии, к обмену мнениями.

Одной из форм обучения, подготовки к лабораторному занятию является консультация у преподавателя. Обращаться к помощи преподавателя следует при подготовке отчета по лабораторным работам, а также в любом случае, когда студенту не ясно изложение какого-либо вопроса в учебной литературе или он не может найти необходимую литературу.

Содержание

Лабораторная работа 1. «Изучение процесса контактной фотолитографии» Лабораторная работа 2. «Термическое окисление кремния» Лабораторная работа 3. «Изучение процесса термической диффузии примесей в кремний» Лабораторная работа 4. «Изучение процесса плазмохимического травления» Лабораторная работа 5 «Процесс анодного сращивания» Лабораторная работа 6 «Изучение конструкции и топологии гибридных интегральных микросхем»	стр.5 стр. 28 стр.53 стр.71 стр.8 стр.104

Лабораторная работа № 1 «Изучение процесса контактной фотолитографии»

Цель работы:

1) ознакомиться с процессом фотолитографии; 2) исследовать режимы отдельных операций.

Теоретические сведения

Литография - это процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины с помощью чувствительных к излучению покрытий. По типу излучения литографию подразделяют на оптическую фотолитографию (  = 200 - 450 нм), рентгеновскую ( = 0,4 - 1,5 нм), ионно-лучевую (  = 0,05-1 нм) и электронную (  0,01 нм). Операции фотолитографии многократно повторяются в процессе изготовления пленарных приборов. На каждом этапе фотолитографии изображения точно совмещают о полученными ранее.

Технологический цикл фотолитографии составляют следующие операции:

1. Обработка подложки - очистка от загрязнений с целью увеличения адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

2. Нанесение светочувствительного слоя - фоторезиста;

3. Сушка фоторезиста;

4. Совмещение имеющегося на подложке рисунка с рисунком на фотошаблоне и экспонирование;

5. Проявление фотослоя и образование рельефа из фоторезиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

6. Задубливание оставшегося фоторезиста;

7. Травление подложки в местах, не защищенных слоем фоторезиста;

8. Удаление рельефа из резиста с поверхности подложки.

Фоторезисты. Фоторезисты - сложные полимерно-мономерные системы, обладающие, с одной стороны, светочувствительностью, а с другой - резистивными (защитными) свойствами, позволяющими выдерживать обработки в кислотах, щелочах и других агрессивных средах. Практически любой фоторезист содержит три основных компонента: светочувствительный, пленкообразующий и растворитель.

Основное назначение фоторезистов заключается в создании защитного рельефа требуемой конфигурации.

Фоторезисты, у которых растворимость экспонированного участка уменьшается, называют негативными, а у которых возрастает -позитивными.

а) б)

Рис.1. Образование рельефа при использовании негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов.

Физико-химические процессы при УФ- облучении фоторезистов.

Фотохимические реакции, лежащие в основе образования рельефного изображения, делятся на три группы:

1. собственно фотополимеризация и образование нерастворимых участков. Наиболее типичными представителями системы, в которой используется этот процесс, являются негативные фоторезисты - эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта;

2. сшивка 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;

3. фотолиз светочувствительных соединений с образованием в итоге растворимых веществ. Примером служит большинство позитивных фоторезистов, в которых фотолиз нафтохинондиазидов приводит к тому, что облученные участки становятся растворимыми в щелочных растворах.

Как правило, собственная фоточувствительность полимеров в видимой коротковолновой и ближней ультрафиолетовой областях спектра невелика. Это объясняется значительной энергией связей в полимерных молекулах, так, энергия связи С-С соответствует длине волны актиничного ("полезного") света 200 - 250 нм, связи С-0 - диапазону .270 - 360 нм. Фото- или светочувствительность полимеров в требуемом диапазоне длин волн может быть повышена или же полоса поглощения полимера может быть сдвинута в сторону более длинных волн за счет добавки сенсибилизаторов (фотоинициаторов) или стабилизаторов. Возбуждение под действием света, полученное сенсибилизатором, передается полимерной молекуле, инициируя фото-сенсибилизированную химическую реакцию.

Негативные фоторезисты на основе поливинилциннамата (ПВЦ) (эфира коричной (циннамоильной) кислоты и поливинилового спирта) имеют общую формулу R₁ -О-R₂ , где R₁ - светочувствительная циннамоильная группа; R₂ - молекула поливинилового спирта.

Цепочка поливинилциннамата насчитывает тысячи атомов и скручена в длинную спираль, от углеродной основы которой отходят циннамоильные группы. При поглощении фотона, обладающих достаточной энергией, рвется двойная связь С-С в циннамоильной группе. Возникающие при разрыве свободные связи приводят к образованию мостиков, сшивающих молекулу полимера в нерастворимую трехмерную сетку.

В поливинилциннамате роль сенсибилизатора выполняет коричная кислота.

Наряду с ПВЦ в качестве негативного фоторезиста используют циклокаучук с разными добавками.

В позитивных фоторезистах в качестве светочувствительной составляющей используют диазосоединения. Наибольшее применение нашел нафтохинондиазид (НХД) (рис. 2,а), выбор которого определяет класс используемого полимера и способ проявления изображения. Под действием света рвется связь C=N (рис. 2,6), происходят отщепление азота, шестичленное бензольное кольцо перестраивается в пятичленное и образуется инденкарбен (рис. 2,в), который, взаимодействуя с имеющимися в слое фоторезиста молекулами воды, дает инденкарбоновую кислоту (рис. 2,г). Растворимые соли инденкарбоновой кислоты получаются только при обработке в. щелочных проявителях.

Рис.2. Схема реакции в молекуле НХД при поглощении актиничного излучения: а)- исходная молекула; б)-отщепление азота; в)- образование инденкарбена; г)-превращение инденкарбена в инденкарбоновую кислоту.

Молекула НХД, не подвергнутая облучении, химически достаточно устойчива и препятствует взаимодействию с резистом водных растворов - щелочных и кислотных. Защитные молекулы НХД распределены по всему объему слоя фоторезиста, но роль их особенно велика на поверхности, где они не дают проявителю разрушать неэкспонированные участки. После ухода из слоя резиста молекул азота и образования инденкарбоновой кислоты эти свойства теряются, экспонированные участки легко смачиваются и вымываются.

Как правило, в фоторезисте кроме светочувствительной составляющей имеется и полимерная пленкообразующая составляющая, которая должна растворяться в тех же проявителях, что и облученный НХД. Из растворимых в щелочах полимерах по кислотостойкости и способности к образованию пленок пригодны фонолоформальдегидные смолы - новолачные и резольные.

Важным компонентом резистов являются растворители, от которых зависят стабильность готовых резистов, характеристики нанесения и качество слоя, процессы высыхания и т.д. Основной критерий выбора растворителя - предельная концентрация полимера, достигаемая в растворе при данной температуре. Обычно стремятся применять растворители с различными скоростями испарения, чтобы слой резиста высыхал медленно и равномерно, так как быстрое испарение может привести к появлению пор и напряжений в пленке резиста .