11.3.2. Оптическая литография.

Оптическая литография является способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью пучков света.

Оптическая литография была первым методом создания интеграль-ных схем. В настоящее время она сохранила свои позиции основного высокопроизводительного метода создания сверхбольших интегрльных схем. Это произошло прежде всего потому, что на протяжении десятилетий совершенствовались источники актиничного оптического излучения, удалось обеспечить точность совмещения, необходимые минимальные оптические зазоры, разработать новые перспективные материалы резистивных масок, обеспечить необходимую чистоту материалов от микровключений, а также ряд других ноу-хау.

Основными методами оптического экспонирования является контакт-ный, бесконтактный и проекционный.

Контактная печать. При контактной печати (рис. 11.3.2,А) пластина полупроводника покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте, со стеклянным фотошаблоном. Пластина установлена на вакуумном: держателе, который поднимают до тех пор, пока пластина и шаблон не придут в соприкосновение. Прикладываемое при этом усилие составляет несколько килограмм. Пластину подводят на расстояние в десятки микрометров к поверхности фотошаблона (в зависимости от характеристик установки). Шаблон и пластину совмещают перемещением и вращением вакуумного держателя, до совпадете топологических рисунков шаблона и вытравленного ранее на пластине. Затем пластина приводится в соприкосновение с фотошаблоном. При экспонировании микроскоп автоматически отводится и коллимированный луч ультрафиолетового (УФ) облучения освещает весь шаблон в течении определенного времени экспонирования. Интенсивность зкспонирования поверхности пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемого резистом. В следствии тесного контакта разрешение довольно высокое в позитивном фоторезисте толщиной 0.5 мкм можно воспроизвести элементы схемы размером 1мкм.

Метод бесконтактного экспонирования (см. рис.11.3.2,В) схож с мето-дом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10 –25 мкм, что уменьшает (но не устраняет) возможность повреждения поверх-ности шаблона.

При отсутствии физического контакта между шаблоном и пластиной перенос изображения осуществляется в дифракционной области Френеля, разрешение в которой пропорционально квадратному корню из произведения lg, где l - длина волны экспонирующего излучения, g - ширина зазора между шаблоном и пластиной. При бесконтактной печати величина разрешения составляет 2 – 4 мкм.

Третий метод экспонирования – проекционная печать  (рис. 11.3.2,С) позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.

Д ля достижения высокого разрешения отображается только неболь-шая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С по-мощью этого метода достигается разрешение порядка 1,5 мкм ширины линий и расстояния между ними.

Проекционные устройства печати, в которых изображение на шаблоне перемещается над поверхностью пластины, называют системами с непосред-ственным перемещением по пластине или фотоштампами. При использова-нии этих устройств печати шаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров, которые уве-личены до десяти раз. Изображение этой топологии или структуры уменьша-ется и проецируется на поверхность пластины. После экспонирования одного элемента кристалла пластина сдвигается или перемещается на столике с интерферометрическим управлением по осям XY к следующему элементу одного кристалла, и процесс повторяется. С помощью уменьшающих проекционных фотоштампов можно получить разрешение ~ 1 мкм.

В большинстве современных проекционных систем печати оптичес-кие элементы являются настолько совершенными, что их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не абер-рацией линз. Эти устройства печати называют системами с дифракционным ограничением.

Разрешение проекционных устройств печати с дифракционным огра-ничением может быть приближенно оценено величиной 0,5(l/N_A), где N_A – числовая апертура проекционной оптики, а l - длина волны экспонирующего излучения. Высокое разрешение (большая величина числовой апертуры) достигается при уменьшении фокусного расстояния. Например, проекцион-ная система с N_A = 0,17 и длиной волны 400 нм будет иметь предельное значение разрешения ~ 1,2 мкм и фокусное расстояние ~ 7 мкм.

В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют циклополиизопреновый полимер, смешанный с фоточувствительным соединением. Сенсибилизатор, или фотоинициатор активируется при поглощении энергии в диапазоне длин волн 200-450 нм. Активированный сенсибилизатор передает энергию молекулам полимера, что способствует образованию поперечных связей между цепочками полимера.

Увеличение молекулярного веса полимера приводит к нераствори-мости резиста в проявителе. Многочисленные реакции, снижающие раство-римость резиста, происходят при каждом поглощении сенсибилизатором фотона. Кислород препятствует протеканию реакций полимеризации, поэто-му экспозицию поверхности негативного резиста часто проводят в атмосфере азота.

При проявлении пленка негативного резиста разбухает, а его неэкспо-нированные области с низким молекулярным весом растворяется в прояви-теле. Этот эффект разбухания пленки уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Как правило, минимальный разрешаемый размер эле-мента в три раза больше толщины пленки негативного резиста.

Позитивные резисты также состоят из основного полимерного мате-риала и фотосенсибилизатора, но абсолютно по-другому реагируют на воз-действие экспонирующего облучения. Сенсибилизатор нерастворим в вод-ном растворе проявителя и, следовательно, предотвращает растворение основного полимерного материала.

В области экспонирования сенсибилизатор поглощает энергию облу-чения и становится растворимым в водной среде. Различие в растворимости экспонированных и неэкспонированных участков резиста приводит к прояв-лению изображения в позитивном резисте. В отличие от негативного резиста проявитель не пропитывает всю пленку, и она не набухает. В результате это-го разрешающая способность позитивных резистов выше, чем негативных.

Сравнение резистов. Негативные резисты, обладая меньшей разреша-ющей способностью по сравнению с позитивным, имеют более высокую чувствительность (рис. 11.3.3) и их использование позволяет экспонировать большее количество пластин в час. Позитивные резисты, хотя и обладают более высокой разрешающей способностью, проявляются значительно мед-леннее, что приводит к уменьшению производительности и увеличению стоимости ИС. Следовательно, при определении типа используемого резиста необходимо делать выбор между разрешением и производительностью.

В современной оптической литографии используется глубокое ультрафиолетовое излучение (λ = 0,2 ÷ 0,3 мкм), источником которого служат эксимерные лазеры или ртутно-ксеноновые лампы.

С тандартные ртутно-ксеноновые дуговые лампы высокого давления излучают из малого объема светящегося тела и имеют мощность излучения до 2000 Вт. Большая часть излучения приходится на тепловую составляю-щую. Для фотолитографии используется одна из полос линейчатого спектра лампы: g-линия (435,83 нм), h-линия (104,65 нм) или i-линия (365,48 нм). В каждой из них находится около двух процентов общей мощности энергии дуговой лампы.

В основе работы эксимерных газовых лазеров лежат электронные реходы эксимерных молекул. Эти молекулы состоят из двух атомов инертного газа и галогена, которые могут существовать только в возбуж-денном состоянии. Наиболее широкое использование получили эксимерные молекулы KrF* — 248 нм, ArF* — 193 нм и F* — 157 нм. Лазеры на этих молекулах дают импульсы длительностью 5 ÷20 нс с частотой повторения 4 кГц и мощностью до 50 Вт.

В качестве фоторезистов используют материалы, чувствительные к глубокому УФ-излучению. Фоторезисторы для ультрафиолета имеют чувст-вительность порядка 100 мДж/см² и поэтому плотность излучения в процессе экспонирования должна составлять порядка 200 мВт/см². Лазеры вполне обеспечивают такую мощность излучения.

Операции оптической литографии проводятся на современном обору-довании, каким является установка проекционного переноса изображения с одновременным совмещением. Такая установка получила название степпер (stepper). В основе ее работы лежат последовательные операции переноса топологии с шаблона на пластину кремния в акте единичного экспони-рования шаблона через проекционный объектив. При этом происходит уменьшение масштаба, и строго контролируются процессы совмещения меток на пластине и соответствующих меток на шаблоне. Экспонирование осуществляется по команде микропроцессора после шагового перемещения координатного стола с учетом коррекции координатных ошибок. Общий вид степпера представлен на рис. 11.3.4.

Для формирования топологии на пластине помимо степперов исполь-зуются сканеры. Они обеспечивают перенос изображения в режиме сканиро-вания после пошагового перемещения пластины. Такой перенос осуществ-ляется засветкой через щелевую апертурную диафрагму при одновременном синхронизированном движении шаблона и пластины относительно проекци-онной системы. Скорость перемещения пластины больше скорости переме-щения шаблона в такое число раз, при котором обеспечивается соответст-вующее масштабирование. В этой системе накладываются жесткие требова-ния по прецизионности при работе в динамическом режиме.

С тепперы и сканеры являются самыми сложными и дорогостоящими из обо-рудования для производства современных интегральных тем. В настоящее время стоимость степпера составляет в среднем 5 млн долларов, стоимость сканера вдвое больше. При переходе на топологические нормы меньше 60 нм стоимость возрастет до 600 млн долларов. Производительность таких устано-вок для пластин диаметром от 200 до 300 мм составляет 70 ÷ 160 шт/час.

Дальнейшее развитие оптической литографии связывается с экстре-мальной ультрафиолетовой литографией (EUV — литография). В ней ис-пользуются эксимерные лазеры на длине излучения 13,5 нм, позволяющие получить разрешение 0,1 ÷ 0,04 мкм.