Литография 2
Фотошаблоны.
Рентгеновская литография.
Электронно-лучевая литография.
Ионно-лучевая литография.
3 Фотошаблоны
Рисунок будущей маски задается фотошаблоном. Это стеклянная пластина, на одну из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка (Сr, Cr2O3, Fe2O3, фотоэмульсия и др.) с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Размеры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1:1 соответствуют размерам будущих элементов ИМС. Поскольку ИМС изготовляются групповым методом, на фотошаблоне размещается множество однотипных рисунков. При создании ИМС фотолитография проводится многократно. Поэтому нужен комплект фотошаблонов. Каждый из них задает рисунок соответствующего слоя.
Фотошаблоны для микросхем малой и средней степени интеграции изготовляют оптико-механическим методом. Сначала создаются фотооригиналы – послойные топологические чертежи одной микросхемы, выполненные в увеличенном (например, 500:1) виде. Фотооригиналы вычерчиваются на специальных устройствах – координатографах, которыми управляет ЭВМ. Координатограф - это плоский стол, над которым может перемещаться головка с режущим инструментом. Чертеж вырезается в непрозрачной пленке (из нитроэмалей или лаков), нанесенной на прозрачную подложку (из стекла или пластика). Размер фотооригинала доходит до 1м при точности нанесения линии 25мкм.
Оригинал фотографируют с редуцированием (уменьшением) в 20...50 раз и получают промежуточный фотошаблон.
На заключительном этапе промежуточный фотошаблон фотографируют с уменьшением и одновременно осуществляют мультипликацию (размножение) рисунков, получая эталонный фотошаблон с матрицей одинаковых рисунков в масштабе 1:1. Мультипликация осуществляется в фотоповторителях (фотоштампах), где после экспонирования одного рисунка эталонный фотошаблон перемещают с шагом, соответствующим размеру кристалла микросхемы, и повторяют экспонирование, пока не получат матрицу рисунков. Существуют также многопозиционные фотоштампы с многопозиционными объективами, которые формируют одновременно большое число изображений, что ускоряет процесс.
Из эталонного фотошаблона методом контактной печати изготовляют рабочие фотошаблоны, которые используются в процессе литографии.
Оптико-механический метод изготовления фотошаблонов является многоступенчатым. На любом этапе происходит накопление дефектов в рисунке. При возрастании степени интеграции ИС усложняется топологический рисунок каждого слоя, уменьшаются геометрические размеры элементов рисунка, увеличивается число координатных точек. Поэтому при производстве БИС и СБИС применяют метод фотонабора, для реализации которого используются прецизионные оптико-механические установки – генераторы изображения. Элементы рисунка разделяются на элементарные прямоугольники разной площади и с разным отношением сторон и определенной ориентацией по углу. Эти прямоугольники по заданной программе последовательно наносятся на светочувствительную пластинку. Получается промежуточный фотошаблон. Потом с помощью фотоповторителя изготовляется эталонный фотошаблон.
Повышение точности воспроизведение рисунка и сокращение ступеней создание фотошаблона достигается при проекционной фотолитографии с пошаговым экспонированием. Фотошаблон изготовляется на генераторе изображения. С помощью проекционных систем непосредственно на пластинах, покрытых фоторезистом, формируют и размножают рисунок в масштабе 1:1. К недостаткам такого процесса относится невысокая производительность.
Для формирования слоёв структур БИС и СБИС используют амплитудно-фазосдвигающие фотошаблоны. Обычные фотошаблоны (амплитудные), модулируют световой поток только по амплитуде (коэффициенту пропускания) в соответствии с рисунком слоя БИС. Фазосдвигающие фотошаблоны представляют собой транспаранты или просветляющие покрытия, которые модулируют и амплитуду, и фазу светового потока на площади экспонирования. Это повышает контрастность изображения вблизи границы перехода от прозрачного участка к непрозрачному на 30…40% и соответственно разрешающую способность на 35…55%. Одновременно возрастает устойчивость к расфокусировке оптических систем.
Применение амплитудно-фазосдвигающих промежуточных фотооригиналов в оптической проекционной литографии при использовании ультрафиолета (λ≤0,365 мкм) повышает разрешающую способность в 1,8 – 2,6 раза и позволяет воспроизводить субмикронные топологические размеры 0,25…0,8 мкм.
Совмещение. Перед экспонированием слоя групповой фотошаблон должен быть правильно ориентирован относительно пластины. При первой фотолитографии фотошаблон ориентируют относительно базового среза пластины (рис. 10.17). В дальнейшем это облегчает разламывание пластины на кристаллы. При следующих фотолитографиях, если пластина уже содержит некоторые слои, необходимо точно ориентировать рисунок фотошаблона относительно рисунка на пластине. Для совмещения на каждом фотошаблоне предусматривают специальные знаки совмещения, например, кресты, квадраты и т.п. При наложении фотошаблона их совмещают с подобными знаками, оставшимися на пластине от предшествующей фотолитографии.
Рисунок 10.17– Совмещение фотошаблона с пластиной
Рентгеновская литография
При рентгеновской литографии изменяется химическая активность резиста, чувствительного к рентгеновскому облучению. В рентгенолитографии экспонирование часто осуществляют характеристическим рентгеновским излучением с длиной волны =0,4...0,5 нм. Характеристическое рентгеновское излучение получают при облучении мишени из металла потоком электронов большой энергии.
Основа шаблона должна слабо поглощать рентгеновское излучение, а рисунок на шаблоне должен задерживать его. Для изготовления шаблонов используют органические вещества - мойлар, полиимид, а также неорганические - кремний, оксид алюминия, нитрид кремния, бериллий. Поглотителем служит слой золота толщиной 0,3...0,5 мкм.
Рисунок 1 – Структура рентгеношаблона
Недостатками источников с характеристическим рентгеновским излучением является расхождение пучка (так как его невозможно фокусировать), наличие зазора между подложкой и шаблоном, что ведет к искажению размеров и сдвига элементов рисунка, пучки в плоскости подложки имеют невысокую плотность потока энергии. Это заставляет использовать высокочувствительные негативные резисты, имеющие невысокую разрешающую способность (0,5 мкм), например, сополимеры глицидилметакрилата и етилакрилата.
Для изготовления элементов с размерами 0,05...0,5 мкм необходимо использовать резисты с высокой разрешающей способностью, например, позитивный резист ПММА (полиметилметакрилат). Его недостатком является слабая чувствительность, поэтому для допустимого времени экспонирования нужно рентгеновское излучение высокой интенсивности.
Высокую плотность энергии имеет электромагнитное излучение, возникающее при торможении в магнитном поле электронов, двигающихся со скоростью близкой к скорости света. Такие скорости достигаются в циклических ускорителях – в синхротронах и накопительных кольцах. Вследствие изменения траектории и появления центробежного ускорения появляется магнитотормозное, или синхротронное, излучение. Интенсивность излучения определяется током электронного пучка, а частота излучения и угол расхождения – энергией электронов. Изменением режима ускорителя согласуют параметры рентгеновского излучения с характеристиками шаблона и резиста.
Для обеспечения высокой разрешающей способности ПММА необходимо исключить излучение с высокой энергией (0,8 нм), которое возбуждает вторичные электроны с большой длиной пробега. При этих условиях достигается разрешающая способность 0,05 мкм. Собственная разрешающая способность ПММА составляет 0,005 мкм.
Преимуществами рентгенолитографии является высокая разрешающая способность; возможность экспонирования слоя резиста равномерно по глубине независимо от толщины (получается рисунок с вертикальными стенками); загрязнение поверхности шаблона веществами с маленьким атомным весом не влияет на рисунок, так как они пропускают рентгеновские лучи.
К основным недостаткам рентгенолитографии можно отнести продолжительное время экспонирования при использовании стандартных источников рентгеновского излучения, необходимость пошагового экспонирования для уменьшения влияния неплоскостности поверхности подложек и нестабильность геометрических размеров шаблонов.