ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
ЛИТОГРАФИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-технических училищ

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1
^иблютека С ПТУ 69
Г. &ОСКВЫ
йнв. №_____________
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
В.В. Мартынов, Т.Е. Базарова
Рецензенты - канд. техн, наук, доц. Ю.С. Чернозубов,
канд. техн, наук, доц. Б.А. Лапшинов (Московский институт элек-
тронного машиностроения)
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб, пособие для ПТУ.
Кн. 8. Литографические процессы / В.В. Мартынов, Т.Е.
Базарова. -М.: Высш.шк., 1990. - 128 с.: ил.
ISBN 5-06-001080-5
В книге описаны современные методы литографии (фотоли-
тография, рентгенолитография, электронолитография и ионоли-
тография) и изготовления шаблонов при производстве полупро-
водниковых приборов и ИМС. Рассмотрено используемое автома-
тическое оборудование. Уделено внимание контролю размеров
элементов изделий микроэлектроники. Приведены основные тре-
бования электронной гигиены и техники безопасности.
2302030700 (4307000000) - 337 39 _ д()
052(01) -90
ББК 31.233
6 Ф0.32
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 8
Мартынов Валерий Владимирович, Базарова Татьяна Евгеньевна
ЛИТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Заведующая редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл.
редактор И.Л. Жуховицкая. Художник П.Б, Борисовский. Художест-
венный редактор В.Г. Пасичник. Технический редактор Л.М. Матюшина.
Корректор В.В. Кожуткина. Оператор Н.В, Хазраткулова.
ИБ № 7871
Изд. № ЭГ-272.1 Сдано в набор 23.10.89. Подп. в печать 24.04.90.
Формат 84x108 /32. Бум. кн, журн. Гарнитура Пресс-роман. Печать
высокая. Объем 6,72 усл. печ. л. 6,93 усл. кр.-отт. 7,82 уч.-изд. л.
Тираж 21 000 экз. Зак. № 1075. Цена 20 коп.
Издательство "Высшая школа", 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул
д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.
ISBN 5-06-001080-5	© В.В. Мартынов, Т.Е. Базарова, 1990
ВВЕДЕНИЕ
Развитие производства полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем (ИМС), особенно больших (БИС)
и сверхбольших (СБИС), постоянное повышение степени их
интеграции и уменьшение размеров элементов привели к тому,
что литографические процессы стали основными при изготов-
лении этих изделий.
В настоящее время именно совершенством процессов лито-
графии, а также осаждения и травления технологических слоев
определяется уровень технологии микроэлектроники. Более
того, при планарно-эпитаксиальной технологии сложность изго-
товления тех или иных микроэлектронных изделий принято
оценивать по количеству операций литографии.
Степень сложности процессов литографии зависит от воз-
можности воспроизведения топологических элементов мини-
мальных размеров, неободимой точности совмещения техноло-
гических слоев и уровня дефектности формируемых защитных
масок.
Современная оптическая литография представляет собой
сочетание новых и старых технологий. Так, еще в 50-х годах
были разработаны фоторезисты высокой разрешающей способ-
ности и процессы фотолитографии, которые позволили при-
ступить к выпуску не только пленочных схем и печатных плат,
но и изготовить по планарной технологии первые транзисторы
и интегральные микросхемы. Дальнейшее совершенствование
процессов фотолитографии шло по пути создания высокочув-
ствительных композиций фоторезистов, разработки прецизион-
ного высокопроизводительного оборудования.
Большинство используемых в производстве полупровод-
никовых приборов и ИМС технологических процессов лито-
графии значительно усовершенствовано за последние 10 лет.
Если на заре микроэлектроники размеры элементов, равные
10 — 15 мкм, считались предельными, то в настоящее время они
приближаются к микронному барьеру, а в некоторых случаях
даже перешагнули его.
Современная прецизионная литография основывается на ав-
томатизированном технологическом оборудовании и современ-
ных материалах.
Повышение требований прецизионности к формируемым
литографией элементам рисунков потребовало использова-
ния высокоточных методов лазерной интерферометрии для
контроля координатных перемещений подложек при их совме-
щении с шаблонами, сложнейших проекционных систем пере-
3
носа изображений и разработки электронно-лучевых методов
их генерации.
Различные процессы литографии выполняются в специаль-
ных технологических помещениях, в которых поддерживаются
определенные температура, относительная влажность и уровень
запыленности.
Основным лицом в производстве современных полупро-
водниковых приборов и ИМС является оператор, который дол-
жен знать особенности физико-химических процессов, проис-
ходящих при литографической обработке полупроводниковых
подложек, уметь управлять режимами и контролировать их,
хорошо разбираться в принципах действия технологического
оборудования, строго соблюдать электронную гигиену и тех-
нику безопасности.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ФОТОЛИТОГРАФИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Производство полупроводниковых приборов и ИМС осно-
вано на эпитаксиально-планарной технологии, позволяющей
формировать в объеме и на поверхности кремниевых подложек
с помощью таких процессов, как литография, окисление, эпи-
таксия, осаждение слоев и локальное легирование, сложные
структуры.
§ 1.	НАЗНАЧЕНИЕ И МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ
Литография - это процесс формирования в актиночувствительном
слое, нанесенном на поверхность подложек, рельефного рисунка, повто-
ряющего топологию полупроводниковых приборов илн ИМС, и после-
дующего переноса этого рисунка на подложки.
Актиночувствительным называется слой, который изме
няет свои свойства (растворимость, химическую стойкость)
под действием актиничного излучения (например, ультрафио-
летового света или потока электронов).
Литографические процессы позволяют:
получать на поверхности окисленных полупроводниковых
подложек свободные от слоя оксида области, задающие кон-
фигурацию полупроводниковых приборов и элементов ИМС,
в которые проводится локальная диффузия примесей для
создания р-п -переходов;
формировать межсоединения элементов ИМС;
создавать технологические маски из резистов, обеспечи-
вающие избирательное маскирование при ионном легировании.
Широкое применение литографии обусловлено следующими
достоинствами: высокой воспроизводимостью результатов и
гибкостью технологии, что позволяет легко переходить от од-
ной топологии структур к другой сменой шаблонов; высокой
разрешающей способностью актиничных резистов; универсаль-
ностью процессов, обеспечивающей их применение для самых
разнообразных целей (травления, легирования, осаждения);
высокой производительностью, обусловленной групповыми
методами обработки.
Процесс литографии состоит из двух основных стадий:
формирования необходимого рисунка элементов в слое
актиночувствительного вещества (резиста) его эспонирова-
нием и проявлением;
травления нижележащего технологического слоя (диэлек-
5
трика, металла) через сформированную топологическую маску
или непосредственного использования слоя резиста в качестве
топологической маски при ионном легировании.
В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки
диоксида SiO2 и нитрида Si3N4 кремния, а межсоединений —
пленки некоторых металлов. Все пленки называют техноло-
гическим слоем.
В зависимости от длины волны ис-
пользуемого излучения применяют следующие
методы литографии:
фотолитографию (длина волны актиничного ультрафиоле-
тового излучения А =250 440 нм);
рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излу-
чения X =0,5 2 нм);
электронолитографию (поток электронов, имеющих энер-
гию 10 — 100 КэВ или длину волны X =0,05 нм);
ионолитографию (длина волны излучения ионов X = 0,05 4-
4- 0,1 нм).
В зависимости от способа переноса
изображения методы литографии могут быть контакт-
ными и проекционными, а также непосредственной генерации
всего изображения или мультипликации единичного изображе-
ния. В свою очередь, проекционные методы могут быть без
изменения масштаба переносимого изображения (Ml : 1) и с
уменьшением его масштаба (М 10 : 1; М 5 : 1). Классификация
методов литографии приведена на рис. 1.
В зависимости от типа используемого
резне та (негативный или позитивный) методы литографии
по характеру переноса изображения делятся на негативные и
позитивные (рис. 2).
Литография является прецизионным процессом, т. е. точ-
ность создаваемых рисунков элементов должна быть в преде-
лах долей микрометра (0,3 — 0,5 мкм). Кроме того, различные
методы литографии должны обеспечивать получение изображе-
ний необходимых размеров любой геометрической сложности,
высокую воспроизводимость изображений в пределах полупро-
водниковых кристаллов и по рабочему полю подложек, а также
низкий уровень дефектности слоя сформированных масок.
В ином случае значительно снижается выход годных изделий.
Для выполнения этих требований необходимы:
применение машинных методов проектирования и автома-
тизации процессов изготовления шаблонов;
повышение воспроизведения размеров элементов, точности
совмещения и использование низкодефектных методов фор-
мирования масок;
I
Рис. 1. Классификация
методов литографии
Рис. 2. Формирование рельефа изображения элементов (а - в) при
использовании негативного (Г) и позитивного (/Г) фоторезистов:
1 ~ ультрафиолетовое излучение, 2, 3 - стеклянный фотошаблон
и нанесенная на него маска, 4 — слой фоторезиста на кремниевой
подложке, 5 ~ технологический слой для формирования рельефа
рисунка, 6 - кремниевая подложка
внедрение оптико-механического, химического и контроль-
ного оборудования, обеспечивающего создание рисунков эле-
ментов с заданными точностью и разрешающей способностью;
применение новых технологических процессов генерации и
переноса изображения с использованием контактных, проек-
ционных методов фотолитографии, голографии, электронно-
лучевой и лазерной технологии;
разработка технологических процессов прямого получения
рисунка элементов микросхем, минуя применение защитных
покрытий, развитие элионных процессов.
Литографические процессы непрерывно совершенствуются:
повышается их прецизионность и разрешающая способность,
снижается уровень дефектности и увеличивается производи-
тельность.
8
§ 2.	КОНТАКТНАЯ ФОТОЛИТОГРАФИЯ
Фотолитография - это сложный технологический процесс, осно-
ванный на использовании необратимых фотохимических явлений, про-
исходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста прн его обработ-
ке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон).
Технологический процесс фотолитографии можно разделить
на три стадии:
формирование фоторезистивного слоя (обработка подло-
жек для их очистки и повышения адгезионной способности,
нанесение фоторезиста и его сушка);
формирование защитного рельефа в слое фоторезиста
(совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фо-
торезиста, т. е. его задубливание);
создание рельефного изображения на подложке (травление
технологического слоя — пленки SiO2, Si3N4, металла, удале-
ние слоя фоторезиста, контроль).
Последовательность выполнения основных операций при
фотолитографии показана на рис. 3.
Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы
обеспечить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста,
а также исключить посторонние включения. Затем на подложки
тонким слоем наносят слой фоторезиста (светочувствительную
полимерную композицию) и сушат его для удаления раствори-
теля.
Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование
выполняют на одной установке. Цель операции совмещения —
совпадение рисунка фотошаблона с нанесенным на предыдущей
операции на подложку рисунком. Далее слой фоторезиста
экспонируют — подвергают воздействию ультрафиолетового
Рис. 3. Последовательность выполнения основных операций при фото-
литографии
9
излучения через фотошаблон. В результате этого рисунок с
фотошаблона переносится на слой фоторезиста.
При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки
вымываются и на подложке при использовании позитивного
фоторезиста остаются неэкспонированные (незасвеченные) участ-
ки, а если применялся негативный фоторезист, то экспонирован-
ные. Затем слой фоторезиста термообрабатывают при повышен-
ной температуре, т. е. задубливают, вследствие чего происходит
его частичная полимеризация и повышается стойкость к тра-
вителю.
Заканчивается процесс фотолитографии травлением неза-
щищенных фоторезистом участков подложки, созданием рель-
ефного рисунка на технологическом слое и удалением остат-
ков фоторезиста. Таким образом, слой фоторезиста служит
для передачи рисунка с фотошаблона на технологический слой.
§ 3.	ПОЗИТИВНЫЕ И НЕГАТИВНЫЕ ФОТОРЕЗИСТЫ
Фоторезисты — это светочувствительные материалы с изменяю-
щейся по действием света растворимостью, устойчивые к воздействию
травителей н применяемые для переноса изображения на подложку.
Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-
полимерными материалами, в состав которых входят: свето-
чувствительные (поливинилциннаматы — в негативные фото-
резисты и нафтохинондиазиды — в позитивные) и пленко-
образующие (чаще всего это различные фенолформальдегид-
ные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также
растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты,
диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).
В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции:
с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они
позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая
резистивными свойствами, защищают технологический слой при трав-
лении.
Как уже отмечалось, рельеф образуется в результате того,
что под действием актиничного излучения, падающего через
фотошаблон на определенные участки слоя фоторезиста, он
изменяет свои первоначальные свойства. Для большинства
фоторезистов актиничным является ультрафиолетовое излу-
чение.
В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезис-
тов лежит использование фотохимической реакции фотопри-
соединения - фотополимеризации, а в пленке позитивных фо-
торезистов - реакции фоторазложения - фотолиза.
10
При фотополимеризации происходит поперечная сшивка
молекул полимера, в результате чего они укрупняются. После
экспонирования под действием актиничного излучения изме-
няется структура молекул полимера, они становятся трехмер-
ными и их химическая стойкость увеличивается.
При фотолизе в фоторезисте под воздействием актиничного
излучения у молекул полимера происходит обрыв слабых свя-
зей и образуются молекулы менее сложной структуры. Таким
образом, фотолиз является процессом, противоположным
фотополимеризации. Получающийся в результате фотолиза
полимер обладает пониженной химической стойкостью.
Многие полимерные вещества, из которых изготовляют
фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие
свет в ультрафиолетовой области спектра. Собственная свето-
чувствительность полимера при введении в него специальных
добавок — стабилизаторов и сенсибилизаторов* может изме-
няться в широких пределах. Одна и та же добавка для различ-
ных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибили-
затором. Объясняется это тем, что эффект действия добавок
определяется не только их химическим составом, но и энерге-
тическим взаимодействием с исходным полимером,
В зависимости от характера протекающих в фоторезисте
фотохимических реакций определяется и тип фоторезиста —
позитивный или негативный.
Негативные фоторезисты под действием
актиничного излучения образуют защищенные участки релье-
фа. После термообработки — задубливания — в результате ре-
акции фотополимеризации освещенные при экспонировании
участки не растворяются в проявителе и остаются на поверх-
ности подложки. При этом рельеф представляет собой негатив-
ное изображение элементов фотошаблона.
В качестве негативных фоторезистов применяют составы
на основе сложного эфира поливинилового спирта
[-СН2-СН“]"
ОН
и коричной кислоты С6Н5“СН=СИ—СООН . Эти
составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула
имеет вид	? где Rj — макромолекула поли-
винилового спирта, содержащая большое количество атомов;
Ra — светочувствительные циннамоильные группы, представ-
ляющие собой продукты коричной кислоты.
* Сенсибилизация - это передача энергии возбуждения от одной
молекулы к другой,	. <
Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали,
состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до
200 тыс. ед.). При поглощении фотонов ультрафиолетового из-
лучения в результате фотохимической реакции фотополиме-
ризации происходит разрыв слабой двойной связи — С = С —
циннамоильной группы и образовавшиеся свободные связи
сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмер-
ную структуру.
В зависимости от способов получения и свойств исходных
продуктов фоторезисты на основе ПВЦ могут обладать раз-
личными характеристиками по светочувствительности, разре-
шающей способности, кислотостойкости и др.
Фоторезисты на основе ПВЦ представляют собой белый
порошок, растворяющийся в органических растворителях
(смесях толуола с хлорбензолом, ацетата этиленгликоля
с метаксилолом и др.). Проявителями для этих фоторезистов
служит трихлорэтилен или его смесь с изопропиловым спир-
том. Время проявления 0,5 — 1 мин. Фоторезисты на основе
ПВЦ имеют удовлетворительную кислотостойкость: они не
выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кис-
лоты, но устойчивы к травителям с небольшим ее содержанием.
Повышенной кислотостойкостью обладают негативные фо-
торезисты на основе изопропилового каучука, циклокаучука
и других каучуков с различными добавками. Так как сами
каучуки не являются светочувствительными веществами, в
состав фоторезистов вводят светочувствительные диазосоеди-
нения — сенсибилизаторы. Под действием света молекула диа-
зосоединения разлагается с потерей молекулы азота, образуя
новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию с мак-
ромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трех-
мерная структура. Растворителем для таких фоторезистов служит
смесь ксилола с толуолом, а в качестве проявителей исполь-
зуются составы на основе ксилола, толуола, уайт-спирита.
Примерами негативных фоторезистов являются ФН-11,
ФН-11К, ФН-4ТВ, ФН-ЗТ и ФН-106.
Негативные фоторезисты чувствительны к ультрафиолето-
вому излучению в диапазоне длин волн 260 — 320 нм. При
добавлении стабилизаторов светочувствительность увеличива-
ется в 100 — 300 раз. Разрешающая способность негативных
фоторезистов 100 — 300 лин/мм при толщине слоя от 0,3 до
0,5 мкм. Современные негативные фоторезисты обеспечи-
вают формирование микроизображений с шириной линий 2 —
3 мкм.
Позитивные фоторезисты, наоборот, передают
один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет
12
Таблица 1. Позитивные фоторезисты и режимы их обработки
Марка	Область применения	Растворитель*	Режим нанесе- ния, об/мин	Толщина слоя, мкм	Режим сушки, °C	Проявитель
ФП-383	Производство приборов, ИМС и полупроводниковых печатных плат с использованием контакт- ного экспонирования и плазмо- химического травления	Диоксан	2500 - 3000	0,9 -1,1	95 - 105	2%-ный МазРС>4
ФП-РН-7	То же	ДМФА, МЦА	2500 - 3000	0,7 -1,1	95 - 105	0,5%-ный КОН
ФП-РН-27В	»»	ДМФА, МЦА	2500 - 3000	1,1 - 1,4	95 - 105	0,6%-ный КОН
ФП-051Ш	Производство фотошаблонов контактной фотолитографией	МЦА	2000 - 2500	0,8 - 1,0	90 -95	0,6%-ный КОН
ФП-051Т	Фотолитография при изготовле- нии БИС и СБИС с использова- нием контактного экспонирова- ния, жидкостного и плазмохи- мического травления	МЦА	2000 - 2500	1,0 - 1,5	95 - 105	0,6%-ный КОН
ФП-051 К	То же	ЭЦА, ДМФА	2500 - 3000	2,1 - 2,5	95 - 105	0,6%-ный КОН
ФП-051 МК	Прецизионная фотолитография при изготовлении БИС и СБИС с использованием проекционно- го экспонирования	ЭЦА, диглим	3500 - 4000	1,6 - 1,8	100 - ПО	0,6%-ный КОН ПП-051 К
ФП-25	Изготовление масок	Диоксан, ДМФА	1500 - 2000	6,0 -8,0	90 - 100	0,5%-ный КОН
Примечание. ДМФА - диметилформамид; МЦА - метилцеллозольвацетат; ЭЦА - этилцеллозольвацетат.
конфигурацию его непрозрачных элементов. Актиничное из-
лучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что при
обработке в проявителе экспонированные участки слоя раз-
рушаются и вымываются. В позитивных фоторезистах при
освещении происходит распад молекул полимера и уменьшается
их химическая стойкость.
В качестве позитивных фоторезистов используют смеси
сульфоэфиров нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль-
дегидными смолами (новолачными или резольными) в орга-
нических растворителях. Светочувствительной основой такого
фоторезиста является НХД, а смола играет роль кислотостой-
кого полимера. При экспонировании в результате фотохими-
ческих реакций фотолиза гидрофобные производные НХД
разрушаются и становятся гидрофильными, приобретая спо-
собность растворяться в слабых водных растворах щелочей,
которые и являются проявителем для позитивных фоторезис-
тов.
Растворителями позитивных фоторезистов являются спир-
ты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол
или их смеси.
Позитивные фоторезисты на основе НХД чувствительны
к ультрафиолетовому излучению в диапазоне длин волн 250 —
450 нм. Разрешающая способность их выше, чем негативных
фоторезистов (500 — 600 лин/мм при толщине слоя 1 мкм),
что позволяет формировать микроизображения с шириной
линий 1—2 мкм. Позитивные фоторезисты обладают высокой
кислотостойкостью; выдерживают действие концентрирован-
ных плавиковой и азотной кислот.
Основные позитивные фоторезисты и режимы их обработ-
ки приведены в табл. 1.
§ 4.	ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФОТОРЕЗИСТОВ
Основными параметрами фоторезистов являются свето-
чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость,
адгезия к подложке и технологичность.
СветочувствительностьS, см2 /(Вт • с),- это величина, обрат-
ная экспозиции, т. е. количеству световой энергии, необходи-
мой для облучения фоторезиста, чтобы перевести его в нераст-
воримое (негативный) или растворимое (позитивный) сос-
тояние :
5 =	1/Я- l/(Fr) ,
где Н — экспозиция Вт • с/см2; Е — энергооблученность, Вт/см2;
t - длительность облучения, с,
14
Точную характеристику светочувствительности можно полу-
чить, учитывая не только процесс экспонирования, но и прояв-
ления. Так как проявитель химически взаимодействует с экспо-
нированными и неэкспонированными участками слоя фоторе-
зиста, процесс проявления оказывает прямое влияние на его
светочувствительность. В прямой зависимости от процесса про-
явления, а следовательно, и светочувствительности фоторезис-
та находится качество формируемого в его слое при проявле-
нии рисунка элементов.
Таким образом, критерием светочувствительности фоторезиста
служит четкость рельефа рисунка в его слое после проведения процес-
сов экспонирования и проявления. При этом рельеф рисунка должен
иметь резко очерченную границу между областями удаленного и остав-
шегося на поверхности подложки слоя фоторезиста.
Критерием светочувствительности негативных фоторезистов
является образование после экспонирования и проявления на
поверхности подложки локальных полимеризованных участ-
ков — рельефа рисунка, т. е. полнота прохождения фотохимичес-
кой реакции полимеризации (сшивки) молекул основы фо-
торезиста.
Критерием светочувствительности позитивных фоторезистов
является полнота разрушения и удаления (реакция фото-
лиза) с поверхности подложки локальных участков слоя фото-
резиста после экспонирования и проявления и образование рель-
ефного рисунка.
Фоторезисты характеризуются также пороговой светочув-
ствительностью Sn - 1/Hi, определяемой началом фотохими-
ческой реакции.
Светочувствительность и пороговая светочувствительность
фоторезиста зависят от толщины его слоя, а также состава и
концентрации проявителя. Поэтому, говоря о значении светочув-
ствительности и пороговой светочувствительности, учитывают
конкретные условия проведения процесса фотолитографии.
Определяют светочувствительность экспериментально, исследуя
скорость проявления фоторезиста, которая зависит от степени
его облучения.
Разрешающая способность — это один из самых важных
параметров фоторезистов, характеризующий их способность
к созданию рельефа рисунка с минимальными размерами эле-
ментов. Разрешающая способность фоторезиста определяется
числом линий равной ширины, разделенных промежутками
такой же ширины и умещающихся в одном миллиметре.
Для определения разрешающей способности фоторезис-
тов используют штриховые миры, представляющие собой сте-
15
клянные пластины с нанесенными на их поверхность штриха-
ми шириной от одного до нескольких десятков микрометров.
Разрешающую способность определяют проводя экспонирова-
ние подложки, покрытой слоем фоторезиста, через штрихо-
вую миру, которую используют в качестве фотошаблона. После
проявления выделяется участок с различными штрихами наи-
меньшей ширины, которые и характеризуют разрешающую
способность данного фоторезиста.
Следует различать разрешенную способность фоторезиста и разре-
шающую способность процесса фотолитографии, которая зависит от
режимов травления. На практике необходимо ориентироваться на разре-
шающую способность фотолитографического процесса.
При эпитаксиально-планарной технологии разрешающая спо-
собность фотолитографии — это предельное количество линий
в одном миллиметре, вытравленных в слое диоксида крем-
ния толщиной 0,5 — 1,0 мкм через промежутки равной шири-
ны. Разрешающая способность лучших современных фоторезис-
тов достигает 1500 — 2000 линий/мм. Разрешающая способ-
ность отечественных фоторезистов ФП-383 и ФП-РН-7 составляет
400 — 500 линий/мм, что позволяет получать контактной и
проекционной фотолитографией рисунки элементов, соответ-
ственно имеющие размеры 1,25 — 1,5 и 0,5 — 0,6 мкм.
Кислотостойкостъ — это способность слоя фоторезиста
защищать поверхность подложки от воздействия кислотного
травителя. Критерием кислотостойкости является время, в те-
чение которого фоторезист выдерживает действие травителя до
момента появления таких дефектов, как частичное разруше-
ние, отслаивание от подложки, локальное точечное расстрав-
ливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой.
Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зави-
сит не только от состава, но и от толщины и состояния его слоя.
Поэтому кисл ото стойкость оценивают фактором травления
К = h/x, (где h — глубина травления; х — боковое подтравли-
вание) .
Таким образом, чем меньше боковое подтравливание при заданной
глубине травления, тем выше кислотостойкость фоторезиста. Боковое
подтравливание характеризуется клином травления.
Адгезия — это способность слоя фоторезиста препятствовать
проникновению травителя к подложке по периметру создавае-
мого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является
время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подлож-
ки в ламинарном потоке проявителя. В большинстве случаев
адгезию считают удовлетворительной, если слой фоторезиста
16
20x20 мкм2 отрывается за 20 мин. Об адгезии фоторезиста
к подложке можно судить по углу смачивания, т. е. состоянию
поверхности подложки.
Стабильность свойств фоторезистов характеризуется их
сроком службы при определенных условиях хранения и эксплу-
атации и обеспечение ее является одной из важнейших проблем
производства изделий микроэлектроники.
§5.	ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК
Качество процесса фотолитографии во многом определяется меха-
ническим и физико-химическим состоянием поверхности подложек.
Механическое состояние поверхности
подложек влияет на точность получения элементов рисун-
ка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины, цара-
пины и риски приводят к их искажению. Кроме того, при нане-
сении слоя фоторезиста эти дефекты вызывают появление пу-
зырьков или проколов в слое фоторезиста.
Необходимое качество поверхности подложек обеспечива-
ется на начальных стадиях их изготовления механической обра-
боткой: резкой слитков на пластины, шлифовкой и полировкой
пластин, в результате которой их поверхность доводится до
зеркального блеска и приобретает идеальную плоскостность
и плоскопараллельность.
Физико-химическое состояние поверхнос-
ти подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию фоторезис-
та. Поэтому на рабочих поверхностях подложек не должно быть
инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов
жидкостей и газов. Так как большинство фоторезистов содер-
жит в своей основе полимеры, обладающие гидрофобными
свойствами, то и поверхность подложек должна быть гидро-
фобной.
Критерием оценки состояния поверхности подложки может
служить краевой угол ее смачивания каплей деионизованной
воды. Если капля воды растекается по поверхности подложки,
т. е. ее угол смачивания менее 40 °, такую поверхность называ-
ют гидрофильной. Поверхность, на которой капля воды не рас-
текается и образует угол смачивания более 90 °, называют
гидрофобной.
При фотолитографии необходимо, чтобы поверхность подложек
была гидрофильна к фоторезисту и гидрофобна к травителю, тогда выт-
равленный рисунок будет точно повторять рисунок фотошаблона.
Перед нанесением слоя фоторезиста или какой-либо плен-
ки полупроводниковые подложки для удаления органических
17
Рис. 4. Схемы гидромеханической отмывки подложек цилиндри-
ческой (а) и конической (б) щетками:
1 - форсунка, 2 ~ щетки, 3 - подложка
загрязнений обрабатывают в химических реактивах, а затем
подвергают гидромеханической отмывке (рис. 4, а, б).
Для формирования полупроводниковых структур исполь-
зуют пленки полупроводников (Si, Ge, GaAs), диэлектриков
(оксида SiO2 и нитрида Si37V4 кремния, примесно-силикатных
стекол) и металлов (Al, V, W, Ti, Аи), а также силицидов
и оксидов тугоплавких металлов.
Поверхность подложек с выращенными термическим окис-
лением пленками SiO2 сразу после образования пленки гидро-
фобна. Поэтому рекомендуется непосредственно после окис-
ления, не превышая межоперационное время более 1 ч, пере-
давать подложки на фотолитографию. Через несколько часов
поверхность подложек с пленкой SiO2 становится гидрофиль-
ной, на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы, угол
смачивания уменьшается до 20 — 30 ° и адгезия фоторезиста
падает, что приводит к браку. Для придания поверхности таких
подложек гидрофобных свойств их термообрабатывают при
700 — 800 ° С в сухом инертном газе или в вакууме.
Если слой фоторезиста наносят на пленку примесно-силикат-
ного стекла, следует иметь в виду, что поверхность боросиликат-
ного стекла гидрофобна и аналогична по поведению пленке
SiO2 а фосфоросиликатного стекла гидрофильна (угол смачи-
вания не превышает 15 и). Гидрофобные свойства поверхности
фосфоросиликатного стекла придают термообработкой при
100 — 500 °C в течение 1 ч в сухом инертном газе или в ваку-
уме. Режим термообработки выбирают в зависимости от тех-
нологии изготовления и конструкции микроэлектронного из-
18
делия. Гидрофобность силикатных стекол повышают также
обработкой их в трихлорэтилене или ксилоле.
Характеристики поверхности пленок Al, V, W, Ti и Au,
наносимых вакуумным распылением, зависят от режима про-
ведения процесса и смачиваемости подложек. Перед фотоли-
тографией пленки обязательно обезжиривают в растворителях.
Эффективным методом повышения адгезии фоторезиста
к пленке является ее обработка в парах специальных веществ —
адгезивов, придающих поверхности гидрофобные свойства.
Наиболее распространенным адгезивом является гексаметил-
дисилазан.
§ 6.	НАНЕСЕНИЕ И СУШКА СЛОЯ ФОТОРЕЗИСТА
Нанесение слоя фоторезиста. Нанесенный на предваритель-
но подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста
должен быть однородным по толщине по всему их полю, без
проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую
адгезию.
Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной сре-
де, соблюдая технологические режимы. Используемый фото-
резист должен соответствовать паспортным данным. Перед
употреблением его необходимо профильтровать через специаль-
ные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производ-
стве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения
10 — 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов. Это делают
для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочас-
тицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к бра-
ку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить
вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.
Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют
методы центрифугирования, пульверизации, электростатичес-
кий, окунания и полива. Кроме того, применяют накатку пленки
сухого фоторезиста.
Методом центрифугирования (рис. 5),
наиболее широко используемым в полупроводниковой техно-
логии, на несложном оборудовании наносят слои фоторезиста,
толщина которых колеблется в пределах ± 10 %. При этом
методе на подложку 2, которая устанавливается на столике
3 центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом,
фоторезист подается капельницей-дозатором 1. Когда столик
приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем
по поверхности подложки, а его излишки сбрасываются с нее
и стекают по кожуху 4. При вращении центрифуги с большой
частотой происходит испарение растворителя и вязкость фото-
резиста быстро возрастает.
Рис. 5. Установка несения слоя Рис. 6. Зависимость толщины слоя фото-
фоторезиста центрифугирова- резиста от частоты вращения центрифуги
нием:	при различных коэффициентах его вяз-
/ - дозатор (капельница), 2 — кости:
подложка, 3 - столик, 4 -- / - v = 0,05 см/с, 2 - v = 0,04 см/с,
кожух для сбора избытка фо- 5 - р~0,02 см/с
торезиста, 5 — вакуумные уп-
лотнители, 6 — электродвига-
тель, 7 - трубопровод к ва-
куумному насосу
Толщина нанесенного слоя hcn зависит от вязкости v фото-
резиста и частоты вращения со столика центрифуги, т. е. /?сл =
~А \/р/ы (где А - коэффициент пропорциональности, опреде-
ляемый опытным путем). Зависимости толщины наносимого
слоя от частоты вращения столика центрифуги при различ-
ных коэффициентах вязкости фоторезиста показаны на рис. 6,
Используя метод центрифугирования, можно в зависи-
мости от вязкости фоторезиста регулировать толщину его слоя
от 0,4 до 3,5 мкм, изменяя частоту вращения центрифуги от
1500 до 8000 об/мин. При малых скоростях центрифугирования
слой фоторезиста получается неровным и наблюдается его утол-
щение по краям подложки.
Выбирая толщину слоя фоторезиста, необходимо учитывать,
что он должен обладать высокой разрешающей способностью
(чем меньше толщина, тем выше разрешающая способность)
и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезис-
та не должен иметь дефектов в виде проколов, количество кото-
рых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно,
толщина слоя фоторезиста должна быть наименьшей, но доста-
точной для обеспечения его стойкости к травителю и обеспечи-
вать малую дефектность,
20
Наносимые центрифугированием слои фоторезиста могут
иметь дефекты в виде ’’комет”, образующиеся, если на поверх-
ности подложек имелись остаточные загрязнения или фоторезист
был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят, как направ-
ленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя
фоторезиста.
Полуавтомат для нанесения слоя фоторезиста центрифуги-
рованием состоит из блоков центрифуг и дозаторов, блока
управления, а также блока подачи и приема подложек и выпол-
нен в виду двух треков. В блоке центрифуг имеется электро-
двигатель малой инерционности, частота вращения которого
контролируется специальным электронным блоком. Подложки
удерживаются на столиках центрифуг вакуумным присосом,
создаваемым системой вакуумной откачки. Блок дозаторов
укреплен на задней стенке полуавтомата. Дозирование фоторе-
зиста ведется с помощью электропневмоклапанов, а подача
осуществляется под давлением азота. Блок управления обес-
печивает согласование работы всех блоков полуавтомата.
Полуавтомат предназначен для одновременного нанесения
слоя фоторезиста по двум трекам, на которые загружаются
стандартные кассеты с 25 подложками. После нанесения фото-
резиста подложки поступают в разгрузочную кассету или прохо-
дят по треку на сушку в конвейерную печь.
Достоинствами методами центрифугирования являются его
простота, отработанность и удовлетворительная производитель-
ность оборудования, а также возможность нанесения тонких
слоев фоторезиста с небольшим разбросом по толщине. Недос-
татки этого метода — трудность нанесения толстых слоев фото-
резиста (более 3 мкм), необходимость тщательного контроля
его коэффициента вязкости и режимов работы центрифуги.
Метод пульверизации (рис. 7), являющийся
весьма перспективным, основан на нанесении слоя фоторезиста
в виде аэрозоля с помощью форсунки, действующей под дав-
лением сжатого воздуха или инертного газа. Подложки распо-
лагаются на расстоянии в несколько сантиметров от форсунки,
и фоторезист, осаждаясь в виде капель, покрывает их сплош-
ным слоем. Метод пульверизации позволяет в автоматическом
режиме вести групповую обработку подложек. При этом тол-
щина слоя фоторезиста составляет от 03 до 20 мкм с точностью
не хуже 5 %.
Достоинствами метода пульверизации являются: возмож-
ность изменения толщины слоя фоторезиста в широких преде-
лах: однородность слоев по толщине; отсутствие утолщений
- по краям подложек; нанесение фоторезиста на профилирован-
J Ные подложки (в малейшие углубления и отверстия); срав-
1	21
2
Рис. 7. Нанесение слоя фоторезиста пульверизацией:
1 ~ область разрежения, 2 сопло, 3 - форсунка, 4 - регули-
рующая игла, 5 - распыляющий газ, 6 - подача фоторезиста
нительпо малый расход фоторезиста; высокая производитель-
ность и автоматизация процесса; хорошая адгезия слоя к под-
ложкам (лучшая, чем при центрифугировании).
Недостатки этого метода состоят в том, что при его исполь-
зовании необходимо специально подбирать растворители, так
как слой фоторезиста не должен стекать по подложкам. Кроме
того, следует тщательно очищать фоторезист и используемый
для пульверизации газ.
Основными элементами установки для нанесения слоя
фоторезиста пульверизацией являются форсунка-пульверизатор
и стол, на котором закрепляют подложки. Для равномерного
покрытия подложек слоем фоторезиста стол и форсунка переме-
щаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
При электростатическом методе (рис. 8)
слой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле
напряженностью 1—5 кВ/см. Для создания такого поля между
подложкой 3 и специальным кольцевым электродом 2 подают
постоянное напряжение 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста
форсункой 1 в пространство между электродом и подложкой
капельки фоторезиста диаметром в несколько микрометров
заряжаются, летят под действием электрического поля к под-
ложке на ней.
Этот метод имеет высокую производительность и позволяет
наносить слой фоторезиста на подложки большой площади.
Недостаток его — трудность стабилизации процесса и сложность
оборудования.
22
Методы окуна-
ния и полива явля-
ются простейшими среди
всех методов нанесения слоя
фоторезиста.
При окунании подложки
погружают на несколько се-
кунд в ванну с фоторезис-
том, а затем с постоянной
скоростью вытягивают из
нее в вертикальном положе-
нии специальными подъем-
ными устройствами и сушат,
установив вертикально или
наклонно.
Полив фоторезиста на
горизонтально расположен-
ные подложки обеспечивает
лучшую по сравнению с оку-
Рис. 8. Нанесение фоторезиста в
электростатическом поле:
1 — форсунка, 2 - кольцевой элек-
трод, 3 - подложка, 4 - столик
нанием однородность слоя
по толщине. Следует отме-
тить, что при этом методе
неизбежны утолщения слоя
фоторезиста по краям.
Окунание и полив применяют для нанесения слоя фото-
резиста на подложки больших размеров, а также его толстых
слоев (до 20 мкм) на обе стороны подложек. Недостаток
этих методов — неоднородность слоя фоторезиста по толщине.
Общим недостатком нанесения жидких фоторезистов является
трудность получения сплошных слоев заданной толщины.
Накатка пленки сухого фоторезиста
значительно упрощает процесс и обеспечивает получение равно-
мерного покрытия на подложках большой площади. Пленочный
фоторезист представляет собой трехслойную ленту, в которой
слой фоторезиста заключен между двумя полимерными пленка-
ми: одна (более прочная) является несущей, а другая —
защитной.
Предварительно защитную пленку удаляют, а фоторезист
Вместе с несущей пленкой накатывают валиком на подложки,
нагретые до 100 °C. Под действием температуры и давления
Фоторезист приклеивается к подложке. При этом его адгезия
к подложке выше, чем к несущей пленке, которую затем сни-
мают.
Недостатки этого метода — большая толщина (10 — 20 мкм)
23
и низкая разрешающая способность слоя сухого фоторезиста.
Поэтому накатку пленки сухого фоторезиста используют толь-
ко при больших размерах элементов ИМС.
Сушка слоя фоторезиста. Для окончательного удаления
растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом
уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внут-
ренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Непол-
ное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его
кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагре-
вают до температуры, примерно равной 100 °C. Время сушки
выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов.
Температура и время сушки значительно влияют на такие
важные параметры фоторезистов, как время их экспонирования
и точность передачи размеров элементов после проявления.
Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты.
Существует три метода сушки фоторезиста: конвекционный,
инфракрасный и в СВЧ-поле.
При конвективной сушке подложки выдер-
живают в термокамере при 90 — 100 °C в течение 15—30 мин.
Недостаток этого метода — низкое качество фоторезистового
слоя.
При инфракрасной сушке источником теп-
лоты является сама полупроводниковая подложка, поглощаю-
щая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накали-
вания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный
газ или воздух) при этом сохраняет благодаря непрерывной
продувке примерно комнатную температуру. Так как ’’фронт
сушки” перемещается от подложки к поверхности слоя фото-
резиста, качество сушки по сравнению с конвективной сущест-
венно выше, а время сокращается до 5 — 10 мин.
В электронной промышленности широко используются ус-
тановки ИК-сушки УИС-1 и конвейерные печи с инфракрас-
ными нагревателями. Система измерения и стабилизации тем-
пературы в них основана на определении температуры эталон-
ных подложек, закрепленных на рамке внутри рабочей камеры,
для продувки которой служат вентиляторы. Источниками теп-
лоты являются лампы ИК-излучения. Время и температура
сушки поддерживаются автоматически.
При СВЧ-сушке подложки нагреваются, погло-
щая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка про-
изводится в печах мощностью 200 — 400 Вт при рабочей час-
тоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством
этого метода является высокая производительность, а недос-
татками — сложность оборудования и необходимость тщатель-
ного экранирования рабочего объема во избежание облучения
24
J
*
оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста
на различных по электрическим характеристикам участках под-
ложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однород-
ные подложки.
При любом методе сушки ее режимы (время, температура) дол-
жны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста.
Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.
Сушку подложек следует выполнять в тщательно обеспыленной среде
10-гои 1-го классов чистоты. Контролируют качество сушки визуаль-
но или под микроскопом.
Основные виды и причины брака. При нанесении слоя фото-
резиста могут появиться различные виды брака.
Плохая адгезия фоторезиста к подложке вызывает при
последующем травлении растравливание и искажение рисун-
ков элементов. Причиной плохой адгезии является некачест-
венная подготовка поверхности подложек.
Локальные неоднородности рельефа слоя фоторезиста,
имеющие вид капелек, обусловлены попаданием пылинок
на подложки или присутствием посторонних частиц в фоторе-
зисте.
Микродефекты (проколы) слоя фоторезиста связаны с
теми же причинам, что и локальные неоднородности рельефа.
Неоднородности рельефа слоя фоторезиста в виде радиаль-
но расходящихся длинных лучей вызываются нарушением режи-
ма центрифугирования в процессе нанесения слоя (вибрацией
столика при вращении).
Неоднородность толщины слоя фоторезиста на подложках
и разброс ее на разных подложках являются результатами
перекоса столика, уменьшения частоты его вращения и увели-
чения времени разгона центрифуги. Отклонение толщины слоя
фоторезиста от заданной может быть также связано с изменением
вязкости фоторезиста.
§ 7.	СОВМЕЩЕНИЕ И ЭКСПОНИРОВАНИЕ
Точность полученного в процессе фотолитографии топологичес-
кого рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процес-
са совмещения.
Передача изображения с фотошаблона на подложку должна
выполняться с точностью до десятых долей минимального раз-
мера элемента, что обычно составляет 0,1 — 0,5 мкм. Поэтому
процессы совмещения и экспонирования проводят на одном
х рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская
даже малой вибрации фотошаблона и подложки.
25
i
Совмещение и экспонирование являются наиболее ответ-
ственными операциями процесса фотолитографии.
Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон
следует правильно сориентировать относительно подложки и
рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования струк-
туры полупроводникового прибора или ИМС необходим комп-
лект фотошаблонов со строго согласованными топологически-
ми рисунками элементов.
При первой фотолитографии, когда поверхность подло-
жек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно
базового среза подложки. При последующих фотолитографиях,
когда на подложках сформированы топологические слои, рису-
нок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыду-
щего слоя.
Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два эта-
Рис. 9. Фигуры совмещения на фотошаблонах (/) и подложках
после второй (/Z) и четвертой (Я/) фотолитографии:
а - концентрические окружности, б - вложенные квадраты,
в - биссскторные знаки
26
па. На первом этапе с помощью реперных модулей — ’’пустых
кристаллов” выполняют грубое совмещение в пределах всего
поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в
пределах единичного модуля по специальным знакам - фигу-
рам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого тополо-
гического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур
совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависи-
мости от типа используемого при фотолитографии фоторезис-
та (рис. 9,а - в).
Сложность операции совмещения состоит в том, что прихо-
дится с высокой точностью совмещать элементы малых разме-
ров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа
должно быть не менее 200 раз. Современные установки обеспе-
чивают точность совмещения 0,25 — 1 мкм. Точность совме-
щения последовательных рисунков зависит от следующих
факторов:
точности совмещения фотошаблонов в комплекте;
точности воспроизведения форм и размеров элементов
рисунков в процессе фотолитографии;
качества подложек и слоев фоторезиста;
совершенства механизма совмещения установки;
разрешающей способности микроскопа;
соблюдения температурного режима.
Существует два метода совмещения фотошаблонов с под-
ложками:
визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблю-
дают за контрольными отметками в микроскоп; при этом
точность совмещения составляет 0,25 — 1 мкм и зависит от
возможностей установки;
автоматизированный фотоэлектрический с помощью фото-
электронного микроскопа, обеспечивающий точность совме-
щения 0,1 — 0,3 мкм.
При контактной фотолитографии операцию совмещения
выполняют с помощью специального механизма совмещения
микроизображений (рис. 10), основными элементами которого
являются предметный шаровой столик 1 со сферическим осно-
ванием — гнездом 2, рамка 16 для закрепления фотошаблона
15 и устройство перемещения рамки и поворота предметного
столика.
Предварительно подложку размещают на предметном сто-
лике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют
фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью подложки
? 14. Между подложкой и фотошаблоном должен быть зазор
< Для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков
| на фотошаблоне и подложке передвигают рамку с фотошаб-
t	27
Рис. 10. Механизм
совмещения микро-
изображений фото-
шаблона и подлож-
ки при контактной
фотолитографии:
1,2— предметный
столик н его гнез-
до, 3 - направляю-
щие, 4 — микроза-
зор, 5 — штифт,
6 - регулировочный
винт, 7, 10 - ди-
афрагмы, 8, 11 -
камеры, 9 - фикса-
тор, 12, 13 - трубо-
проводы, 14 - под-
ложка, 15 - фото-
шаблон, 16 - рамка
лоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в
плоскости подложки и поворачивают предметный столик с
подложкой вокруг вертикальной оси.
Современные установки совмещения и экспонирования
представляют собой сложные оптико-механические комплексы.
Точность совмещения и производительность зависят от выбран-
ного метода совмещения — визуального или фотоэлектричес-
кого.
В отечественных установках контактного совмещения и
экспонирования (ЭМ-5 76, ЭМ-5006) используется принцип
контактной печати с наложением фотошаблона на подложку.
При идеальной плоскостности фотошаблона и подложки пере-
дача изображения осуществляется с минимальными искажени-
ями при большой производительности.
После выполнения совмещения (рис. 11, а) подложку
прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста
(рис. 11, б). Основной целью экспонирования является высо-
коточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов
топологии полупроводниковых приборов или ИМС. Правиль-
ность экспонирования влияет на качество переноса изображе-
ния с фотошаблона на слой фоторезиста.
Процесс экспонирования зависит от качества фотошаблона, свойств
фоторезиста и подложки, оптических явлений, происходящих в системе
подложка — фотошаблон и точности их совмещения.
При контактном экспонировании ультрафиолетовое излу-
чение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторезис-
28
Рис. 11. Схемы совмещения (а) и экспонирования (6):
/ - предметный столик, 2 ~ подложка, 3 - слой фоторезиста, 4 - фото-
шаблон, 5 - микроскоп, 6 - затвор, 7 - конденсор, 8 - источник света;
z — зазор между фотошаблоном и подложкой
та. Следовательно, передача элементов рисунка на слое фото-
резиста зависит от оптической плотности темных и светлых
участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краев
и коэффициента отражения металлизированного слоя фото-
шаблона.
Важной частью установки совмещения и экспонирования
является микроскоп. Отечественные установки оснащены дву-
польным микроскопом с увеличением до 300 раз, в который
одновременно можно наблюдать изображение двух модулей
в разных точках подложки. Этот микроскоп позволяет плавно
изменять увеличение сменой объективов.
Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выпол-
няют на одной установке (рис. 12), при этом подложка 9 с
помощью подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2
в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относитель-
но фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После сов-
мещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на
его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспони-
рование. Затем подложка подается в приемную кассету 8 и по
конвейеру 7 перемещается на операцию проявления.
Осветитель состоит из источника света, оптического уст-
ройства для создания равномерного светового потока и зат-
вора-дозатора актиничного излучения.
29
Рис. 12. Установка совмещения и контактного экспонирования:
1, 8 - подающая и приемная кассеты, 2, 7 - конвейеры, 3 - уст-
ройство совмещения, 4 — фотошаблон, 5 — микроскоп, 6 — осве-
титель, 9 - подложки
В качестве источника света обычно применяют ртутно-
кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500,
создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы
лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330 —
440 нм).
Оптическое устройство создает поток параллельных лучей,
равномерно освещающих подложку. Разброс освещенности
в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5 %.
При работе на установке необходимо принимать меры по за-
щите глаз от прямого попадания ультрафиолетового излучения.
Система затвор—дозатор обеспечивает точность дозы при
экспонировании не хуже 5 %.
Режимы проявления слоя фоторезиста зависят от времени
экспонирования. Необходимую экспозицию устанавливают,
учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также
толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечиваю-
щую наилучшую четкость изображения, получаемого после
проявления, определяют экспериментально.
Качество изображения оценивают визуально по наиболее
мелким элементам топологии или специальным контрольным
знакам-элементам, предусмотренным в нем. Поскольку зазор
между шаблоном и подложкой, а также освещенность распре-
делены по рабочему полю неравномерно и носят случайный
характер, качество изображения контролируют на разных участ-
ках подложки.
Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызы-
вает дифракционные явления, что приводит к искажению формы
и размеров элементов и обусловлено проникновением света в
30
область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние диф-
ракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно
прижимать к подложке для исключения зазора между ними или
сведения его к минимуму.
Важным оптическим эффектом при экспонировании явля-
ется прохождение ультрафиолетового излучения через пленку
фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста,
рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и
возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверх-
ности фотошаблона, световой поток отражается под углом от
его металлизированных непрозрачных участков и через про-
зрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.
Эти отражения светового потока приводят к нежелательно-
му дополнительному экспонированию участков слоя фоторезис-
та, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона.
Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффици-
ентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения
эффекта отражения при контактной фотолитографии исполь-
зуют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэф-
фициент отражения.
§ 8.	ПРОЯВЛЕНИЕ СЛОЯ ФОТОРЕЗИСТА.
СУШКА ПРОЯВЛЕННОГО РЕЛЬЕФА
Проявление, как уже отмечалось, заключается в удалении в зави-
симости от использованного типа фоторезиста экспонированных или
неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подло-
жек остается защитный рельеф - фоторезистивная маска требуемой
конфигурации.
Проявителями для негативных фоторезистов служат орга-
нические растворители: толуол, бензол, уайт-спирит, трихлор-
этилен, хлорбензол и др. Для проявления позитивных фоторе-
зистов используют слабые водные и водно-глицериновые раст-
воры щелочей: 0,3 — 0,6 %-ный раствор КОН, 1—2 %-ный раст-
вор тринатрийфосфата. При проявлении негативных фоторезис-
тов основными факторами являются полнота реакции полиме-
ризации фоторезиста при экспонировании, и тип проявителя,
а позитивных — концентрация проявителя и время проявления.
Кроме того, важным фактором при проявлении фоторезис-
тов является значение pH и температура проявителя. При изме-
нении pH всего на десятую долю процента размер элемента рель-
ефного рисунка может измениться на 10 %. С ростом темпе-
ратуры скорость проявления (скорость растворения фоторезис-
та в проявителе) растет и размеры проявленных участков уве-
личиваются.
31
Ь, мкм
10 20 JO 00 50 т/с
Рис. 13, Зависимости размеров
проявленных элементов рисунка
от температуры проявителя (1)
и времени проявления (2)
Рис. 14. Зависимость между вре-
менем экспонирования и време-
нем проявления, обеспечивающи-
ми наилучшую воспроизводимость
размеров проявленных элементов
рисунка:
1,3- области неустойчивых ре-
жимов, 2 область устойчивых
режимов
Зависимости ширины b (мкм) проявленных элементов в
слое фоторезиста ФП-383 толщиной 0,6 мкм от температуры
Т (°C) проявителя (0,5 %-ный раствор КОН — кривая 1) и вре-
мени t (с) проявления (кривая 2) и показаны на рис. 13.
Концентрация проявителя должна быть минимальна и обеспечи-
вать необходимую производительность процесса проявления. Уменьшение
концентрации щелочного проявителя увеличивает контраст проявле-
ния, стабилизирует процесс переноса изображения и снижает его дефект-
ность.
Для каждого фоторезиста существуют оптимальные сочета-
ния экспозиции (времени экспонирования) и времени прояв-
ления, обеспечивающие наилучшую воспроизводимость разме-
ров проявленных элементов рисунка. Увеличение экспозиции
уменьшает время проявления. При этом размеры проявленных
в позитивных фоторезистах элементов рисунков увеличивают-
ся, а в негативных — уменьшаются. При увеличении времени
проявления растет количество точечных дефектов в слое фото-
резиста и растравливание границ рисунка по контуру окон.
Типовое время проявления отечественных позитивных фоторезис-
тов 30 — 40 с, что позволяет согласовывать работу отдельных блоков ли-
ний фотолитографии н контролировать процесс проявления с большой
точностью.
32
Зависимость между временем экспонирования гэксп (с)
и временем проявления гпр (с), обеспечивающими наилучшую
воспроизводимость проявленных элементов рисунка, показана
на рис. 14. На участке 2 кривой, соответствующем устойчивому
воспроизведению размеров проявленного рисунка при неболь-
шом изменении одного из параметров, например /Эксп> проис-
ходят небольшие изменения другого параметра гПр. Участки
1 и 3 соответствуют неустойчивым режимам, так как незначи-
тельные изменения одного параметра вызывают большие изме-
нения другого.
Механизм проявления негативных фо-
торезистов основан на следующих процессах:
диффузии молекул проявителя в экспонированные и неэкс-
понированные участки слоя фоторезиста;
набухании неэкспонированных участков, их растворении
и переходе молекул полимера в объем проявителя;
формировании рельефа элементов рисунка;
удалении остатков фоторезиста с неэкспонированных участ-
ков;
испарении проявителя из объема экспонированных участков
фоторезиста и восстановлении первоначальных геометрических
размеров элементов рисунка.
Проявитель для негативных фоторезистов должен обладать,
с одной стороны, хорошей растворяющей способностью по
отношению к исходному полимерному материалу фоторезиста,
а с другой стороны, минимальным воздействием на экспони-
рованные участки слоя. Кроме того, проявитель должен вызы-
вать минимальное набухание экспонированных участков и,
следовательно, наименьшие искажения геометрических размеров
элементов рисунков. Набухание экспонированных участков
в основном зависит от количества поперечных связей и свойств
молекул сшитого полимера.
При недостаточной экспозиции облученные участки будут
либо полностью растворяться, либо набухать до такой степени,
что слой фоторезиста может оторваться от поверхности под-
ложки или настолько увеличиться в объеме, что соседние эле-
менты рисунка соединятся между собой. Поэтому правильность
выбора проявителя для негативных фоторезистов зависит не
только от необходимости получения минимальных размеров
элементов рисунка, но и от степени набухания экспонирован-
ных участков.
Негативные фоторезисты проявляют пульверизацией или
поливом. Эти методы обеспечивают чистоту процесса, хорошее
Удаление продуктов реакции и высокую производительность,
а также возможность объединения в едином цикле на одной
2-1075	33
установке
операций
проявления, промывки и сушки на цент-
РИ^ Метод пульверизации, называемый также дисперсионным,
обеспечивает качественное проявление слоя фоторезиста при
изготовлении ИМС с элементами малых размеров (менее
5 мкм) . При дисперсионном проявлении фоторезиста (рис. 15)
подложки подаются на столик центрифуги и удерживаются на
нем при вращении вакуумным присосом. При включении цент-
рифуги на подложки подается под давлением мелкодисперсная
струя проявителя. После проявления слоя фоторезиста подлож-
ки промывают водой и сушат.
Процесс проявления должен обеспечивать точное воспроизведе-
ние элементов рисунка фотошаблона, полное удаление растворенных
участков фоторезиста и отсутствие пор, проколов и других неудаляе-
мых дефектов.
При проявлении фоторезиста в его слое обнаруживаются
скрытые дефекты — посторонние включения, пылинки, микро-
частицы чистой смолы, которые создают микроучастки, обла-
дающие повышенной растворимостью. Эти дефекты могут
быть незаметны при нанесении слоя фоторезиста, но во время
проявления в результате повышенной растворимости на их
местах образуются поры и проколы. Плотность проколов зави-
сит от свойств и чистоты исходного фоторезиста, чистоты сре-
К насосу
Рис. 15. Схема полу-
автомата ППФ-2 дис-
персионного прояв-
ления фоторезиста:
1 - форсунка суш-
ки,? -пневматичес-
кие форсунки про-
явления и отмывки.
3 — платформа, 4
съемная крышка,
5 - ротор
34
дь! при формировании его слоя иа подложках, а также от его
толщины ( с уменьшением толщины слоя фоторезиста коли-
чество дефектов увеличивается).
При контроле проявленного рисунка под микроскопом
проверяют точность совмещения, размеры элементов рисунка
и качество их контура, плотность микродефектов. При неудов-
летворительном качестве проявленного рисунка фоторезист
следует удалить с подложки и повторить все операции.
Механизм проявления позитивных фо-
торе зистов заключается в образовании при химической
реакции растворимых соединений, которые вымываются при
проявлении. Структурная схема этой реакции приведена ниже:
При облучении ортонафтохинондиазид 7, входящий в состав
фоторезиста, расщепляется, в результате чего образуется инден-
кентен II, который интенсивно поглощает воду, и образуется ин-
денкарбоновая. кислота III. Наличием группы СООН в инденкар-
боиовой кислоте определяется выбор растворов, пригодных
для проявления (щелочи, аммиак и др.), с которыми эта кис-
лота образует легко растворимые в воде соли, вымываемые
При проявлении. Раствор при проявлении позитивных фоторе-
зистов обычно окрашивается в фиолетово-коричневый цвет.
Сушка — задубливание проявленных участков слоя фоторезиста
(сформированного рельефа рисунка) обеспечивает изменение в резуль-
тате полимеризации его структуры. Вследствие этого повышается стой-
кость слоя фоторезиста к действию травителей и улучшается его адге-
зия к подложке.
Задубливание слоя фоторезиста является второй сушкой и
отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более
высокой температурой. При повышенных температурах проис-
ходит пластическая деформация слоя фоторезиста: в зависимос-
ти от термопластичности входящей в его состав полимерной
°сновы затягиваются мелкие отверстия, поры и дефекты.
Так, температура сушки негативных фоторезистов на осно-
ве поливинилциннамата составляет 200 — 220 °C при времени
Выдержки до 1 ч. При более высоких температурах даже крат-
2**
ковременная сушка вызывает термическое разрушение слоя
фоторезиста: он приобретает коричневую окраску, поверхность
покрывается мелкими трещинами и рельеф полностью теряет
защитные свойства.
С ростом температуры сушки позитивных фоторезистов
на основе нафтохинон диазида и каучуков улучшается их ад-
гезия к подложке и увеличивается пластическая деформация.
Например, сушка при 200 — 240 ° С в течение 30 мин значитель-
но улучшает стойкость фоторезистивной маски к травлению,
особенно при фотолитографии на ф о сфорно-силикатном стек-
ле, к которому фоторезисты обычно имеют плохую адгезию.
Режим задубливания и характер повышения температуры
заметно влияют на точность передачи размеров элементов рисун-
ка. Так как резкий нагрев вызывает оплывание границ рисун-
ка, для точного формирования элементов малых размеров (1 —
2 мкм) повышать температуру следует плавно или ступенчато.
Для примера ниже приведен режим задубливания позитив-
ного фоторезиста ФП-383
10 — 15 мин — при комнатной температуре
5—6 мин—при 100 ° С
5 - 6 мин - при 130 °C ИК-сушкои
5—6 мин — при 150 ° С — 160 °C
Сушку — задубливание слоя фоторезиста выполняют на
том же оборудовании и теми же методами, что и первую сушку.
Толщину слоя фоторезиста контролируют после его прояв-
ления и термообработки (задубливания), измеряя высоту сту-
пеньки рельефа интерферометром МИИ-4.
Основные виды и причины брака. Частичное или полное уда-
ление слоя фоторезиста с подложки может быть вызвано ее
некачественной предварительной обработкой, что приводит
к плохой адгезии. Причиной этого дефекта может быть также
недодержка при экспонировании негативного фоторезиста или
передержка при экспонировании и перепроявление позитивного.
Плохо проявленный рисунок получают при использовании
некачественного фоторезиста, превышении температуры первой
сушки негативных фоторезистов и нарушении режима экспо-
нирования позитивных.
Двойной край или большой клин по краю рельефа может
быть вызван неоптимальным режимом экспонирования и прояв-
ления или недопустимо большим зазором между фотошабло-
ном и подложкой при экспонировании.
Неровный, зубчатый край рельефа обусловлен, как прави-
ло, загрязнением фотошаблона. В этом случае фотошаблон сле-
дует повторно очистить и проконтролировать режимы экспо-
нирования.
36
Множественные дефекты в слое фоторезиста в виде проко-
лов обусловлены следующими причинами: несоблюдением пра-
вил электронной гигиены при нанесении и сушке слоя и попа-
дании на него пыли; посторонними включениями в слой фото-
резиста (фоторезист неотфильтрован, неотцентрифугирован,
долго хранился); перепроявлением или уменьшением толщи-
ны слоя. При экспонировании негативных фоторезистов причи-
ной дефектов может быть уменьшение времени экспонирования.
Остатки фоторезиста в окнах в виде тонкого слоя или
отдельных островков объясняются недопроявлением, недоста-
точной дозой при экспонировании позитивных фоторезистов
или засветкой негативных.
Изменение размеров элементов рисунка происходит либо
из-за ошибки в экспозиции, либо нарушения режима проявле-
ния (температуры или концентрации проявителя, времени
проявления). Причиной этого дефекта может быть также неконт-
ролируемый зазор между подложкой и фотошаблоном при
экспонировании.
§9. ХИМИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТНАЯ ОБРАБОТКА ПОДЛОЖЕК
Заключительным этапом процесса фотолитографии является фор-
мирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологи-
ческом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической
или проводящей металлической пленке) травлением с последующими
удалением слоя фоторезиста й очисткой подложек. Эти операции осу-
ществляют химическим жидкостным или плазменным ’’сухим” трав-
лением.
В связи с тем что процессы травления являются завершаю-
щими в формировании элементов полупроводниковых прибо-
ров и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические
параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечи-
вать:
минимальные погрешности размеров элементов рисунка и
наименьшее количество дефектов;
полное удаление материала на участках, не защищенных
слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;
возможность управления режимами обработки.
Химическое жидкостное травление основано на растворении в хи-
мических реагентах не защищенных фото резистивной маской участ-
ков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии
и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической
реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.
Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии
37
и, кроме того, определяется составом травителя, его темпера-
турой, а также структурой технологического слоя»
Используемые химические травители должны обладать
следующими свойствами:
селективностью (избирательностью), т. е. способностью
активно растворять основной технологический слой, не взаи-
модействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащи-
ми слоями;
не образовывать продуктов реакции, способствующих от-
слаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и под-
травливанию;
допускать возможность подбора оптимальной для данных
условий скорости травления, обеспечивающей минимальную
плотность дефектов полученного рисунка.
Процесс химического жидкостного травления, как правило,
изотропен, т. е. имеет одинаковую скорость во всех направлени-
ях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста,
травятся не только вглубь, но и в стороны, т. е. происходит
так называемое боковое подтравливание, что приводит к изме-
нению линейных размеров элементов рисунка. По боковому
подтравливанию судят о качестве процесса травления и форми-
рованию клина травления. Изменение размеров элементов
рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.
При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может
проникать под него на значительное расстояние и в этом случае
боковое подтравливание I становится недопустимо большим.
При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин трав-
ления) имеет форму дуги (рис. 16, а). Клин травления зависит
от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста
к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости
его поверхности травителем,
В состав любого травителя, как правило, входят следующие
компоненты:
окислитель — для образования оксидов на поверхности
технологического слоя;
растворитель — для растворения и удаления образовавших-
ся оксидов;
замедлитель и ускоритель реакции.
Результатом процесса травления является полное стравли-
вание материала на участках, не защищенных фоторезистом.
Результат травления зависит от качества сформированного за-
щитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических
размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме
того, процесс травления, геометрические размеры получаемых
после травления элементов рисунка и клин травления опреде-
38
Рис. 16. Профили элементов рельефного рисунка после травле-
ния:
а - жидкостного, б ~ ионно-химического, в, г - плазмохимн-
ческого; I - слой фоторезиста, 2 - технологический слой
ляются типом травителя, температурой травления и толщиной
травящегося материала.
Травление технологических слоев. Наиболее широко в про-
цессах химического травления при фотолитографической обра-
ботке используют травители, представляющие собой слабые
кислотные растворы. В производстве полупроводниковых
приборов и ИМС большую часть фотолитографических процес-
сов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.
Для травления пленок диоксида крем-
ния SiO2 применяют плавиковую кислоту и травители на ее
основе. Процесс происходит по следующей реакции:
SiO2 +4HF SiF4T + 2Н2О
Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO2
применяют так называемый ’’буферный” травитель с замедля-
ющими добавками фторида аммония NH4F. В этом случае
процесс происходит по следующей реакции:
SiO2 + 4HF + 2NH4F (NH4)2 SiF6 + 2H2O
В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч. 48 %-ной
плавиковой кислоты, 7 ч. 40 %-ного водного фтористого аммо-
ния и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе
повышает скорость травления пленки SiO2, но при этом ухуд-
39
шается качество вытравленного рельефа. При увеличении кон-
центрации фтористого аммония уменьшается скорость травле-
ния и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная
температура травителя 20 °C. Повышение температуры трави-
теля увеличивает скорость травления, но ухудшает качество
рельефа.
Для травления пленок нитрида крем-
ния Si3N4 используют травитель на основе ортофосфорной
кислоты Н3РО4 с добавками фосфорного ангидрида P20s.
Оптимальная температура травителя до 180 — 200 °C. Так как
при травлении при высоких температурах резко снижаются за-
щитные свойства фоторезиста, пленку Si3N4 защищают тонким
слоем SiO2 (~ 0,2 мкм) . В этом случае травление сначала про-
водят в буферном травителе, а затем приступают к травлению
нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в ка-
честве защитной маски.
Окончание процесса травления устанавливают в момент
перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состоя-
ния в гидрофобное, т. е. когда обнажившийся кремний перес-
тает смачиваться травителем.
При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возмож-
ны различные виды брака, обусловленные следующими причи-
нами. Так, растравливание, характерным признаком которого
является появление интерференционных кругов под слоем
фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением
межоперационного времени хранения подложек, плохой ад-
гезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов
проявления и задубливания, завышенным временем травления,
некачественным травителем.
Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении
могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение
режима задубливания, увеличение межоперационного времени
хранения подложек.
Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит
из-за его сильного легирования и высокой поверхностной кон-
центрации примеси, попадания окислителей (например, HNO3)
в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой плен-
ки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет тол-
щину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание.
Тонкая (60 — 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах,
не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно
влиять на параметры последующих диффузионных слоев. При-
чинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное
время травления, а также неравномерное травление окон в
разных точках площади подложек.
40
При изготовлении металлизированной разводки и фор-
мирования контактных площадок фотолитографию проводят
по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, ни-
хрома и др.).
Для травления пленок алюминия приме-
няют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за
плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие
значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °)
травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при
фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок нега-
тивных фоторезистов используют 20 %-ный раствор КОН или
NaOH. При температуре 60 — 90 ° С травление происходит
с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности
контура рельефа до 0,5 — 1 мкм. Процесс протекает по следую-
щей реакции:
2А1 + 2NaOH + 6Н2О 2Na [А1(0Н)4] + 3H2t
При использовании в качестве масок позитивных фоторезис-
тов для травления алюминия используют травители на основе
ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей
реакции:
2А1 + 6Н3РО4 2А1(Н2РО4) з + ЗН21
Более часто применяют травитель, состоящий из смеси
ортофосфорной, азотной, уксусной кислот и воды.
Травление в кислотных травителях идет при температуре
около 40 °C и сопровождается бурным газовыделением, что
также приводит к неровностям контура рельефа.
Наилучшее качество травления получают, используя тра-
витель на основе хромового ангидрида Сг2О3, фторида аммо-
ния NH4F и воды. При комнатной температуре скорость трав-
ления составляет 0,7 мкм/мин. Кроме того, применяют трави-
тель, состоящий из хромового ангидрида Сг2О3, фторида ам-
мония NH4F, ацетата кадмия Cd (СН3СООН)2, водораствори-
мого крахмала и воды. При использовании этого травителя
не требуется нагрев, отсутствует газовыделение и неровность
контура рельефа не превышает 0,3 мкм.
При травлении пленок алюминия возможен такой брак,
как изменение (уменьшение) линейных размеров элементов,
что может быть вызвано следующими причинами: применением
некачественного фоторезиста; нарушением режима его задуб-
ливания или плохой адгезией к алюминию; увеличением меж-
операционного времени хранения; неправильным соотношением
компонентов в травителе; превышением температуры и вре-
мени травления; изменением размеров элементов рисунка
после проявления.	41
До обработки партии подложек проводят травление конт-
рольной подложки. При несоответствии размеров элементов
рисунка заданным необходимо прежде всего проверить режим
задубливания, качество проявленного рельефа, температуру
и состав травителя.
Иногда пленки алюминия при травлении окисляются и тем-
неют их отдельные участки, что можно объяснить электрохи-
мическими процессами, происходящими в системе Al - Si —
р-п-переход — травитель. Для устранения этого явления обрат-
ную и боковые стороны подложек покрывают фоторезистом,
чтобы изолировать их от травителя.
Остатки невытравленного алюминия в виде перемычек
могут привести к замыканию параллельных проводников одно-
го уровня. Причинами этого могут быть: некачественное прояв-
ление (недопроявление) слоя фоторезиста; нарушение режимов
его задубливания (заплывание фоторезиста при повышенной
температуре задубливания); дефекты в фотошаблоне. После-
дующим дотравливанием, как правило, не удается ликвиди-
ровать эти перемычки. Поэтому такой брак можно устранить
только повторной фотолитографией.
Для травления пленок золота приме-
няют смесь концентрированных соляной НС1 и азотной NHO3
кислот в соотношении 3 : 1 (царскую водку), а также трави-
тель, состоящий из йодистого калия К1, иода 12 и воды в соот-
ношении 4:1:1.
Для травления пленок серебра исполь-
зуют травитель, в который входят нитрат железа Fe (NO3)2,
раствор йодистого калия KI и иода 12 в воде.
Для травления пленок молибдена при-
меняют состав из ферроцианида калия, серной и азотной кислот
либо смесь ортофосфорной, азотной и уксусной кислот.
Для травления пленок тантала исполь-
зуют смесь нитрата железа, концентрированной плавиковой
и азотной кислот, а пленки нихрома травят в соля-
ной кислоте.
В полупроводниковых ИМС высокой степени интеграции
электрические соединения часто выполняют в виде многослой-
ной металлизации — двойных проводящих с л о-
е в (например, молибден — золото, титан — алюминий). В
этом случае рельеф вытравливают с помощью селективных тра-
вителей последовательно в двух различных составах: в первом
вытравливают пленку верхнего слоя, а во втором — нижнего.
Так, для получения рельефа в двухслойной системе молиб-
ден — золото, в которой нижний молибденный слой имеет
толщину 0,2 мкм, а верхний - слой золота - 0,4 мкм, подлож-
42
ки последовательно обрабатывают в травителях для золота
и молибдена. В травитель для золота входят этиленгликоль,
иодистый калий, иод и вода, а в травитель для молибдена —
этиленгликоль, азотная кислота и хлорное железо.
Основными параметрами режима травления, от которых зависят
как его скорость, так и воспроизводимость размеров получаемых рель-
ефов, являются время травления, температура н концентрация травите-
ля. Так, с повышением концентрации травильной смеси и температуры
скорость травления растет. Увеличение времени травления приводит
к боковому подтравливанню рисунка, причиной которого может быть
также рост температуры травителя.
Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистив-
ной маски подложки обрабатывают в горячих органических
растворителях (диметил формамиде, метил этил кето не, моноэта-
ноламине и др.) . При этом слой фоторезиста разбухает и вымы-
вается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от
степени его задубливания при второй термообработке.
При высоких температурах задубливания (более 140 —
150 °C) в слое фоторезиста происходят термореактивные пре-
вращения, в результате которых он теряет способность раство-
ряться в органических растворителях. В этом случае подложки
два-три раза кипятят по 5 — 10 мин в концентрированной сер-
ной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и пере-
кись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и раст-
воряется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в орга-
ническом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нель-
зя применять при фотолитографии по металлу.
Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных раст-
ворах поверхностно-активных веществ, например кипячением
5 — 10 мин в 30 %-ном растворе синтанола.
Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увели-
чить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с под-
ложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую
ванну с деионизованной водой. Время обработки при этом
уменьшается в 10 — 20 раз.
Для удаления позитивных фоторезистов, температура суш-
ки которых не превышает 95 °C, подложки предварительно
облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохи-
нондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, кото-
рые легко удаляются в органических растворителях.
После химического удаления слоя фоторезиста подложки
тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицатель-
но сказаться на таких последующих технологических операциях,
как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др- Кроме
43
того, необходимо качественно очищать поверхность подложек
от загрязнений, вносимых при фотолитографии.
Химическую обработку проводят на установках, входящих
в комплекс универсального оборудования, предназначенного
для очистки подложек перед первым окислением, травления
оксидных металлических и полупроводниковых пленок, а
также удаления слоя фоторезиста и последующей гидромеха-
нической отмывки подложек деионизованной водой. Все эти
операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных
нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после
окончания технологического процесса.
Несмотря на широкое использование, химические жид-
костные методы обработки (травление технологических слоев
и удаление фоторезиста) имеют ряд недостатков, основными
из которых являются невысокая разрешающая способность
и изотропность процессов травления, трудность их автомати-
зации и появление загрязнений на поверхности подложек, что
ограничивает возможности фотолитографии.
§ 10. ХИМИЧЕСКАЯ "СУХАЯ" ОБРАБОТКА ПОДЛОЖЕК
При изготовлении ИМС высокой степени интеграции, разме-
ры элементов которых достигают долей микрометра, жидкост-
ные методы травления не могут быть использованы из-за их
недостатков. Более эффективны при этом ’’сухие” методы
обработки, основанные на взаимодействии газоразрядной плаз-
мы с поверхностным слоем подложек.
При ’’сухих” методах нет бокового подтравливания, харак-
терного для химического жидкостного травления (см. рис.
16, а), поэтому клин травления уменьшается и вертикальный
профиль рельефного рисунка элементов приближается к идеаль-
ному (см. рис. 16, б — г). Кроме того, ’’сухое” травление слабо
зависит от адгезии защитной маски фоторезиста к подложкам,
которые после обработки не требуют последующих операций
промывки и сушки.
Существует три метода ’’сухого” травления: ионное (ИТ),
ионно-химическое (ИХТ) и плазмохимическое (ПХТ).
Ионное травление основано на физическом разру-
шении технологического слоя, нанесенного на подложки, бом-
бардировкой ионами инертного газа (аргона, ксенона, гелия)
и подразделяется на ионно-лучевое (ИЛТ) и ионно-плазменное
(ИПТ).
При ионно-лучевом травлении источником ионов служит
специальная ионная пушка, из которой их вытягивают мощным
электрическим полем. Процесс проводят в реакторе при низ-
ком давлении (10“3 - КГ2 Па).
44
При ионно-плазме ином травлении подложки помещают
на отрицательный электрод — катод газоразрядного устройства
и бомбардируют положительными ионами ВЧ-плазмы. Процесс
проводят также при низком давлении (0,1 — 10 Па).
Ионным травлением обрабатывают пленки диэлектриков
(SiO2, Si3N4, А12О3), металлов (Al, Au, Pt, Ti, Ni и др.), a
также фоторезистивные маски. Так как скорость ионного
травления большинства пленок соизмерима со скоростью трав-
ления фоторезистивных масок, толщина масок должна быть
1,3 - 1,7 мкм (при химической жидкостной обработке она равна
02 - 0,3 мкм). Увеличение толщины слоя фоторезиста снижает
разрешающую способность процесса фотолитографии. Поэтому
в качестве масок рекомендуется использовать пленки метал-
лов, имеющие малые скорости травления (например, пленки
Ti, V, С г, Та, А1) и легко удаляемые в слабых кислотных раст-
ворах.
Схема ионно-лучевого травления с применением металли-
ческой маски показана на рис. 17, а — д.
На первой стадии выполняют фотолитографию через маску
фоторезиста по пленке металла, в которой химическим травле-
нием формируют рельефную металлическую маску (рис. 17,
а - в). На второй стадии через полученную металлическую мас-
ку проводят ионно-лучевое травление технологического слоя
диэлектрика (рис. 17, г), формируя необходимые структуры
(рис. 17, д).
Основными недостатками ионного травления являются низкая
селективность, высокие радиационное и тепловое воздействия, при ко-
Рис. 17. Схема ионно-лучевого травления с металлической маской:
а - экспонирование, б - проявление фоторезиста, в - формирова-
ние металлической маски химическим травлением, г ~ ионно-лу-
чевое травление диэлектрика, д - сформированная структура; 1 -
ультрафиолетовое излучение, 2 ~ фотошаблон, 3 - позитивный фото-
резист, 4 - металлическая маска, 5 - диэлектрик (металлизация),
6 - подложка, 7 - поток ионоц
45
торых в формируемые структуры вносят дефекты, а также загрязнение
подложек частицами удаляемого материала.
Ионно-химическое травление отличается
от ионного тем, что технологический слой, нанесенный на под-
ложки, бомбардируется ионами химически активных газов
(O2,N2 или галогенов). Ионно-химическое травление характе-
ризуется сочетанием физического (бомбардировки) и химичес-
кого (ускоренные ионы реакционно-активных газов) воздей-
ствия на поверхности обрабатываемых подложек. Ионно-хими-
ческое травление подразделяется на реактивное ионно-луче-
вое (РИЛТ) и реактивное ионно-плазменное (РИПТ).
Реактивное ионно-лучевое травление выполняют пучком
ионов химически активных газов, вытягиваемых из ионной
пушки. Реактивное ионно-плазменное травление происходит
в плазме газового разряда этих газов. При этом подложки,
расположенные на отрицательном электроде — катоде, бом-
бардируются положительными ионами плазмы, образующей-
ся при высокочастотном или дуговом разряде.
Процессы ионно-химического травления проводят при
низком давлении (0,1 — 1 Па).
Схемы реактивного ионно-лучевого и ионно-плазменно-
го травления показаны на рис. 18, а, б.
Плазмохимическое травление осно-
вано на химическом разрушении технологического слоя, нане-
сенного на подложки, ионами активных газов и радикалов,
образующихся в газоразрядной плазме. В качестве рабочего
Рис. 18. Схемы реактивного ионно-лучевого (д) и ионно-плазмен-
ного (6) высокочастотного травления:
1 — подложкодержатель, 2 - эмиттер электронов (нейтрализатор),
3 - источник ионов, 4 - анод, 5 - ионы активного газа, 6 — темное
пространство, 7 - подложка, 3 - катод
46
газа обычно используют такие галогеносодержащие газы, как
CF4, C3F8, CHF3 и СС13, радикалы которых активно участ-
вуют в процессе травления. Под воздействием ВЧ-плазмы об-
разуются активные радикалы, например фтора:
вч L.,
CF4 CF2 + 2F*
которые вступают во взаимодействие с обрабатываемым техно-
логическим слоем, например пленкой кремния, его диоксида
или нитрида:
4F+ + Si -+ SiF4T
4F+ + SiO2 SiF4t + O2T
2F+ + Si3N4 -+ 3SiF4t + N2t
Плазмохимическое травление может протекать при хаоти-
ческом воздействии активных частиц (рис. 19, а), но лучше,
чтобы они имели направленное движение, при котором про-
цесс становится анизотропным (рис. 19, б) и практически не
возникает клин травления. Чтобы происходило анизотропное
травление, давление в реакторе должно быть не более 10 Па.
При этом в рабочий газ добавляют небольшое количество водо-
рода.
Недостатками плазмохимического травления являются трудность
контроля клина травления.
Достоинством ионно-химического и плазмохимического
травления по сравнению с ионным является большая скорость
обработки, обусловленная сочетанием физического (бомбарди-
ровка) и химического (активный газ) воздействий. Создание
в реакторах магнитного поля увеличивает скорость и селектив-
Рис. 19. Схемы плазменного травления поверхности при хаотичес-
ком воздействии активных частиц (а) и анизотропном процессе
(б):
1 - ионы, 2 - радикалы, 3 - электроны, 4 - маска, 5 - подложка
47
ность любого из этих методов травления в результате повы-
шения ионизации молекул рабочего газа.
В электронной промышленности ’’сухое” прецизионное
травление выполняют на установках высокого и низкого дав-
ления (рис. 20, а, б).
Основными преимуществами ’’сухих” методов обработки при фото-
литографии являются возможности удаления фоторезистивной маски
после травления в едином технологическом цикле, а также очистки
подложек от остатков фоторезиста и других загрязнений.
Для удаления фоторезиста используют низкотемператур-
ную (150 — 200 °C) плазму кислорода при давлении (1^5) х
х 102 Па и мощности ВЧ-разряда 0,7 — 1 кВт. При такой темпе-
ратуре ионы кислорода активно окисляют слой фоторезиста,
в результате чего образуются летучие соединения СО2, NO2,
Н2О и др. Скорость удаления слоя фоторезиста зависит от
давления кислорода, ВЧ-мощности и лежит в пределах 0,05 —
0,3 мкм/мин. Длительность обработки подложек обычно сос-
тавляет! — 1,5 мин.
Достоинством ’’сухой” обработки фоторезиста является
слабая зависимость процесса его удаления от предшествующих
режимов термообработки (задубливания). Кроме того, ’’сухие”
методы обеспечивают высокую чистоту подложек и неток-
сичны. Недостатком этих методов являются невозможность
удаления посторонних металлических включений, которые
могут быть в слое фоторезиста (их удаляют дополнительной
обработкой подложек в растворах кислот).
Рис. 20. Схемы установок плазмохимического травления высокого
(а) и низкого (б) давления:
1 - кварцевая труба, 2 - индуктор, 3 - перфорированный цилиндр,
4 - подложкодержатель, 5 - ВЧ-электрод, 6 - подложки
48
К вакуумной системе
t)
§ 11. ПРОЕКЦИОННАЯ ФОТОЛИТОГРАФИЯ
При проекционной литографии изображение с фотошаблона перено-
сится (проецируется) на полупроводниковую подложку с помощью
оптических систем - проекционных объективов. Разрешающая способ-
ность проекционной фотолитографии 0,6 - 0,8 мкм.
Загрузка подложек
Рис. 21. Схема установки проекционной фотолитогра-
фии без изменения масштаба переноса изображения:
7, 75 - метки координат х, у и углового разворота на
подложке, 2 - проекционный объектив, 3 - фотошаб-
лон, 4, 12 - метки углового разворота и координат
х, у на фотошаблоне, 5, 77 - приводы углового раз-
ворота и перемещения фотошаблона, 6, 10 - фотоэлек-
трические микроскопы углового разворота и коорди-
нат х, у фотошаблона, 7 - блок программного управ-
ления, 8 - источник освещения для экспонирования,
9 - высокоскоростной затвор, 13 - полупроводниковая
подложка, 14 - предметный столик	49
Метод проекционной фотолитографии имеет несколько
вариантов, которые отличаются масштабами переноса изображе-
ния и способами заполнения рабочего поля подложки.
Так, при масштабе 1 : 1 изображение с фотошаблона пере-
носится с помощью проекционной системы на подложку без
изменения размеров элементов (рис. 21). Экспонирование мо-
жет осуществляться сразу всего рабочего поля подложки или
последовательным его сканированием.
При проекционной фотолитографии с уменьшением мас-
штаба (обычно 10 : 1 или 5 : 1) единичное изображение перено-
сится с фотошаблона на рабочее поле подложки последователь-
ной мультипликацией.
При проекционной фотолитографии, как и при контакт-
ной, необходимо точно совмещать фотошаблон с подложкой,
для чего служат специальные фигуры — метки совмещения.
В проекционных системах операция совмещения, как пра-
вило, выполняется автоматически с помощью фотоэлектричес-
кого микроскопа, который регистрирует сигнал, поступающий
от метки совмещения на подложке, и сравнивает его с сигналом,
поступающим от такой же метки на фотошаблоне. Для сов-
мещения меток координатная система перемещает подложку
и фотошаблон, а также поворачивает фотошаблон относитель-
но оси проекции.
При совмещении меток сигналы равны, а при их смещении
возникает разностный сигнал, который поступает в исполнитель-
ный механизм системы совмещения, обеспечивающий взаимные
перемещения фотошаблона и подложки.
Для совмещения элементов изображений на подложку
наносят две группы меток совмещения (рис. 22), одна из кото-
рых х и уг определяет взаимное положение фотошаблона и
подложки по координатам, а вторая у2 служит для коррекции
угловой ошибки разворота фотошаблона относительно коор-
динатных осей подложки. Из рис. 22 видно, что метки на под-
ложке как бы рассматриваются фотоэлектрическим микроско-
пом через соответствующие окна в фотошаблоне. Положению
Рис. 22. Метки автоматического совмеще-
ния:
1, 4, 6 - метки л, и на подложке,
2, 3, 5 - считывающие окна
50
точного совмещения соответствует симметричное располо-
жение всех меток на подложке относительно окон на фотошаб-
лоне.
Процесс совмещения начинается с ’’захвата” меток систе-
мой наблюдения фотоэлектрического микроскопа, при котором
их изображение на подложке попадает в окна фотошаблона и
возникает разностный сигнал в каналах совмещения. При этом
система совмещения предварительно совмещает фотошаблон и
подложку по координатам в соответствии с метками, а затем,
выполняя угловую коррекцию по метке у2, поворачивает фото-
шаблон относительно меток х и yt.
Рис. 23. Схема установки мультипликации с совмещением:
7, 75 - приводы стола по осям х и у, 2, 14 - лазерные интер-
ферометры по осям х и у, 3 - координатный стол, 4, 5 - по-
лупроводниковая подложка и упоры для ее ориентации, 6 ~
система фокусировки, 7 - проекционный объектив, 8 -
столик с промежуточным фотошаблоном, 9 - источник света,
10 - затвор, 77 - актиничное излучение, 12 - устройство
совмещения меток промежуточного фотошаблона и подлож-
ки, 13 - управляющая Э₽М
Я
г
Наиболее совершенным и перспективным вариантом метода
проекционной фотолитографии является помодульный перенос
изображения на подложки с промежуточных фотошаблонов
(рис. 23). Совмещение модулей проводится по меткам, пред-
варительно нанесенным на подложку, что обеспечивает высо-
кую точность (ошибка совмещения не превышает 0,1 —
0,2 мкм). При помодульном совмещении уменьшается влияние
изменения температуры и геометрических искажений подложки
на точность передаваемого изображения.
Помодульный перенос изображения наряду с повышением
точности передаваемого рисунка элементов обеспечивает сниже-
ние плотности дефектов, вносимых в формируемую на слое
фоторезиста маску. Это в первую очередь обусловлено тем,
что исключается контакт фотошаблона с подложкой. Кроме
того, дефекты и загрязнения, значительно меньшие элементов
изображения, не переносятся с промежуточного фотошаблона
на слой фоторезиста, как это происходит при переносе изоб-
ражения с сохранением масштаба.
Основной задачей проекционной фотолитографии является обеспе-
чение автоматического совмещения, которое осуществляется нанесением
специальных меток совмещения на подложки.
Обычно эти метки имеют форму в виде канавок травле-
ния, на которых рассеивается (поглощается) падающий пучок
света и создается их оптический контраст по отношению к ок-
ружающему полю.
Если исходная полупроводниковая подложка ориентиро-
вана в плоскости (100), метки в виде V-образных канавок
(рис. 24, а) получают селективным травлением кремния в
Рис. 24. Метки совмещения:
а - V-образная, б - бочкообразная; /, II - области рассеяния и
отражения пучка света
52
5 %-ном расторе КОН через маску диоксида кремния. При трав-
лении канавка ограняется плоскостями (111), которые по
сравнению с другими кристаллографическими плоскостями
обладают очень малой скоростью травления. При другой ори-
ентации полупроводниковой подложки, например (111), метки
совмещения заданного профиля (рис. 24, б) получают плазмо-
химическим травлением при специальных режимах.
Сохранение во всем цикле создания ИМС оптического контраста
метки, определяемого в основном ее формой, является важнейшей
задачей проекционной фотолитографии.
После завершения операции совмещения выполняются ав-
тофокусировка, а также экспонирование, при котором открыва-
ется затвор и изображение с промежуточного фотошаблона через
проекционный объектив переносится на слой фоторезиста
полупроводниковой подложки. Затем координатный стол с
полупроводниковой подложкой перемещается в новое положе-
ние на шаг по оси х или у и начинается новый цикл.
При работе установки по программе, введенной в блок
управления ЭВМ, осуществляется ’’опрос” всех меток совме-
щения на полупроводниковой подложке и впечатывание изоб-
ражения единичного модуля, т. е. его размножение — мульти-
пликация по рабочему полю.
Достоинство проекционной литографии по сравнению с контакт-
ной состоит прежде всего в том, что исключается контакт фотошаблона
и полупроводниковой подложки, приводящий к образованию в них де-
фектов, кроме того, обеспечивается более низкая плотность дефектов
в формируемой маске фоторезиста.
В современной проекционной фотолитографии используют-
ся оптические системы, работающие в условиях дифракцион-
ных ограничений. Это означает, что конструкция и технология
изготовления проекционных объективов настолько совершен-
ны, что их характеристики (разрешающая способность, точ-
ность воспроизведения размеров элементов) в основном опре-
деляются дифракционными эффектами, обусловленными зна-
чениями апертур, а не аберрациями.
Важнейшим параметром, характеризующим фотолитографи-
ческие характеристики проекционного объектива, является
числовая апертура NA = и sin а (где п — коэффициент преломле-
ния среды в пространстве изображения; в воздухе п — 1;
а — половина максимального угла расходимости лучей, прихо-
дящих в точку изображения на оптической оси проекционной
системы).
Для устранения хроматических аберраций используют
53
мощный источник монохроматического актиничного света,
в качестве которого может служить ртутная лампа сверхвысо-
кого давления ДРШ-350 или ДРШ-500 (буквы обозначают Д —
дуговая, Р — ртутная, III — шаровая, а цифры указывают номи-
нальную электрическую мощность). Создают монохроматичес-
кое излучение с помощью специальных монохроматических
полосовых фильтров и избирательно отражающих зеркал.
Схема осветительной системы проекционной установки
показана на рис. 25. Сотовый конденсор 4 значительно увели-
чивает равномерность освещенности по полю, так как каждая
его линзочка проецирует попадающий на нее световой поток на
все поле засветки. Таким образом неравномерный световой
поток от лампы усредняется и выравнивается. Зеркало 5 с
селективно отражающим покрытием пропускает тепловые лучи,
но эффективно отражает ультрафиолетовое излучение, что
способствует защите проекционной системы от мощного тепло-
вого потока, выделяемого лампой.
В условиях монохроматического и когерентного освеще-
ния разрешающая способность проекционной системы Z>mjn ~
3X/(2NA), где X — длина волны актиничного излучения. Из
этой формулы видно, что чем меньше длина волны актинич-
ного излучения и больше числовая апертура объектива, тем
выше его разрешающая способность, т. е. меньше размер пере-
даваемого элемента изображения.
Существует еще один параметр проекционной системы ~
12	3	4	5
Рис. 25. Схема осветительной системы проекционной
установки:
1 - эллиптический отражатель, 2 - источник УФ-из-
лучения, 3 ~ защитное стекло, 4 ~ сотовый конденсор
типа ’’мушиный глаз”, 5 — селективно отражающее
зеркало, б - полосовой фильтр, 7 - конденсорная линза

^.ее глубина резкости. Для компенсации аберраций оптической
t системы, искривления поверхности полупроводниковых под-
ложек и изменения толщины слоя фоторезиста на их поверх-
ности из-за сформированного технологического рельефа необ-
ходима вполне определенная (по возможности наибольшая)
' глубина резкости 6 = X/ [2(ЛС4)2] . Из этой формулы видно,
 что чем больше числовая апертура, а это необходимо для увели-
 чения разрешающей способности проекционной системы, тем
/ меньше ее глубина резкости.
Неправильная фокусировка может существенно влиять
< на качество передачи изображения проекционным методом.
Поэтому проекционные установки снабжают высокоточными
(устройствами автофокусировки с точностью установки фокус-
J кого расстояния не хуже ± 0,2 мкм.
Правильная фокусировка, а также точная доза экспозиции - обя-
зательные условия прецизионного переноса изображения на слой фото-
| резиста при проекционной фотолитографии.
J Таким образом, видно, что необходим компромисс между
| разрешающей способностью, глубиной резкости, полем изоб-
ражения и выбором числовой апертуры объектива.
Характеристики проекционного объектива установки проек-
ционной фотолитографии приведены в табл. 2.
£г,
:Табли ца2. Характеристики проекционного объектива установки
< проекционной фотолитографии
Характеристика
Числовая пертура
	0,25	0,35	0,4
Предельная разрешающая способ- ность при X =436 нм, мкм: теоретическая		0,87	0,62	0,5
реальная на слое фоторезис- та толщиной 1 мкм		1,6	1,2	0,8 - 1,0
Глубина резкости, мкм		3,5	2,1	1,4
Площадь поля модуля, мм		20 х 20	12 х 12	8x8
Одним из способов получения наиболее высокой разрешаю-
щей способности проекционных систем при постоянной чис-
ловой апертуре является уменьшение длины волны актинично-
го излучения. Обычно в проекционных системах используют
монохроматическое излучение с длиной волны от 400 до 440 нм.
1 С одной стороны, при создании объективов, предназначенных
I	55
для работы при более коротковолновом излучении, возникают
значительные трудности, обусловленные возрастанием коэффи-
циентов поглощения оптических стекол. С другой стороны,
разрешающая способность проекционных оптических систем
при уменьшении длины волны излучения повышается, так
как более коротким длинам волн соответствуют меньшие абер-
рационные искажения.
Реальные результаты при использовании проекционных
систем во многом определяются технологическими факторами,
к которым в первую очередь необходимо отнести толщину
слоя фоторезиста, равномерность его нанесения по рабочему
полю полупроводниковых подложек и их плоскостность.
Проекционная фотолитография является одним из наиболее техно-
логичных и перспективных методов переноса изображения. Использова-
ние в дальнейшем для экспонирования лазерных источников актинично-
го излучения должно позволить получать элементы рисунков, имеющие
размеры 0,5 — 0,6 мкм.
В настоящее время созданы полностью автоматизированные
установки проекционной фотолитографии, которые можно
встраивать в автоматизированные линии, что устраняет загряз-
няющее влияние окружающей среды и оператора, т. е. резко
снижает уровень вносимых дефектов, в результате чего повы-
шается эффективность производства.
§ 12. ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ФОТОЛИТОГРАФИИ
При переносе изображения с фотошаблона на слой фото-
резиста дифракция на краях маски фотошаблона вызывает
искажение элементов рисунка, формируемого на слое фоторе-
зиста. Из общего курса физики известно, что свет, обладая вол-
новой природой, претерпевает дифракционное перераспределе-
ние на освещаемом объекте. В качестве такого объекта при
контактной фотолитографии выступает фотошаблон. При про-
екционной фотолитографии следует также учитывать искажения
светового фронта, возникающие при передаче изображения
через проекционный объектив.
Зависимость разрешающей способности объектива от его
числовой апертуры была кратко рассмотрена в предыдущем
параграфе, поэтому остановимся только на чисто дифракцион-
ных явлениях, возникающих в системе фотошаблон — слой
фоторезиста на полупроводниковой подложке. При этом следует
знать, что между фотошаблоном и подложкой даже при контак-
те всегда имеется некоторый зазор z, обусловленный их взаим-
ной неплоскостностью. Необходимо также принимать в расчет
56
толщину слоя фоторезиста, так как при воспроизведении эле-
ментов малых размеров она соизмерима с ними.
Схема переноса изображения при контактной фотолито-
графии показана на рис. 26, д. Одним из факторов, ограничи-
вающих разрешающую способность, является дифракция ак-
тиничного излучения при прохождении его через светлые участ-
ки (окна) в маскирующем слое фоторезиста. Перераспреде-
ление интенсивности I актиничного излучения на поверхности
фоторезиста после прохождения через фотошаблон с рисунком
в виде периодической решетки с прозрачными и непрозрач-
ными участками равной ширины b показана на рис. 26, б. При
зазоре между шаблоном и подложкой в условиях освещения
параллельным пучком света минимальный размер
^min — 3/2 (z + h /2) ,
1
д)
Рис. 26. Схема переноса изображения при контактной фото-
литографии (а) и перераспределение интенсивности актинич-
ного излучения на поверхности фоторезиста (б) :
1 - поток актиничного (ультрафиолетового) излучения,
2 - стеклянный фотошаблон, 3 - рисунок в маскирующем
слое фотошаблона, 4 — слой фоторезиста, 5 - полупроводни-
ковая подложка; /, 11 - зоны идеальной и фактической с
учетом дифракции передачи изображения
57
где X — длина волны актиничного излучения; h — толщина
слоя фоторезиста.
Обычно фоторезисты чувствительны в области длин волн
примерно 0,4 мкм. При толщине его слоя около 1 мкм и зазоре
z = 0 (жесткий контакт) минимальный размер переносимого
элемента ~ 0,7 мкм. Разрешающую способность можно
увеличить, уменьшив толщину слоя фоторезиста. В реальных
условиях зазор z значительно отличается от нуля, что приводит
к более сложной зависимости разрешающей способности. Так,
на дифракционное перераспределение интенсивности излуче-
ния существенно влияет размер переносимого элемента.
Дифракционные эффекты. В теории дифракции выделены
три случая дифракционного перераспределения актиничного
излучения при прохождении его через отверстие в экране. Основ-
ным критерием является волновой параметр
P-JK/D,
где z — расстояние до плоскости наблюдения (в нашем случае —
зазор между фотошаблоном и подложкой); D — размер элемен-
та на фотошаблоне.
Рассмотрим три случая дифракционного перераспределения
интенсивности излучения в зависимости от значения волнового
параметра Р.
Случай Френеля (Р < 1) реализуется, когда раз-
меры D топологических элементов достаточно велики и мал
зазор z фотошаблон — подложка (плотный контакт) или мала
длина волны актиничного излучения (коротковолновое излу-
чение — ультрафиолетовое, рентгеновское). При этом дифрак-
ционное перераспределение занимает малую пограничную об-
ласть (рис. 27, а), а искажения интенсивности засветки и формы
элемента минимальны.
Рис. 27. Дифракционное перераспределение интенсивности актинич-
ного излучения в зависимости от значения волнового параметра Р:
а ~ случай Френеля, б ~ переходный случай, в - случай Фраунго-
фера: 1 - экран (шаблон), 2 - область засветки, 3 - пограничная
область
58
Переходный случай (Р ~ 1) характеризуется
f. тем, что дифракционная картина занимает всю область засвет-
| ки и искажения формы элемента могут достигать максималь-
I ных значений (рис. 27, б).
| Случай Фраунгофера (Р>1) реализуется при
|7малых размерах элементов или большом зазоре между фото-
£ шаблоном и подложкой. Максимальное искажение интенсив-
ности засветки сопровождается тем, что ее максимум всегда
| лежит в центре. Можно подобрать такие условия экспониро-
| вания, при которых элементы переносятся с небольшими иска-
жениями размеров при фиксированном зазоре — фотолитогра-
:|фия на зазоре (рис, 27, в). При этом зазор и расходимость пуч-
| ка света от источника актиничного излучения должны быть
I строго фиксированными.
{Эффекты геометрической оптики. Основной фактор, огра-
ничивающий разрешающую способность контактной фотолито-
графии, обусловлен расходимостью пучка актиничного излуче-
J ния в системе экспонирования и многократными его отражени-
t ями от поверхностей фотошаблона и слоя фоторезиста.
| Изменение размера переносимого элемента при расходи-
t мости пучка актиничного излучения при экспонировании пока-
J зано на рис. 28. При наличии зазора z мжру фотошаблоном и
I подложкой наблюдается по сравнению с фотошаблоном увели-
Рис. 28. Изменение размера пере-
 носимого элемента при расходимос-
ти пучка актиничного излучения в
системе экспонирования и зазоре
между фотошаблоном и подлож-
кой:
1 - поток актиничного излучения,
2 - фотошаблон, 3 ~ слой фото-
резиста, 4 ~ подложка
Рис. 29. Многократные отра-
жения в системе фотошаб-
лон — слой фоторезиста:
1 - расходящийся пучок
актиничного излучения, 2 -
область паразитной засветки,
3 - фотошаблон, 4 - слой
фоторезиста, 5 - подложка
59
чение светлых (экспонируемых) областей D до Dv, пропорцио-
нальное углу расходимости а пучка актиничного излучения и
равное 2za. Применение специальных конденсорных систем
освещения позволяет строго контролировать угол расходи-
мости.
Пучок света, прошедший через окно в фотошаблоне под
углом, отличающимся от прямого по отношению к поверхности
слоя фоторезиста, многократно отражается в системе фотошаб-
лон — слой фоторезиста (рис. 29), что вызывает паразитное экс-
понирование дополнительной области и приводит к изменению
размеров элементов.
Для уменьшения влияния этого явления на хромовый
маскирующий слой фотошаблона наносят специальные опти-
ческие низкоотражающие покрытия в виде пленок оксидов
хрома, имеющие соответствующую интерференционную окрас-
ку. Коэффициент отражения используемого в качестве маски-
рующего покрытия фотошаблонов слоя хрома для актиничного
излучения с длиной волны X =436 нм примерно равен 0,65 —
0,75, а низкоотражающих покрытий (’’золотой” или ’’черный”
хром) составляет 0,05 — 0,08. Это резко снижает паразитную
засветку и увеличивает прецизионность при переносе изобра-
жений.
Применение в качестве маскирующего слоя фотошаблона
пленки оксида железа также повышает разрешающую способ-
ность, так как ее коэффициент отражения примерно равен
0,25-0,3.
Интерференционные эффекты. Слой фоторезиста на подлож-
ке можно рассматривать как однородный оптический слой
на отражающей поверхности. Известно, что такие слои в зави-
симости от толщины при освещении белым светом имеют харак-
терную интерференционную окраску, обусловленную интерфе-
ренционным погасанием определенных длин волн. Это явление
многократно наблюдается в повседневной жизни (например,
радужная окраска пятен масла или бензина в луже).
Актиничное излучение, используемое в проекционной
фотолитографии, близко по спектральному составу к монохро-
Рис. 30. Стоячая волна в слое фото-
резиста:
1 - слой фоторезиста, 2 - отражаю-
щая подложка, 3, 4 - падающая
и отраженная волны актиничного из-
лучения, 5 — распределение дозы
актиничного излучения по слою по-
зитивного фоторезиста, 6 ~ клин
проявления фоторезиста
60
? магическому. При экспонировании фоторезиста пучком моно-
хроматического света в его слое возникает стоячая волна
(рис. 30), обусловленная взаимодействием (интерференцией)
падающей волны и отраженной от границы раздела фоторезист —
подложка.
Если фоторезист нанесен на слой диэлектрика, это явление
может быть более сложным, так как отражение волны излуче-
ния происходит на границе диэлектрик — подложка. Взаимодей-
ствуя, падающая и отраженная волны приводят к перераспре-
делению интенсивности засветки в слое фоторезиста, что вызы-
вает как бы послойное усиление и ослабление экспонирования.
Причем, как уже отмечалось, эта картина будет изменяться в
 зависимости от толщины и оптических характеристик слоя
фоторезиста и диэлектрика.
' Для получения воспроизводимых результатов при проек-
ционной фотолитографии особенно важно, чтобы слои фоторе-
" зиста и диэлектриков было высокооднородными по толщине.
Такие слои контролируют по одинаковой окраске, рассмат-
ривая ИХ' под углом в белом свете. Допустима окраска по всей
; подложке в один цвет с тональным переходом (например,
голубой — светло-голубой). При трех цветовых оттенках и
более слои фоторезиста не отвечают необходимым требова-
ниям.
Таким образом, учитывая, что при фотолитографии большую роль
играют дифракционные и интерференционные явления, для увеличения
ее прецизионности и разрешающей способности необходимо, чтобы тол-
щина слоя фоторезиста и длина волны актиничного света были минималь-
ны. Кроме того, при контактной фотолитографии следует использовать
фотошаблоны с маскирующим слоем, обладающим малой отражаю-
щей способностью, а зазор между ними и подложками должен быть
минимален. При проекционной фотолитографии следует обеспечивать
высокую равномерность слоя фоторезиста и нижележащих слоев ди-
электриков.
§ 13. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
ФОТОЛИТОГРАФИИ
При проведении процесса фотолитографии в зависимости
от особенностей используемых материалов и размеров топологи-
ческих элементов устанавливаются определенные режимы вы-
полнения отдельных операций. Такими операциями являются
нанесение слоя фоторезиста, его первая термообработка (суш-
ка), экспонирование, проявление и вторая термообработка
(задубливание).
Толщина слоя фоторезиста зависит как от его характерис-
61
тик (вязкости, поверхностного натяжения, содержания сухого
остатка и др.), так и режимов нанесения. В любом случае необ-
ходимо, чтобы слой фоторезиста был максимально допустимой
толщины, что обеспечивает его низкую дефектность и хорошие
маскирующие свойства на рельефной поверхности подложки.
Режим нанесения слоя фоторезиста устанавливают исходя из
возможности получения наибольшей его равномерности при
заданной толщине. Очень важно, особенно при проекционной
фотолитографии, поддерживать режим нанесения слоя фоторе-
зиста в строгих технологических пределах.
Первой термообработкой, или как ее часто называют суш-
кой, определяются фототехнические характеристики нанесен-
ного на подложку слоя фоторезиста.
Устанавливают температуру и длительность сушки такими,
чтобы обеспечивалась необходимая прочность и адгезия слоя
фоторезиста при операциях совмещения, экспонирования и
проявления. В то же время термообработка не должна сильно
изменять светочувствительность слоя фоторезиста. При высо-
ких температурах и длительном времени сушки происходит
тепловое разложение (термолиз) светочувствительной компо-
ненты и удаление остатков воды из слоя фоторезиста, что резко
повышает время его проявления и ухудшает контрастность.
Так как время и температура сушки существенно зависят
также от типа фоторезиста и толщины его слоя, необходимо
в процессе производства корректировать режимы. Режимом
сушки определяется контраст проявления слоя фоторезиста:
отношение скоростей проявления экспонированных и неэкспо-
нированных участков. При этом чем выше контраст, тем легче
проходит процесс проявления экспонированных областей и
дольше сохраняются маскирующие свойства неэкспонирован-
ных. Высокий контраст проявления обеспечивает устойчивое
воспроизведение размеров элементов изображения, низкий
уровень дефектов маски в виде остатков фоторезиста на свет-
лом поле и проколов на темном.
Таким образом, при технологическом процессе фотолито-
графии необходимо добиваться максимального контраста про-
явления, который зависит от характеристик используемого
фоторезиста, режимов сушки его слоя, а также концентрации
проявителя.
Контраст стандартных позитивных фоторезистов (ФП-РН7,
ФП-051) при сушке при температуре 85 — 95 °C в течение 5 —
8 мин и концентрации проявителя 0,6 мае. % КОН составляет
60 — 80. Такой контраст проявления позволяет легко управ-
лять процессом фотолитографии и получать воспроизводимые
размеры элементов изображения.
62
Ж Таким образом, правилом фотолитографии является выбор таких
.. режимов обработки, при которых получают наивысший контраст прояв-
ления.
Для этого необходимо руководствоваться следующим:
чем выше температура первой термообработки слоя фото-
резиста, тем выше контраст проявления; причем следует учи-
тывать, что неконтролируемый рост температуры может привес-
V ти к термолизу светочувствительной компоненты фоторезиста
и уменьшению скорости проявления его слоя;
чем ниже концентрация проявителя, тем выше контраст
проявления;
чем толще слой фоторезиста, тем меньше плотность про-
колов.
' Достаточно большой контраст проявления (более 30 — 40)
? позволяет прецизионно управлять размерами элементов изо-
; бражения. Причем необходимо учитывать следующее. Увеличе-
. ние времени проявления при высоком контрасте приводит
к определенному изменению заданных размеров и чем выше
контраст, тем большее время перепроявления выдерживает
; слой фоторезиста. При перепроявлении практически полностью
устраняются дефекты в виде темных точек на светлом поле
и недопроявление рисунка в слое фоторезиста. Изменение раз-
< меров элементов изображения определяется временем (дозой)
зк спонирования.
Следует, кроме того, отметить, что при использовании
позитивных фоторезистов размеры светлых элементов увели-
чиваются, а темных уменьшаются. Такие изменения размеров
можно предусмотреть на начальной стадии изготовления проме-
жуточных и рабочих фотошаблонов. Для этого при их проекти-
ровании составляют таблицу размеров элементов и их коррек-
ции на отдельных стадиях генерации и переноса изображения.
Таблица должна содержать также перечень комплекта фото-
шаблонов, контролируемых элементов и их тональностей, ука-
зание о толщине технологических слоев и слоев фоторезиста.
На основе этих данных определяют изменение размеров элемен-
тов на отдельных операциях и вводят соответствующую кор-
. рекцию.
Обычно используемые при фотолитографии источники ак-
тиничного света в виде ламп ДРШ стареют, в результате чего
изменяются их спектр и интенсивность излучения, поэтому
их периодически надо заменять. Так как для качественного
проведения процесса фотолитографии необходимо обеспечи-
вать стабильность всех режимов обработки, следует постоянно
контролировать дозу и подбирать соответствующее время экс-
63
локирования различных партий фоторезистов с учетом толщи-
ны наносимых слоев. Это позволяет не изменять время и тем-
пературные режимы на других операциях фотолитографии.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каково назначение различных методов литографии?
2.	Каковы особенности и основные параметры позитивных
и негативных фоторезистов?
3.	Какова последовательность операций при полном цикле
фотолитографии?
4.	Почему ’’сухие” процессы травления обеспечивают более
высокую, чем жидкостные, разрешающую способность?
5.	При каких условиях искажения элементов передаваемых
изображений минимальны?
6.	Каковы основные отличия проекционной и контактной
фотолитографии?
7.	Как выполняют технологическую коррекцию размеров
элементов изображения?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПРОИЗВОДСТВО ФОТОШАБЛОНОВ
§ 14. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Для проведения процессов контактной фотолитографии, вариан-
том которой является фотолитография с контролируемым зазором,
в качестве основного инструмента для переноса изображения исполь-
зуют фотошаблоны.
Фотошаблон (рис. 31), как уже отмечалось, представляет
собой маску, нанесенную на прозрачную для актиничного излу-
чения стеклянную пластину. Рабочее поле каждого фотошаблона,
Рис. 31. Фотошаблон:
1 - маркировочный мо-
дуль, 2 - модули тесто-
вых ячеек, 3 - граница
рабочего поля, 4 - стек-
лянная подложка, про-
зрачная для актиничного
излучения, 5 - централь-
ный реперный модуль, 6 -
граница обрабатываемой
подложки, 7 - рабочие
модули, 8 ~ рабочая мар-
кировка
64
® заполненное изображением модулей одного технологического
слоя, должно соответствовать размерам и форме полупровод-
Fпиковой подложки. Поэтому для изготовления полупровод-
никовых приборов и ИМС необходим комплект из несколь-
зких фотошаблонов в соответствии с количеством формируе-
< мых технологических слоев.
Типономиналы размеров используемых фотошаблонов при-
ведены ниже.
; Размер рабочего
поля фотошаблона
(диаметр обрабаты-
ваемой полупровод-
НИКОВОЙ подложки),
мм................ 6(Г2	76+2	10(Г 2	125* 2	150*2
/ Размер стеклян-
: ной пластины фото-
; шаблона, мм...... 76x76	102x102 127x127 153x153 178x178
При переносе изображения с фотошаблона точность выпол-
нения рисунка ухудшается. В связи с этим требования, предъ-
; являемые к точности выполнения топологической маски на
\ фотошаблоне выше, чем к точности рисунка, наносимого на
з полупроводниковые подложки. Другими словами, основные
з параметры, характеризующие точность топологического рисун-
д чса на фотошаблоне, должны отвечать самым высоким требо-
| ваниям по допускам.
Кроме того, следует учитывать, что при переносе изобра-
* жения с фотошаблона происходит систематическое изменение
размеров элементов рисунка, что связано с эффектами диф-
ракционного перераспределения, рассеяния и др. (см. § 12).
Для компенсации этого изменения элементы на фотошаблонах
выполняют с учетом технологической коррекции их размеров.
Так, при позитивной фотолитографии светлые элементы рисун-
ков на фотошаблонах изготовляют меньших размеров по срав-
нению с необходимыми на полупроводниковых подложках,
а при негативной — наоборот. Такой технологический прием
позволяет повысить точность воспроизведения размеров эле-
ментов на полупроводниковых подложках.
Производство фотошаблонов — сложный многостадий-
ный процесс, начинающийся с этапа проектирования топологии
полупроводниковых приборов и ИМС, изготовления ее увели-
ченного фотооригинала, промежуточного фотооригинала и
фотошаблонов ПФШ, а затем эталонного фотошаблона ЭФШ
и с него — рабочих фотошаблонов РФШ.
t 3-1075	65
Основой процесса изготовления фотошаблонов является генера-
ция изображения единичного модуля в увеличенном масштабе с после-
дующим заполнением рабочего поля стеклянной пластины пошаговым
проекционным размножением изображения с уменьшением до масшта-
ба 1 :1.
Современные ИМС настолько сложны, что разработка
топологического рисунка каждого слоя может быть выполне-
на только на специальных рабочих местах проектировщика
с использованием автоматизированных средств.
§ 15. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТОПОЛОГИИ ИМС
Проектирование ИМС начинается с создания ее электричес-
кой схемы и ведется на основе выбранной библиотеки элемен-
тов (транзисторов, диодов, резисторов, изготовляемых в еди-
ном технологическом цикле). Другими словами, технологичес-
кий маршрут изготовления ИМС и последовательность фор-
мирования технологических слоев определяют до начала проек-
тирования топологии. Кроме того, до проектирования тополо-
гии устанавливают минимальные размеры элементов и зазоры
между ними, допустимые взаимные смещения положения эле-
ментов в различных топологических слоях и их размеры при
реализации на полупроводниковых подложках. Все эти требо-
вания определяют нормы на допуски при изготовлении фото-
шаблонов и последующем процессе фотолитографии.
Рассмотрим в качестве примера последовательность фор-
мирования структуры биполярного транзистора ИМС по пла-
нарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией р-и-переходом.
Рисунки топологических слоев на фотошаблонах, предназначен-
ных для создания соответствующих технологических слоев
структуры, показаны на рис. 32, а, совмещенная топология на
полупроводниковой подложке — на рис. 32, б, а последователь-
ность формирования структуры — на рис. 32, в.
При проектировании топологии ИМС необходимо создать
так называемую совмещенную топологию, т. е. с помощью
средств машинной графики перевести выбранную электричес-
кую схему в топологическую структуру.
Рабочее место тополога в системе автоматизированного
проектирования фотошаблонов (САПР) состоит из следующих
средств:
ввода, преобразования и представления графической
информации (топологического чертежа);
координатных преобразований (изменения масштаба, раз-
меров, формы, положения) элементов топологического слоя;
66
1
b
a}	6)	6)
Рис. 32. Набор фотошаблонов (я), последовательность их совмещения
с Подложкой (б) и формирования структуры биполярного п-р-п-
транзистора по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией
р-н-псреходом (в) :
* л ~ скрытый слой, 2 — разделение областей структуры, 3 — база,
4 - эмиттер и область коллекторного контакта, 5 - контактные ок-
. на, 6 - металлизация; П - подложка, Б - база, Э - эмиттсп К -
' Коллектор
контроля правильности разработанной топологии и элек-
^.трической схемы а также проверки топологии на ограничения
И допуски;
। вывода соответствующих управляющих программ для
1,3**	67
устройств, генерирующих изображение (оптических и электрон-
но-лучевых генераторов изображения).
В результате получают магнитную ленту с топологической
информацией для изготовления промежуточных (ПФШ) или
рабочих (РФШ) фотошаблонов в необходимом масштабе. Маг-
нитная лента содержит программу, которая состоит из команд
управления генератором изображения. Специальная вычислитель-
ная машина генератора изображения считывает эти команды,
содержащие значения координат угловых точек топологических
элементов, и вводит их в систему управления, которая приводит
исполнительное устройство генератора в соответствующее
положение. Вывод информации осуществляется послойно,
что обеспечивает изготовление соответствующих фотошаблонов.
Для контроля окончательного проекта выполняется сов-
мещенная прорисовка слоев, по которой можно представить
взаимное расположение всех топологических контуров, опреде-
лить правильность их положения, полноту топологических
элементов и электрические связи. Количество топологических
элементов в электрической схеме современных ИМС достигает
сотен тысяч, что вызывает необходимость обработки тополо-
гической информации с числом координатных точек до десяти
миллионов и более на слой. Если принять во внимание, что
топологических слоев может быть 10 — 15, то общее число
координатных точек, подлежащих обработке и контролю,
приближается к одному миллиарду.
Такая задача может быть выполнена только с помощью
высокопроизводительных автоматизированных систем. Для
иллюстрации этого приведем пример. Для топологического
проектирования БИС из 50 тыс. тразисторов одному топологу,
использующему современные средства САПР необходимо 2 -
3 мес. При ручном проектировании для этого понадобилось
бы 28 лет. Для проверки правильности топологического про-
екта, вероятно, не хватило бы и жизни.
Развитие САПР идет по пути создания систем логического
проектирования и автоматизации перевода электрической схемы
в топологическую, синтеза тестов электрической схемы и топо-
логического проекта. Это означает, что уже в недалеком буду-
щем будут созданы САПР, обеспечивающие синтез электри-
ческой схемы по требуемым функциям ИМС, перевод этой
схемы в топологический проект и выдачу информации в авто-
матизированные системы изготовления фотошаблонов.
§ 16. МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Самым простым методом генерации изображения в произ-
водстве фотошаблонов является вырезка топологического ри-
68
а)	д)
Рис. 33. Прорезание двухслойной пленки (а) и снятие се
(б) при получении топологического рисунка вырезкой:
1 - окрашенный верхний слой пленки, прикрепленный
клеящим составом к основе, 2 — прозрачная безусадочная
основа, J - резец, 4 - прозрачная область (топологичес-
кий элемент), 5 - крючок для снятия пленки, 6 - снимае-
мая окрашенная пленка, 7 - прорезанный контур
сунка на специальной двухслойной безусадочной пленке
(рис. 33). При этом специальным резцом закрепленным в
державке, перемещающейся по двум координатам, прорезают
верхний окрашенный слой 1 (чаще всего красного цвета).
Резец может перемещаться вручную или автоматически на
специальном программно-управляемом приборе, называемом
координатографом. После прорезания верхнего слоя в областях,
окруженных замкнутыми линиями реза 7, с помощью специаль-
ного крючка 5 снимают окрашенный слой 6.
Вырезку в зависимости от размера рабочего модуля и
требований к точности изготовления фотошаблона выполняют
в масшатбе от 200 : 1 до 1000 : 1. При использовании для вырез-
ки рисунка даже такого точного прибора, каким является
координатограф, все же не получают точность лучше ± 50 мкм.
Созданное таким образом увеличенное изображение фото-
шаблона называют первичным оригиналом, или просто ориги-
налом. Специальной фотокамерой методами точной фотографии
этот оригинал уменьшают до масштаба 10:1. Такое уменьшен-
ное изображение называют промежуточным оригиналом или
промежуточным фотошаблоном (ПФШ). Промежуточный фото-
шаблон является увеличенным изображением одного тополо-
гического слоя рабочего модуля.
Размеры рабочего модуля современных ИМС равны 5 х
х 5 мм2 и более при требованиях к точности изготовления
фотошаблонов ± 0,3 мкм и менее, что при использовании метода
вырезки вызывает необходимость применения масштаба около
500 : 1. Так как при этом размеры оригинала примерно равны
2,5 х 2,5 м2, обеспечить требуемую точность вырезки невоз-
можно и работать с пленкой такой большой площади неудобно.
69
Если принять во внимание, что количество топологичес-
ких элементов составляет десятки тысяч, нетрудно подсчитать
время, необходимое для изготовления комплекта оригиналов.
Предположим, что вырезка идет в автоматическом режиме
со скоростью около 3 с на координатную точку, которых име-
ется 20 тыс. на слой, а количество слоев равно 10. При этом
необходимое время вырезки будет равно 3 • 20 000 • 10 =
= 600 000 с - 200 ч.
Если принять также во внимание, что время удаления цвет-
ного слоя сравнимо с временем вырезки, а время контроля
и исправления допущенных ошибок во много раз больше,
то становится понятно, что метод вырезки годится лишь для
Рис. 34. Схема оптического генератора изображения —
микрофотонаборной установки:
1 - источник актиничного излучения, 2 - затвор, 3 —
конденсор, 4 - блок шторок с управляемым от ЭВМ
приводом, 5, 6 - неподвижная и подвижная шторки,
7 - проекционный объектив, передающий изображение
с уменьшением, 8 - изображение элемента рисунка,
9 ~ фоторезистовая пластина, 10 - координатный стол
с приводами и системой точного контроля положения,
11 - система контроля положения стола, выполненная
на дифракционных решетках, 12 - специализирован-
ная управляющая ЭВМ, 13 ~ ввод информации
70
изготовления фотошаблонов ИМС с простой топологией или
полупроводниковых приборов, плат и пассивных элементов.
Выход из создавшегося положения был найден разработкой
микрофотонаборного метода генерации изображения, для осу-
ществления которого используются оптический и электронно-
лучевой генераторы изображения.
Оптический генератор изображения—
микрофотонаборная установка (рис. 34) работает по принципу
разбиения создаваемых топологических элементов на элемен-
тарные прямоугольники. Предварительно топологические эле-
менты с помощью специальной программы преобразуются
САПР (покрываются) в элементарные прямоугольники, фор-
мирование которых в генераторе изображения осуществляется
программно-управляемым блоком шторок.
Блок 4 шторок состоит из неподвижной 5 и подвижной
6 шторок, взаимным расположением которых определяются
размеры элементарного прямоугольника. Ориентация прямоу-
гольника по углу задается углом поворота блока 4 шторок.
Передача элемента изображения, сформированного с помощью
шторок (экспонирование), выполняется с уменьшением через
проекционный объектив 7 установки на фоторезистовую стек-
лянную пластину 9, покрытую маскирующим слоем и слоем
фоторезиста. Переход с одного единичного элемента на другой
производится по программе, для чего шторками вновь форми-
руется изображение 8 элемента и задается его местоположение
на фоторезистовой пластине координатным столом 10, Коор-
динатный стол обеспечивает точное перемещение фоторезисто-
вой пластины по координатам* иу.
Как уже отмечалось, программы для работы генератора
изображения формируются САПР и несут сведения об относи-
тельном положении шторок (координаты х и у подвижной штор-
ки) , угле поворота блока шторок и координатах положения
координатного стола (х и у). Примеры генерации топологичес-
кого элемента и разбиения его на элементарные прямоуголь-
ники на микрофотонаборной установке приведены на рис.
35, а, б.
Для облегчения работы системы преобразования топологи-
ческой информации, а также ускорения работы генераторов изо-
бражения все топологические элементы должны быть выпол-
нены как сумма элементарных прямоугольников с ориента-
цией, кратной 45° по отношению к координатным осям х и
у. Кроме того, на топологических элемента экспонируемых
областей не должно быть острых углов (45°).
Скорость генерации изображения определяется быстродействием
блока шторок, скоростью перемещения координатного стола, а также
71
Рис. 35. Генерация изображений
топологических элементов на
микрофотонаборной установке:
а ~ сложного, б, в - простых
чувствительностью актиничного слоя
фоторезистовой пластины н мощ-
ностью излучения в канале экспо-
нирования.
Быстродействие оптических
генераторов изображения при ис-
пользовании высокочувствитель-
ных фотоэмульсионных пласти-
нок и мощных импульсных ламп
составляет примерно 300 000
элементарных экспозиций в час,
а при использовании фоторезис-
товых пластин — около 3000
экспозиций в час. Быстродейст-
вие процесса генерации изобра-
жения микрофотонаборным ме-
тодом по сравнению с методом
вырезки в 100 — 10 000 раз
больше. При этом исключается
цикл прецизионного фотографического уменьшения оригинала
и, кроме того, выше точность изготовления промежуточных
фотошаблонов.
Современные БИС и СБИС имеют до миллиона топологи-
ческих элементов, что требует реализации на каждом промежу-
точном фотошаблоне 10 млн. элементарных экспозиций. Не-
трудно подсчитать, что время генерации изображения одного
слоя на самых быстродействующих оптических генераторах
составляет десятки часов. При этом даже один случайный сбой
приводит к необходимости заново начинать процесс генерации.
Но так как ошибка может быть обнаружена только после полно-
го цикла изготовления и тщательного контроля промежуточ-
ного фотошаблона, становится понятным, насколько трудое-
мок процесс изготовления комплекта.
Электронно-лучевые генераторы изо-
бражения по сравнению с оптическими существенно уве-
личают быстродействие процесса генерации при одновремен-
ном повышении точности выполнения элементов. Для гене-
рации изображения используется тонкий электронный пучок
круглого сечения в растровом режиме или прямоугольный элек-
тронный пучок переменного сечения в режиме векторного ска-
нирования (электронно-наборный способ).
Высокое быстродействие систем формирования и откло-
нения (развертки) электронного пучка резко сокращает время
генерации изображения. Так, для отечественного генератора
72
’’ОТЕЛЛО-44” время генерации изображения промежуточного
фотошаблона с размером рабочего поля 100 х 100 мм2 (крис-
талл 10 х 10 мм2) при шаге развертки 1 мкм (что дает ошибку
всего в 0,1 мкм в масштабе кристалла) составляет не более
2 ч. При этом возможно получение на рабочем поле до 50 млн.
элементов, что является вполне достаточным для генерации
изображения БИС и СБИС.
В настоящее время электронно-лучевые установки являются
основным оборудованием для генерации изображения при
различных технологических маршрутах изготовления фото-
шаблонов.
§ 17. МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОШАБЛОНОВ
Рассмотрим технологические маршруты производства фото-
шаблонов по структурной схеме маршрутов генерации и перено-
са изображения при изготовлении ИМС (рис. 36). При переда-
че изображения с ЭФШ на РФШ или с РФШ на подложки изменяет-
ся зеркальность, что следует учитывать при проектировании и
изготовлении фотошаблонов.
Изменение зеркальности изображения в процессе фотоли-
тографии показано на рис. 37, а, б. При этом изображение на ра-
бочем фотошаблоне и полупроводниковой подложке обладают
зеркальной симметрией. Аналогично, изображения на РФШ
и ЭФШ, с которого он изготовляется контактным копирова-
нием, также будут зеркально симметричными, а изображения
на ЭФШ и полупроводниковой подложке — совпадать по зер-
кальности. На рис. 36 даны масштабы получаемых изображений.
В полном технологическом цикле генерации и переноса изо-
бражения масштаб должен точно выполняться и согласовывать-
ся в соответствии с выбранным маршрутом.
В зависимости от выбранного маршрута САПР обеспечивает
получение соответствующей исходной информации на магнит-
ной ленте (тип генератора изображения, зеркальность, мас-
штаб изображения). При этом следует учитывать, что чем коро-
че маршрут генерации и переноса изображения, тем меньше
искажений вносится в передаваемый рисунок. В равной степени
это относится и к точности выполнения размеров элементов ри-
сунка, а также уровню вносимой дефектности.
Рассмотрим возможные маршруты изготовления РФШ
и переноса изображения на полупроводниковую подложку
(последовательность выполнения этапов маршрутов соответ-
ствует номерам, приведенным на рис. 36).
Стандартный маршрут изготовления
и контактного копирования РФШ для
73
Рис. 36. Структурная схема маршрутов генерации и переноса изо-
бражения при производстве ИМС
контактной фотолитографии при производ-
стве полупроводниковых приборов и ИМС малой и средней сте-
пеней интеграции: 1 - 3 - 5 - 7 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13, Дос-
тоинства этого маршрута — наибольшая производительность
и низкая стоимость изготовляемых РФШ, а недостатки — невы-
сокая их прецизионность и высокий уровень дефектности.
Маршрут проекционного изготовле-
ния РФШ для контактной фотолитогра-
фии при производстве ИМС высокой степени интеграции,
а также с высокими требованиями по точности формирования
74
Рис. 37. Изменение зер-
кальности изображения в
процессе фотолитографии:
а — рабочая сторона фото-
шаблона, б - перенос изо-
бражения с фотошаблона
на полупроводниковую
подложку:
1 - фотошаблон, 2 - по-
лупроводниковая подлож-
ка
элементов рисунка: 1 -3 — 4- 7 — 8 — 12 — 13. Достоинства
этого маршрута — низкий уровень дефектности РФШ, высокая
точность выполнения размеров элементов и совмещения слоев,
а недостаток — малая производительность.
Маршрут проекционной фотолитогра-
фии с совмещением при производстве ИМС большой
и сверхбольшой степеней интеграции: 1 — 3-5-6 — 13. Дос-
тоинства этого маршрута — наивысшая точность передачи раз-
меров элементов рисунка, резкое повышение разрешающей
способности процесса фотолитографии и низкий уровень вно-
симой дефектности. Кроме того, исключается стадия изготов-
ления рабочих фотошаблонов, что обеспечивает высокую эко-
номичность. Однако небольшая производительность и высокая
стоимость оборудования сдерживают полный переход на этот
маршрут. Вероятнее всего в будущем он станет основным в
массовом производстве, что приведет к отказу от производства
РФШ.
Маршрут электронно-лучевой литогра-
фии при производстве интегральных схем ультрабольшой
степени интеграции: 1-2 — 13. Особенности его — чрезвычай-
но большая стоимость оборудования (ЭЛУ), сложность техно-
логии, наивысшие разрешения и прецизионность, низкий уровень
вносимой дефектности.
Необходимо отметить, что для первых трех маршрутов
обязательно применение промежуточных фотошаблонов ПФШ,
которые могут быть двух вариантов зеркальности. Эталонные
промежуточные фотошаблоны ЭПФШ используют для изготов-
ления ЭФШ и проведения проекционной фотолитографии с сов-
мещением, а рабочие промежуточные фотошаблоны РПФШ —
для проекционного изготовления РФШ.
Для всех маршрутов необходимо предварительно изготовлять пол-
ный комплект промежуточных фотошаблонов в соответствии с коли-
чеством топологических слоев, а также комплект тестовых ячеек, кото-
рые впечатываются в определенные места на рабочем поле фотошаблона.
75
§ 18. МУЛЬТИПЛИКАЦИЯ
После подготовки комплекта ПФШ проекционным способом
изготовляют ЭФШ или РФШ. Рабочее поле фотошаблонов запол-
няют методом мультипликации (размножения) с заданным ша-
гом по осям х и у изображением рабочих модулей. Формируют
изображение рабочего модуля проекционным уменьшением
до масштаба 1 : 1 изображения соответствующего ПФШ (РПФШ
или ЭРПШ в зависимости от маршрута) на установке мульти-
пликации, называемой фотоповторителем.
По своей конструкции фотоповторитель аналогичен оптичес-
кому генератору изображения, но отличается от него более
совершенной оптической системой (разрешающей способностью
до 1 мкм на поле изображения до 10 х 10 мм2) и более точным
координатным столом (воспроизводимость перемещения до
0,05 мкм) . Кроме того, в нем вместо блока шторок установлен
блок ориентации и крепления ПФШ.
Блок ориентации, снабженный фотоэлектрическим микро-
скопом, обеспечивает строгую ориентацию по специальным
меткам ПФШ относительно координатных осей стола, на кото-
ром закрепляется фоторезистовая пластина.
Типовой промежуточный фотошаблон для мультипликации
на фотоповторителях ЭМ-552 и ЭМ-562 показан на рис. 38.
При ориентации метки 3 на ПФШ автоматически совмещаются с
фиксированными метками фотоэлектрического микроскопа,
которые, в свою очередь, строго выставляются относительно
координатных осей перемещения стола фотоповторителя. На
протяжении всего цикла мультипликации производится автома-
тический контроль правильного положения ПФШ.
Оптическая система фотоповторителя передает изображение
ПФШ на фоторезистовую пластину, а координатный стол по
специальной программе мультипликации, введенной в управ-
ляющую ЭВМ, осуществляет размножение этого изображения
1
Рис. 38. Промежуточный
фотошаблон:
1 — стеклянная пластина
с маскирующим слоем
хрома, 2 — увеличенное
изображение модуля (М
10 : 1), 3, 4 - метки
ориентации и маркировка
76
по полупровдниковой подложке. На местах, где должны разме-
щаться вспомогательные модули, остаются пропуски. Затем
ПФШ рабочего модуля автоматически по программе заменяется
ПФШ вспомогательных модулей (тестовых ячеек, маркировоч-
ного и центрального реперного модулей) и проводится их впе-
чатывание по программе в соответствующие места рабочего
поля фотошаблона.
Для обеспечения точного позиционирования фотоповтори-
тель снабжен специальной координатной измерительной систе-
мой, которая выполняется на дифракционных решетках или
лазерном интерферометре. Измерительная система имеет опти-
ко-электронные преобразователи, позволяющие отсчитывать
расстояния с точностью до Х/8 — Х/16 (где X — длина волны
излучения используемого в координатной системе лазера).
В качестве источника света обычно служит газовый гелий-нео-
новый лазер с высокой стабильностью положения луча (X ~
~ 0,65 мкм), что дает точность отсчета расстояний в 0,08 —
0,04 мкм.
Координатные измерительные системы фотоповторителей
работают в приращениях, т. е. в управляющую программу зна-
чения перемещения вводится из начальной (нулевой) точки
мультипликации в первую, из первой — во вторую и т.д. Точ-
ность отсчета координат (воспроизводимость положения стола)
в системах с лазерным интерферометром составляет ~0,06 мкм,
а в системах с дифракционными решетками ~ 0,1 — 0,2 мкм.
Воспроизводимое позиционирование стола фотоповтори-
теля, а следовательно, и точность изготовления фотошаблонов
в значительной степени зависят от постоянства окружающей
температуры.
Известно, что металлы имеют достаточно большой темпе-
ратурный коэффициент линейного расширения (~ 10~4 1/°С),
что приводит к значительным искажениям измеряемой длины
при изменении температуры. Стекло имеет более низкий коэф-
фициент линейного расширения (^ 10"5 1/°С). Однако при
больших размерах стекол для фотошаблонов (100 мм и более)
появляются значительные температурные искажения. Даже
применение специальных стекол с низким температурным
коэффициентом линейного расширения или кварцевого стекла
не позволяет снизить влияние температуры.
Рассчитаем, как изменяется диаметр стеклянной пластины
между крайними точками фотошаблона, равный 100 мм, при
изменении температуры ДГ = 1 °C. Это изменение будет соот-
ветствовать рассовмещению изображения фотошаблонов, имею-
щих рабочее поле диаметром 100 мм и изготовленных при ра-
бочих температурах, отличающихся на 1 °C. При температурном
77
коэффициенте линейного расширения стеклянной пластины
а~7,6 • 10 ~61/°С изменение
ДО = Da&T= 10s -7,6 • 10~б • 1 = 0,76 мкм.
Таким образом, рассчитанное рассовмещение фотошабло
нов ~0,8 мкм более чем в два раза превышает типовое требова-
ние на совмещение, равное ± (0,3 <*0,4) мкм.
Фотоповторители обычно оснащены устройством автомати-
ческого поддержания постоянной рабочей температуры (бло-
ком термостатирования) или их помещают в термостатирован-
ный бокс с обеспыливанием. Точность поддержания температу-
ры составляет + (0,1 0,25) ° С.
Одна из самых важных операций при мультипликации -
подготовка ПФШ к работе. Основной особенностью этой опе-
рации является то, что ПФШ, используемый для получения рабо-
чих или эталонных фотошаблонов, не должен иметь ни одного
дефекта. Если ПФШ имеет дефект, который при проекции через
объектив перенесется на слой фоторезиста, то все модули на
изготовляемом фотошаблоне будут с этим дефектом, т. е.
фотошаблон будет 100 %-но дефектным. Переносимый в про-
цессе мультипликации дефект ПФШ называют повторяющимся
дефектом.
Повторяющийся дефект может возникнуть в результате
недостаточного контроля ПФШ при подготовке его к мульти-
пликации или образоваться вследствие оседания пылинки на
рабочую поверхность ПФШ при мультипликации. Для защиты
от осаждения пылинок рабочую поверхность ПФШ закрывают
специальной тонкой полимерной пленкой (рис. 39) толщиной
примерно 2 — 4 мкм, обладающей высокой оптической одно-
родностью и практически являющейся оптически нейтральной,
т. е. не вызывающей искажения изображения. При этом пылин-
ки, осаждаясь на пленку, не переносятся через проекционную
Рис. 39. Защита про-
межуточного фотошаб-
лона полимерной плен-
кой:
1 - сте к ля иная плас-
тина, 2 — опорная рам-
ка, 3 ~ защищенный
от внешних загрязне-
ний объем, 4 - мас-
кирующий слой (рабо-
чая поверхность), 5 -
пыле вы е загря знения,
6, 7 - защитные плен-
ки нерабочей и рабочей
Поверхностей
7Р
систему на слой фоторезиста, так как находятся вне фокаль-
ной плоскости.
Перед мультипликацией ПФШ тщательно контролируют на
отсутствие дефектов и делают пробные отсъемы, чтобы убе-
диться в отсутствии повторяющегося дефекта. Обнаружив де-
фект в экспонированном и проявленном изображении на слое
фоторезиста в одном из модулей, проводят поиск такого же
дефекта в соседнем модуле. Если обнаружат дефект, его приз-
нают повторяющимся, снимают ПФШ с крепежной рамки фото-
повторителя, очищают и тщательно контролируют.
Дефекты в ПФШ, кроме того, могут образовываться в за-
щищенном объеме из-за неплотного прилегания рамки с защит-
ной пленкой или перехода загрязняющих частиц с самой рам-
ки на рабочую поверхность ПФШ. Поэтому после проведения
мультипликации обязательно контролируют фотошаблон на
повторяющиеся дефекты.
При мультипликации могут возникать ошибки, связанные
как с неправильной работой фотоповторителя, так и с неточ-
ными действиями оператора. В основном ошибки появляются
из-за недостаточной проверки и несвоевременной технологичес-
кой аттестации фотоповторителя, который является сложным
программно-управляемым устройством. Ошибки мультиплика-
ции, обусловленные неправильной наладкой или неточной юсти-
ровкой различных систем фотоповторителя, показаны на рис.
40, а — г, где пунктирной сеткой даны границы правильно муль-
типлицируемых модулей, а сплошной линией — границы ис-
кажений.
Для выявления систематических ошибок в работе фото-
повторителя проводят контрольную мультипликацию со спе-
циальным тестовым ПФШ, которая позволяет, не прибегая к
сложным измерениям, проверить под микроскопом получен-
ный тестовый фотошаблон на наличие тех или иных ошибок.
Такой контроль основан на замыкании специальных ключевых
фигур при проекции их через объектив и соответствующем
перемещении с помощью координатного стола. Таким образом,
тестовый ПФШ позволяет связать работу проекционной и коор-
динатных систем фотоповторителя.
На рис. 41, а изображена ключевая фигура, а на рис. 41, б
показано, как она проецируется и замыкается при мультипли-
кации. При наличии ошибок, которые были показаны на рис.
40, а - г, произойдет смещение одного квадрата замыкающей
фигуры относительно другого, что будет выявлено операто-
ром при контрольной мультипликации (рис. 41, в). В этом
случае ошибка Дхт шага мультипликации хт отражает несоот-
ветствие между координатной и проекционной системами фото-
79
Рис. 40. Ошибки, возника-
ющие при мультиплика-
ции:
а ~ сбой по шагу, б ~
несоответствие масштаба
шагу мультипликации, в --
разворот модуля, г - не-
предусмотренный пропуск
Рис. 41. Ключевая фигура для контроля
мультипликации (а), ее проекции без
ошибки (б) и с ошибкой (в)
повторителя, которое должно быть устранено наладчиком. Ана-
логично выявляют ошибку в работе блока ориентации ПФШ.
На большинстве предприятий принято, что наладчик обо-
рудования проверяет, выполняя контрольные отсъемы, правиль-
ность работы фотоповторителя перед началом каждой смены и
делает соответствующую запись в рабочий журнал. Оператор
имеет право приступить к работе только после заключения
наладчика или технолога о правильности работы фотоповтори-
теля. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью
материалов, на которых получают методом мультипликации
фотошаблоны, а также с длительностью их контроля.
Для ускорения контроля мультиплицированных фото-
шаблонов и возможности оперативной проверки правильности
работы фотоповторителя в ПФШ рабочих модулей включают
контрольные фигуры, аналогичные фигурам, показанным на
рис. 41, а - в. В этом случае оператор может периодически
контролировать правильность работы фотоповторителя после
проявления экспонированного слоя фоторезиста на очередном
фотошаблоне.
Ошибки оператора связаны как с недостаточно тщательной
подготовкой ПФШ, так и с неправильным обращением с фото-
80
резистовыми пластинами, при работе с которыми необходимо
выполнять следующие правила:
пластину разрешается брать только за торцы, причем руки
должны быть защищены специальными непылящими перчат-
ками;
нельзя наклоняться над пластинами дышать на них;
при разгрузке в фотоповторитель положение пластин долж-
но быть таким, чтобы ламинарный поток обеспыленного воздуха
проходил от них к оператору, а не наоборот.
Работать следует только на аттестованном оборудовании, соблюдая
все условия выполнения операции (при необходимом уровне чистоты
обеспыленного воздуха, стабилизации температуры в заданных пределах,
отработанности программ мультипликации, контроле относительной
влажности, правильном выборе материалов). Выполнение этих праввл
обеспечивает минимальное количество дефектов на рабочей поверх-
ности фотошаблонов в процессе мультипликации.
§ 19.	КОПИРОВАНИЕ ФОТОШАБЛОНОВ
При стандартном технологическом маршруте изготовления
РФШ возникает необходимость их копирования с полученного
мультипликацией ЭФШ.
Копирование выполняют контактным экспонированием,
используя в качестве фоточувствительно го материала слой фото-
резиста для изготовления фотошаблонов с твердым маскирую-
щим покрытием (хрома, оксидов хрома или железа) или фото-
эмульсию, которая сама выполняет роль маскирующего по-
крытия.
Экспонирование проводят на многокамерных контактных
устройствах, обеспечивающих взаимное крепление, контакт и
выравнивание рабочих поверхностей ЭФШ и фоторезистовой
пластины. Для экспонирования применяются стандартные ос-
ветительные системы, такие же, как в установке совмещения
и экспонирования.
Контактное устройство для копирования рабочих фото-
шаблонов (рис. 42) имеет три замкнутые полости: камеру 6
между эталонным фотошаблоном 1 и фоторезистовой пласти-
ной 7, камеру 9 фоторезистовой пластины и камеру 10 эталон-
ного фотошаблона. Создавая перепад давления в камерах,
можно изменять усилие прижима ЭФШ и фоторезистовой плас-
тины и задавать их прогиб в ту или другую сторону. Это до-
вольно важный технологический параметр, определяющий точ-
ность переноса рисунка с ЭФШ.
Давления в камерах создаются вакуумным насосом и
81
Рис. 42. Контактное устройство для копирования рабо-
чих фотошаблонов:
1,2- эталонный фотошаблон и рамка для его крепления
вакуумным присосом, 3 — защитное стекло, 4 - поток
актиничного света, 5 — маскирующий слой, 6 — камера
между эталонным фотошаблоном и фоторезистовой плас-
тиной, 7, 8 - фоторез истовая пластина и рамка для ее креп-
ления, 9, 10 - камеры фоторезистовой пластины и эта-
лонного фотошаблона, 11 - слой фоторезиста и маскирую-
щее покрытие на фоторезистовой пластине
регулируются дросселем, а также системой напуска воздуха,
очищенного от пыли и примесей масла. Скорости вакуумиро-
вания камер и напуска воздуха задаются по программе, а дав-
ления подбирают экспериментально по минимальному уров-
ню дефектности, вносимой в ЭФШ и фоторезистовую пластину
при их контакте, и наименьшим искажениям передаваемого
рисунка.
При контактном копировании в результате механического контак-
та ЭФШ загрязняется и повреждается, поэтому строго регламентируют
количество контактов между отмывками и операциями контроля
ЭФШ на дефектность.
Количество допустимых контактов определяется усилием
прижима, типом рисунка ЭФШ (преобладание темных или
светлых участков) и размером модуля.
Так как дефектность всех видов фотошабло-
нов обычно оценивается процентом дефектных модулей, то
возникает ее зависимость от их площади. Например, при пло-
щади модуля 3x3 мм2 количество модулей в рабочем поле
равно 400, а при площади 4x4 мм2 — только 225. Внесение
82
десяти случайных дефектов вызовет поражение десяти модулей,
что в первом случае составит 2,5 %, а во втором — 4,2 % дефект-
ных модулей.
Таким образом, чем больше размер модуля, тем сложнее изготовить
фотошаблон с заданным низким уровнем дефектности. Поэтому процесс
копирования можно применять для изготовления рабочих фотошаблонов
с модулями малой площади. Кроме того, следует учитывать, что при копи-
ровании ухудшается качество рисунка.
Для изготовления рабочих фотошаблонов используют фото-
резистовые пластины или фотоэмульсионные пластинки высокой
разрешающей способности.
Фоторезистов ы е пластины представляют собой
плоскую стеклянную подложку, покрытую маскирующим слоем,
поверх которого нанесен слой фоторезиста. Маскирующий слой
наносят осаждением хрома в вакууме или пиролитическим осаж-
дением оксида железа из металлоорганического соединения. Для
уменьшения коэффициента отражения слоя хрома на него наносят
слой диоксида хрома определенной толщины. Фотошаблоны, из-
готовляемые на пластинах со слоем хрома, называются хромо-
выми, а со слоем оксида железа — цветными, так как маскирую-
щий слой имеет характерную желто-красную окраску. Фотошаб-
лоны, изготовленные на фоторезистовых пластинах, называют,
как уже отмечалось, фотошаблонами с твердым маскирующим
покрытием.
Толщина маскирующего слоя на хромовых фотошаблонах
составляет около 0,08 мкм, а на цветных — 0,2 — 0,3 мкм. Слой
фоторезиста на фоторезистовых пластинах имеет толщину 0,5 —
0,6 мкм и обладает высокой равномерностью фототехнических
характеристик по всей рабочей поверхности. Это обеспечивает в
сочетании с малой толщиной маскирующего слоя точную переда-
чу размеров элементов изображения при копировании РФШ.
Стоимость фоторезистовых пластин достаточно высока, так
как стеклянные подложки для фотошаблонов с твердым маски-
рующим покрытием предварительно шлифуют и полируют, а
затем они проходят сложный технологический цикл (осаждение
маскирующего слоя, нанесение слоя фоторезиста, поштучный
контроль). Как правило, фоторезистовые пластины используют
при изготовлении рабочих шаблонов для БИС и СБИС, к которым
предъявляют высокие требования по прецизионности.
Фотоэмульсионные пластинки высокой
разрешающей способности (пластинки ВРП) ис-
пользуют для изготовления рабочих фотошаблонов в массовом
производстве ИМС с относительно невысокими требованиями
ПО точности передачи топологического рисунка (минимальные
83
I
Рис. 43. Последовательность
операций фотолитографи-
ческой обработки при полу-
чении негативных (7) и пози-
тивных (//) эмульсионных
фотошаблонов:
а - экспонирование через
эталонный фотошаблон, б —
первое проявление, в - фик-
сирование, г - отбеливание,
д - экспонирование ”в от-
крытую’*, е - второе прояв-
ление: 1 - актиничное излу-
чение, 2 - эталонный фото-
шаблон, 3 - эмульсионный
слой, 4 - скрытое изобра-
жение, 5 - стеклянная под-
ложка, 6 - область ’’почер-
нения”
Ьразмеры 3 мкм и более, точность совмещения ± 0,8 мкм, точность
| выполнения рисунка ± 0,6 мкм). Эти пластинки выполнены из
I специального плоского стекла и покрыты слоем фотографичес-
| кой эмульсии толщиной около 6 мкм. Эмульсия содержит в ка-
I честве светочувствительного вещества галогенид серебра, кото-
I рый в результате фотографической обработки (экспонирования,
I проявления и фиксации) переходит в атомарное серебро и созда-
I ет маскирующий рисунок.
I В отличие от фотошаблонов с твердым маскирующим покры-
|тием, в которых рисунок формируется местным вытравлива-
Внием маскирующего слоя до стекла, в эмульсионных фотошаб-
Влонах он создается ’’почернением” участка эмульсии при фото-
g графической обработке.
| На эмульсионных слоях, как и в фотографии, можно полу-
1чать негативное I или позитивное II изображения (рис. 43, а ~ е).
^Позитивный процесс, называемый также процессом переноса изо-
^брожения ”с обращением ”, состоит из большего количества техно -
Алогических операций, чем негативный, однако имеет некоторые
1 технологические преимущества. Так как маска формируется в
^результате локального почернения эмульсии, то для достижения
Взаданной оптической плотности необходимы достаточно большие
•дозы экспонирования, что приводит к значительному рассеянию
Всвета в слое эмульсии и уходу размеров элементов рисунка.
J Кроме того, случайные пылинки (загрязнения) могут мас-
кировать экспонируемые области, что вызывает при негативной
Обработке фотослоя образование проколов — незасвеченных участ-
ков, которые при дальнейшем процессе фотолитографии переносят-
ся на полупроводниковую подложку.
При позитивном процессе изготовления фотошаблонов вто-
рое экспонирование проводят ”в открытую” и большими дозами,
результате чего происходит полная засветка темных участков
даже при наличии загрязнений. Таким образом, процесс ”с обра-
щением” обеспечивает более низкий уровень дефектности копи-
!уемых рабочих фотошаблонов.
Основным преимуществом эмульсионных фотошаблонов по срав-
ению с фотошаблонами с твердым маскирующим слоем является ииз-
ая стоимость материалов, а также возможность групповой (кроме экспо-
ирования) обработки. Однако следует учитывать, что стойкость эмуль-
иониых фотошаблонов значительно ниже (в 5 — 10 раз), чем фотошаб-
онов с твердым маскирующим покрытием.
§ 20.	ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КОНТРОЛЬ ФОТОШАБЛОНОВ
Основные параметры фотошаблонов зависят от качества
| Выполнения операций фотолитографии,
85
Максимальная площадь рабочего модуля, обычно равная
10 х 10 мм2, определяется возможностями используемой опти-
ческой системы для переноса изображения. При изготовлении
фотошаблонов электронно-лучевым способом такого ограни-
чения нет. Искусственными методами (например, монтажом
нескольких полей изображения) можно увеличить площадь
модуля в несколько раз, но это ухудшает точность топологии.
Минимальный размер элемента изображения (топологии)
ограничивается разрешающей способностью объектива (см.
§ 14) и длиной волны актиничного излучения. Типовые предель-
ные размеры элементов равны 0,8 — 1 мкм для поля изображе-
ния 8 х8 мм2 и 1,2 — 1,5 мкм для поля 12 х 12 мм2.
Ошибка совмещаемости комплекта рабочих фотошабло-
нов — это несовпадение положений элементов двух фотошаб-
лонов в пределах всей рабочей зоны, которое зависит от мар-
шрута их изготовления и прецизионности оборудования. Наи-
лучшие результаты получают при использовании электронно-
лучевого способа изготовления фотошаблонов и непосредствен-
ной мультипликацией изображения. Типовая ошибка совме-
щаемости фотошаблонов, диаметр рабочего поля которых
равен 100 мм, составляет ± (0,3 ^0,6) мкм.
Точность изготовления элементов РФШ определяется сум-
марной прецизионностью технологических процессов и приме-
няемым оборудованием, а также зависит от маршрута и типа
маскирующего покрытия РФШ. Типовая точность для РФШ
с твердым маскирующим покрытием составляет ± (0,2
4- 0,4) мкм, а для эмульсионных равна ± 0,6 мкм.
Дефектность РФШ оценивается как процент содержания
в рабочем поле модулей, имеющих недопустимое отклонение
по топологии (наличие дефекта в виде прокола, вырыва в мас-
кирующем слое или остатка маскирующего покрытия на сво-
бодных от маскирующего слоя участках). Дефектность РФШ
в первую очередь зависит от качества исходных фото- и элект-
ронорезистовых пластин или фотопластинок ВРП, а также
определяется маршрутом изготовления. Чем короче маршрут
и чем в нем меньше операций контактирования и переноса изо-
бражений, тем меньше дефектов вносится в пластины при обра-
ботке. Типовая дефектность получения РФШ контактным копи-
рованием составляет 7 — 10 % (размер кристалла до 3 х 5 мм2),
проекционным — 3 — 5 % (размер кристалла до 5 х 6 мм2).
В производстве фотошаблонов контрольные операции составляют
значительную часть технологического процесса. Только тщательный
контроль на всех технологических операциях позволяет устойчиво
изготовлять фотошаблоны заданного качества.
86
Выбор контролируемых параметров зависит от типа фото-
шаблонов и технологического маршрута их изготовления.
Проводят контроль в определенном порядке в соответствии
с планом.
План контроля ПФШ (норма контроля 100 %) :
контроль на соответствие исходной топологии (проводит-
ся методом сравнения топологического чертежа и изображе-
ния, сформированного на ПФШ);
контроль дефектности (проводится наблюдением сформи-
рованной маски в микроскоп и поиском дефектов в виде нару-
шений маскирующего слоя или загрязнений после травления);
контроль комплекта ПФШ на совмещаемость в соответ-
ствии с порядком совмещения топологических слоев ИМС
(проводится оптическим наложением рисунка двух ПФШ).
План контроля ЭФШ (норма контроля 100 %):
контроль повторяющегося дефекта (проводится наблюде-
нием дефектов в микроскоп для двух соседних модулей —
последйего и предпоследнего в ряду мультипликации);
контроль размера выбранного контрольного топологичес-
кого элемента — критичного размера (проводится в пяти моду-
лях, равномерно расположенных в рабочем поле, с помощью
окуляр-микрометров на специальных измерительных микро-
: скопах или автоматических фотоэлектрических измерительных
устройствах контроля размеров);
контроль дефективности (проводится просмотром рабо-
чего поля каждого модуля в микроскоп обычно при увеличении
50 — 100 раз) ;
контроль совмещаемости (проводится оптическим нало-
жением изображения рабочих полей двух ЭФШ; рассовмещение,
т. е. несовпадение рисунков, измеряют с помощью окуляр-
микрометра).
План контроля РФШ:
контроль критичного размера (100 %-ный для фотошаб-
лонов с твердым маскирующим покрытием и выборочный,
около 5 — 10 % от общего количества РФШ для эмульсионных);
контроль дефектности (100 %-ный для фотошаблонов с
твердым маскирующим покрытием и выборочный для эмуль-
сионных) ;
контроль повторяющегося дефекта (100 %-ный для фото-
шаблонов, полученных непосредственной мультипликацией).
Фотошаблоны, не удовлетворяющие требованиям по ка-
кому-либо из контролируемых параметров, подлежат забрако-
ванию. Количество контролируемых эмульсионных фотошаб-
лонов при выборочном контроле для подтверждения значения
параметра удваивают.
87
§ 21.	ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФОТОШАБЛОНОВ
При фотолитографии используются два способа переноса
изображения с фотошаблона: проекционный и контактный.
При проекционной фотолитографии
изображение переносится оптической системой и отсутствует
физический контакт фотошаблона с полупроводниковой под-
ложкой. В этом случае срок службы фотошаблона неограничен.
Периодичность его очистки устанавливают в зависимости от
степени загрязнения через воздушную среду или контакт с
оператором.
При контактной фотолитографии фо-
тошаблон непосредственно прижимается своей рабочей стороной
к полупроводниковой подложке, в результате чего как в фото-
шаблон, так и в подложку вносятся дефекты. Основной причи-
ной дефектов являются загрязнения контактирующих поверх-
ностей твердыми частицами (крошками кремния, различными
микроскопическими частичками, присутствующими в воздухе
и выделяемыми технологическими установками). В процессе
контакта фотошаблона и подложки усилие передается посто-
ронним частицам, которые повреждают слой фоторезиста и мо-
гут вызвать местное разрушение маскирующего слоя или
стекла.
При этом на фотошаблоне появляются дефекты, кото-
рые в процессе фотолитографии переносятся на слой фоторе-
зиста. Кроме того, в момент контакта происходит частичное
прилипание слоя фоторезиста к фотошаблону, особенно при
недостаточных температуре и времени первой термообработ-
ки.
После того как экспонирование полупроводниковой под-
ложки проведено и она вышла из контакта с фотошаблоном,
на его рабочей поверхности могут остаться частички фоторезис-
та, которые при экспонировании следующей подложки вызовут
нарушение формируемого рисунка. Образование дефектов в
фотошаблоне при контакте его с полупроводниковой подложкой
показано на рис. 44, а, б.
После нескольких контактов фотошаблон может накопить
такое количество дефектов, что в процессе фотолитографии
на полупроводниковой подложке будет формироваться маска
с уровнем дефектов выше допустимого.
Для того чтобы процесс контактной фотолитографии шел
с допустимой дефектностью, необходимо установить коли-
чество контактов между отмывками и проводить контрольные
проверки дефектности.
88
I Рис. 44. Образование де-
I фектов в фотошаблоне:
[• а - контакт с подлож-
I кой, б — после контак-
I та; I - стеклянная плас-
f тина, 2 ~ маскирующий
[ слой, 3 - загрязняющие
> частицы, 4 ~ слой фото-
г резиста, 5 - участок от-
f спаивания фоторезиста,
| 6 — полупроводниковая
f подложка, 7 - нарушения
г в светлом участке рабоче-
I го поля (разрушение стек-
| ла), '8 — прокол в мас-
I кирующем слое, 9 ~ на-
I липший участок фоторе-
I зиста
Фотошаблоны с твердым маскирующим покрытием и эмульсион-
ае фотошаблоны обладают различной стойкостью к истиранию и пов-
реждению маскирующего слоя.
В Хромовые и железооксидные маскирующие слои обладают
хорошей адгезией к стеклянной подложке и высокой твердо-
Встью, поэтому повреждение фотошаблонов с этими слоями в
процессе эксплуатации обычно обусловлено только выколка-
iMH в стекле. Эмульсионные фотошаблоны имеют достаточно
> мягкий эмульсионный слой толщиной 4 — 6 мкм, который лег-
ко повреждается, поэтому их стойкость ниже.
; Общее количество контактов для РФШ устанавливают в
зависимости от условий контакта, типа фотошаблона и уровня
допустимой дефектности. Так, для фотошаблонов с твердым
маскирующим покрытием количество контактов должно быть
50 — 100, а для эмульсионных — 10 — 20.
При контактной фотолитографии в производстве ИМС
высокой степени интеграции особое значение приобретает меж-
:Операпионная отмывка фотошаблонов. Чтобы обеспечить низ-
кий уровень вносимой дефектности вследствие переноса дефек-
тов с фотошаблонов, их отмывают через 2 — 5 контактов.
При этом используют специальную установку гидромехани-
ческой отмывки, аналогичную по принципу действия установке
гидромеханической отмывки полупроводниковых пластин. В
качестве моющего состава применяют водные растворы поверх-
ностно-активных веществ.
Финишную отмывку выполняют в струе деионизованной
воды, а сушку — на центрифуге.
89
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Из какого стекла изготовляют подложки фотошаблонов
и какие требования предъявляют к маскирующему слою?
2.	Чем короче маршрут изготовления фотошаблонов, тем
выше прецизионность и ниже дефектность. Почему не все фото-
шаблоны изготовляют по сокращенным маршрутам?
3.	С какой точностью необходимо поддерживать температу-
ру фотошаблона и кремниевой подложки, чтобы обеспечить
совмещаемость не хуже 0,3 мкм при условии, что ошибок сов-
мещения в шаблоне нет?
4.	Почему эталонные фотошаблоны подвергают 100 %-
ному контролю?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ
§ 2 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
В связи с тем что современная микроэлектроника вступила в эру
массового производства БИС и СБИС, резко возросли требования к
точности формируемых элементов рисунков, которая должна состав
лять ± (0,2	0,3) мкм при минимальных размерах топологических эле-
ментов 1 мкм и размерах модулей 10x10 мм и более. Все это тре-
бует создания и внедрения новых методов генерации и переноса изоб-
ражения.
Широкое использование ’’сухих” методов травления (плаз-
мо-и ионно-химических) привело к необходимости строгого конт-
роля не только размеров элементов, но и профиля формируе-
мых масок. Клин проявления фоторезиста стал одним из важ-
ных параметров процесса фотолитографии, появилась необ-
ходимость формирования элементов изображения в толстых
слоях фоторезиста, используемых в качестве масок при ионном
легировании и ’’сухих” процессах травления слоев металлов.
Исследованиями установлено, что дефекты маски размеров
11хо ~ 1 Is от минимального размера топологического элемента
являются опасными. Возникновение даже одного дефекта на
рабочей площади модуля ИМС приводит к выходу ее из строя.
Можно рассчитать, что при размерах модуля, близких к 10 х
х 10 мм2, их количество на полупроводниковой подложке будет
примерно 80. Поэтому при десяти фотолитографиях, необходи-
мых для формирования структур, количество вносимых дефек-
тов за один процесс фотолитографии должно составлять не более
5-6.
90
г При контактной фотолитографии такой уровень вноси-
। мой дефектности обеспечить чрезвычайно сложно. Кроме того,
I следует увеличивать точность выполнения элементов изобра-
жения, что при использовании фотошаблонов невозможно.
j Таким образом, при изготовлении СБИС возникает необ-
[ ходимость сокращения цикла генерации и переноса изображе-
| ния, перехода на проекционные (бесконтактные) методы лито-
I графии и повышения их точности и разрешающей способности.
|	§ 23. ЭЛЕКТРОНОЛИТОГРАФИЯ
|	Электронолитография основана на непосредственном создании
I или проекционном переносе изображения с помощью пучка электронов.
I Этот метод наиболее перспективен для формирования эле-
I ментов изображения, размеры которых составляют менее мик-
I рометра, и имеет несколько существенных отличий от фото-
I литографии.
К Электронный пучок, ускоренный электрическим полем
1при разности потенциалов U (В), характеризуется длиной волны
ж (нм) актиничного излучения
I X = 0,1 у/1501 и.
В Так, при разности потенциалов 15 000 В длина волны сос-
|тавит 0,01 нм, что более чем в десять тысяч раз меньше длины
||волны актиничного излучения, используемого в фотолитогра-
|фии. Следовательно, даже при формировании элементов раз-
|мером менее 1 мкм дифракционные явления не будет оказывать
|существенного влияния.
I Энергия кванта света£у = hcj\, а при прохождении ускоря-
|ющей разности потенциалов U энергия электрона
I Ее = тес + eU,
де h -6,62 • 10"34 Вт * с — постоянная Планка; т = 9,1 *х
* 10~28 г — масса электрона; с = 3 • 108 м/с — скорость света
। вакууме; е - 1,6 • 10”19 Кл — заряд электрона.
Таким образом, при X = 0,4 мкм энергия кванта света Еу =
= 5 * 10”19 Дж, а при U — 15 000 В энергия электрона Ее = 8,33 х
U0’14 Дж.
Столь высокая энергия актиничного излучения (в сто тысяч
раз большая энергии кванта света) позволяет применять в элек-
ронолитографии специальные чувствительные полимерные сос-
авы, называемые электронорезистами. Электронорезисты ха-
рактеризуются коэффициентом чувствительности, который оп-
ределяется зарядом, образующимся при их экспонировании
(учком электронов на единицу площади (Кл/см^2).
91
Сравнительные характеристики фото- и электронорезистов
при экспонировании их электронным пучком приведены в
табл. 4.
Таблица 4. Характеристики экспонирования резистов
Актиночувствительная
композиция
Разрешающая способ- Коэффициент чувст-
ность, линий/мм вительности при V --
= 15 000 В, Кл/см2
Фоторезисты:
позитивные
негативные
Электронорезисты на
основе:
метакрилатов
силиконов
600	6•10“4
300	(5 ^8) • 10"5
1000
1250
1СГ5 - 5 • 10"6
10"3 - 10"6
При экспонировании электронорезиста происходит рассея-
ние электронов пучка на ядрах его атомов и орбитальных элек-
тронах. Так как толщина слоя электронорезиста обычно мала
(0,3 — 1,0 мкм), пучок элек-
тронов проходит через него и
рассеивается в нижележащем
Рис. 45. Рассеяние пучка элект-
ронов в слое электронорезиста
и подложке:
1 - первичный пучок электро-
нов, 2 - слой электронорезиста,
3 - подложка, 4 - область прямо-
го и обратного рассеяния электро-
нов
92
слое и подложке (рис. 45).
При этом наблюдается прямое
и обратное рассеяние электро-
нов, суммарное действие кото-
рого расширяет область экспо-
нирования по сравнению с пер-
вичным пучком. Так, при диа-
4 метре пучка d0 = 50 нм, тол-
щине слоя электронорезиста
0,5 мкм и энергии 20 кэВ
диаметр рассеянного пучка эле-
ктронов будет равен 200 нм.
Естественно, что чем тоньше
слой электронорезиста, тем
больше его разрешающая спо-
собность.
При попадании электро11
ного пучка в тонкий полимер-
ный слой электроны при упру-
гих и неупругих столкновениях
теряют свою энергию. Эти про-
цессы и называют рассеянием электронов. При таком рассея-
нии возникает поперечный поток электронов в направлении,
перпендикулярном направлению падающего пучка. При прохож-
дении пучка электронов в подложку в ней также происходят
рассеяние и отражение электронов (обратное рассеяние).
Характеристики рассеяния зависят от энергии, тока и гео-
метрии электронного пучка, толщины слоя электронорезиста
и материала подложки. Обратное рассеяние оказывает влияние
на экспонирование электронорезиста. Поэтому участки слоя
электронорезиста, нанесенные на различные по составу слои,
Рис. 46. Формы клина проявления на тонком слое по-
зитивного электронорезиста (а) и на толстых слоях
позитивного (6) и негативного (в) :
1 - пучок электронов, 2 — слой электронорезиста,
3 — подложка, 4 - область рассеяния и поглощения
электронов, 5 - клин проявления
93
получают разные дозы облучения и будут проявляться по-
разному.
Характеристиками рассеяния электронов в слое электронорезиста
определяется форма клниа проявления, которая зависит также от энер-
гии воздействующих электронов, типа электронорезиста (позитивный
или негативный), его толщины и состава слоев осажденных на подложку.
Формы клина проявления электронорезиста в зависимости
от толщины его слоя показаны на рис. 46, а - в. Если пучок
1 электронов проходит через слой 2 электронорезиста и не
успевает рассеяться, так как его толщина мала, а энергия элек-
тронов велика, формы клина 5 проявления близка к вертикаль-
ной (рис. 46, а). Когда рассеяние электронов происходит в
основном в объеме слоя электронорезиста большой толщины,
после проявления форма его клина повторяет форму и облас-
ти рассеяния электронов (рис. 46, б, в). На позитивных элект-
ронорезистах в этом случае получают ’’отрицательный” клин
проявления, а на негативных — ’’тянутый”.
Рассеяние электронов в слое электронорезиста влияет не
только на форму клина проявления, но и существенным обра-
зом определяет возможность формирования малых элементов
изображения. Так, на рис. 45 была пунктиром показана граница
области проявления при экспонировании электронным пуч-
ком. На самом деле область рассеяния электронов намного
больше. Если элементы изображения лежат в непосредствен-
ной близости друг к другу, то дозы, полученные от рассеян-
ных при экспонировании электронов, складываются и могут
Рис. 47. Проявление ’’эффекта близости” при экс-
понировании в случаях отсутствия (а) и наличия
(б) рассеяния электронов:
1 — распределение первичного пучка электронов,
2 — уровень облучения, необходимый для полного
проявления, 3 -- полученное изображение, 4 - реаль-*
ное (рассеянное) распределение электронов при
экспонировании, 5 — суммарное распределение до-
зы облучения с учетом рассеяния (эффект близости)
94
вызвать существенное искажение геометрии элементов после
проявления.
Рассмотрим, как ’’хвосты” рассеяния от экспонированных
областей складываются и приводят к проявлению областей,
в которые не проходило прямое экспонирование электронным
пучком, но которые получили суммарную дозу, достаточную
для их проявления. При малом рассеянии (тонкий слой электро-
норезиста — рис. 47, а) область проявления соответствует об-
ласти экспонирования, поэтому можно получить изображение
малых экспонируемых областей d при их близком взаимном
расположении. Сильное рассеяние электронов (рис. 47, б) ис-
кажает не только размеры проявленных областей, но и вызы-
вает взаимное влияние близко расположенных элементов изо-
бражения. Такое влияние называют эффектом близости.
Эффект близости является самым значительным ограниче-
нием в электронолитографии по точности переноса изображения
и формирования элементов малых размеров. На рис. 48, а, б
показано, как исходная геометрия элементов искажается из-
за эффекта близости. Причем геометрия элементов может
настолько исказиться, что произойдет полное их слияние.
Уменьшением дозы экспонирования площади элемента
искажения устранить нельзя, так как это приведет к его недо-
проявлению. Поэтому для компенсации эффекта близости пред-
варительно устанавливают определенную дозу экспонирования
и выбирают необходимую геометрию элементов изображения.
Только так удается избежать влияния эффекта близости.
В электронолитографии применяют два способа непосредственно-
го формирования элементов изображения на полупроводниковых под-
ложках: последовательной экспозицией тонким сфокусированным элек-
тронным пучком круглого сечения (сканирующий способ) и последо-
вательным экспонированием прямоугольным пучком переменного сече-
ния (электронно-иаборный способ). Оба эти способа отличаются только
операцией экспонирования.
По сравнению с фотолитографией электронолитографии
обладает следующими преимуществами:
Рис. 48. Перенос изоб-
ражения элементов без
влияния ’’эффекта бли-
зости” (а) и искажение
их геометрии под его
влиянием (б):
1 - смыкание элемен-
тов, 2, 3 — допустимое
и не допустимое час-
тичное искажение фор-
мы элементов
95
29
1
Рис. 49. Структурная схема электронно-лучевой установки экспони-
рования:
1 — электронно-оптическая система, 2 - электронная пушка, 3, 7 -
формирующая первичный электронный пучок и промежуточная диаф-
рагмы, 4 - магнитная линза, формирующая электронный пучок, 5 -
отклоняющая пластина, 6, 8 - промежуточная фокусирующая и умень-
шающая магнитные линзы, 9 - система электродов отклонения и
отключения электронного пучка, 10 - магнитная система отклонения
электронного пучка, 11 — проекционная магнитная линза, 12 - экспо-
нируемая подложка, 13 - координатный стол, 14 - шлюзовая система
загрузки и смены подложек, 75 - вакуумная система с безмасляны-
ми средствами откачки, 16 ~ система привода координатного стола,
77 - блок контроля и управления вакуумной системы, 18 - систе-
ма управления координатным столом и загрузкой - выгрузкой под-
ложек, 19 - блок питания и контроля магнитной системы, 20, 25 -
блок и система контроля электронно-оптической системы, 21 - высо-
ковольтный блок, 22 - буферное быстродействующее запоминающее
устройство, 23 - арифметический блок расчета коррекций, 24 -
система контроля изображения и совмещения, 26 - интерфейс, 27 -
быстродействующая суперЭВМ, 28 — магнитная лента с топологичес-
кой информацией, 29 - система управления
во-первых, имеет принципиально большую разрешаю-
щую способность, обусловленную малым влиянием дифракци-
онных явлений;
во-вторых, пучок электронов можно отклонять и за-
пирать с большими скоростями с помощью электрических или
магнитных полей и управлять им по программе, заложенной
в ЭВМ;
в-третьих, электронный пучок можно фокусировать
с помощью магнитных линз в тонкий луч однородной плотности
или формировать с помощью диафрагм в прямоугольный лучок
переменного сечения;
в-четвертых, глубина резкости электронно-оптичес-
ких систем значительно больше, чем оптических проекционных,
что существенно снижает требования к геометрии полупровод-
никовых подложек;
в-пятых, так как электронно-лучевые системы разме-
щаются в вакуумной рабочей камере, подложки в процессе
экспонирования не загрязняются.
§ 24. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА ЭКСПОНИРОВАНИЯ
Электронно-лучевые установки экспонирования (рис. 49)
состоят из следующих систем:
электронно-оптической, предназначенной для формирова-
ния электронного пучка заданных форм и плотности тока;
сканирования электронного пучка в пределах рабочего
поля (осуществляется по программе в соответствии с тополо-
гическим рисунком);
мультипликации изображения по рабочему полю полу-
проводниковой подложки (подложка перемещается с помощью
точного координатного стола, аналогичного координатному
столу фотоповторителя);
совмещения электронного пучка со специальными метками,
нанесенными на полупроводниковую подложку.
Этими системами управляют специализированные быстро-
действующие микропроцессоры, которые, в свою очередь,
связаны в единую систему управления на основе быстродей-
ствующей универсальной ЭВМ.
Электронно-лучевые установки экспонирования являются наибо-
лее сложным и дорогостоящим оборудованием в общем цикле изго-
товления полупроводниковых приборов и ИМС, наладку н техническое
обслуживание которого должен выполнять специально обученный пер-
сонал.
Электронно-оптическая система (ЭОС) установки заключе-
4-1075	97
на в высоковакуумную камеру, в которой электронный пучок
без рассеяния достигает подложки. В качестве источника элек-
тронов используется накальный катод из вольфрама или гек-
саборида лантана LaB6. Плотность тока электронного пучка
составляет 20 — 50 А/см2, что обеспечивает малое время экспо-
нирования и, следовательно, большую скорость обработки.
Магнитные линзы и диафрагмы системы ЭОС формируют элек-
тронный пучок заданных формы и размера. Для программного
отклонения электронного пучка служит специальная электро-
магнитная система.
Размер рабочего поля, в пределах которого проводится
электромагнитное отклонение пучка, для снижения искажений
обычно выбирают от 1,2 х 1,2 до 6 х 6 мм2. Для перехода с
одного рабочего поля на другое перемещают координатный
стол 13, на котором механически закрепляется подложка.
Для формирования пучка определенных формы и размера
и экспонирования заданной топологии в минимальное время
служит специальная буферная быстродействующая память.
Управляющая ЭВМ 27 считывает информацию с магнитной лен-
ты 28 и передает ее в блок памяти 22, откуда она с помощью
специального быстродействующего арифметического устрой-
ства 23 переводится в управляющие команды установки. Связь
и координацию работы отдельных блоков управляющей системы
29 выполняет ЭВМ через параллельный интерфейс 26.
Команды от системы управления 29 в виде данных о фор-
ме и размере пучка, его местоположении и дозе экспонирования
поступают на исполнительные механизмы электронно-опти-
ческой системы 1 (рис. 50).
Источник 2 электронов этой системы должен обеспечивать
стабильное положение первичного электронного пучка в про-
странстве и постоянный высокий потенциал, в поле которого
ускоряются электроны. Основным элементов источника элек-
тронов является катод, долговечность которого очень важна,
так как при каждой его замене приходиться заново юстиро-
вать всю систему, что занимает много времени. Длительность
работы накальных катодов из вольфрама не превышает 50 ч,
а из гексаборида лантана LaB6 — 500 ч.
Существует еще один вид катодов — автоэмиссионнные,
которые излучают электроны благодаря высокому электричес-
кому полю вблизи их острия. Срок службы автоэмиссионных
катодов 1000 ч и более.
Для обеспечения более высокого срока службы катодов
необходимо увеличивать вакуум в объеме катодного узла,
для чего используют дополнительный высоковакуумный насос.
Чтобы обеспечить большую точность формирования элек-
98
тронного пучка и стаби-
лизировать его положе-
ние в пространстве, не-
обходимо стабилизиро-
вать магнитное поле
линз ЭОС. Для этого
стабилизируют ток, про-
ходящий в линзах,
и создают защиту от
внешних магнитных по-
лей. Кроме того, для
точной работы электрон-
но-оптической системы
следует постоянно конт-
ролировать напряжен-
ность внешних магнит-
ных полей.
Прямоугольный эле-
ктронный пучок форми-
руется двумя квадрат-
ными диафрагмами, а
его размеры задаются
их положением. Направ-
ление смещения пучка
показано на рис. 50.
Большая глубина рез-
кости электронно опти-
ческой системы (~ 20
мкм) намного облегчает
работу с подложками,
так как искажение их
геометрии не вызывает
изменения формы и раз-
меров экспонируемых
участков.
Однако следует
отметить, что при пре-
цизионных процессах
электронно-лучевого эк-
Рис. 50. Устройство электронно-оптичес-
кой системы с переменным прямоуголь-
ным пучком:
1 — источник электронов заданной энер-
гии, 2, 3 — блоки и система диафрагм
для формирования электронного пучка,
4, 6 - магнитные линзы, 5 - система от-
клонения пучка, 7 — полупроводниковая
подложка, 8 — прямоугольный электрон-
ный пучок, 9 — направление взаимного
формирующего положения диафрагм при
прохождении электронного пучка, lQf
11 — квадратные диафрагмы
спонирования искажения геометрии подложек влияют на точ-
ность положения экспонируемой области и совмещения фор-
мируемого изображения с ранее созданным. В современных
электронно-лучевых установках имеются специальные системы,
которые учитывают изменение геометрии подложек и вводят
при экспонировании соответствующие коррекции.
99
Сигнал А + В
Рис. 51. Формирование сигналов, поступающих от меток совме-
щения материального (а) и объемного рельефного (б) типов:
1 - исходный электронный пучок, 2 - отраженные электроны,
3, 4 - области подложки с повышенной и пониженной средней
атомной массой; А, В ~ датчики электронов
Рис. 52. Функциональная схема измерения сигналов от меток
совмещения:
1, 2, 3, 4 - датчики отраженных и вторичных электронов; УсА -
предварительный усилитель, УсВ - главный усилитель, АЦП -
аналогово-цифровой 12-разрядныЙ преобразователь, МП ~ микро-
процессор для обработки данных
Для непосредственного экспонирования необходимо пред-
варительно совместить наносимый рисунок с соответствующим
рисунком на полупроводниковой подложке. Эту операцию
выполняют, используя специальные метки совмещения, кото-
рые перед электронолитографией наносят на подложки. Как
уже отмечалось, при падении пучка электронов образуются
вторичные и отраженные электроны, интенсивность которых
определяется атомным номером вещества обрабатываемой
поверхности.
Если нанести на поверхность полупроводниковой подложки
метку из тугоплавкого материала (вольфрама, тантала и т.д.),
она даст сильный контраст при наблюдении в отраженных или
вторичных электронах. Фиксируя местоположение этой метки
в координатной системе электронного пучка, можно связать
с ней координаты подложки. Таким образом, сам электронный
пучок, как бы ощупывая под-
ложку, определяет по меткам
совмещения ее точные коор-
динаты и проводит экспониро-
вание с совмещением.
Система совмещения распо-
лагается непосредственно над по-
лупроводниковой подложкой и с
помощью полупроводников ых
датчиков фиксирует сигналы,
поступающие от меток.
Формирование сигналов, по-
ступающих от меток совмеще-
ния, показано на рис. 51, а, б, а
функциональная схема их изме-
рения - на рис. 52.
На подложки наносят метки
двух типов: объемные (рельеф-
ные) , получаемые травлением
углублений или выступов в по-
верхности подложки, и мате-
риальные из тугоплавких метал-
лов. Объемные метки предпо-
чтительнее, так как они более
устойчивы при технологическом
процессе изготовления ИМС.
При экспонировании элек-
тронный пучок засвечивает за-
данные участки в пределах еди-
ничного рабочего поля в резуль-
Рис. 53. Полное (а) и вектор-
ное (6) сканирование электрон-
ным лучом:
1 - поле развертки луча, 2 —
холостой ход луча, 3 - ход
луча в зонах экспонирования,
4 — векторный переход луча
101
тате электромагнитного отклонения и выключения при переходе
с фигуры на фигуру- Этот процесс называют сканированием.
Существует два способа сканирования.
При полном сканировании пучок откло-
няется по всему рабочему полю, а экспонирование ведется
только определенных участков (рис. 53,6?).
При векторном сканировании пучок от-
клоняется только в пределах фигуры экспонирования и осу-
ществляет кратчайший векторный переход с фигуры на фигу-
ру (рис. 53,6).
При экспонировании лучом прямоугольной формы покры-
тие фигуры проводится аналогично фотонаборному методу,
т. е. последовательно заполняются площади экспонирования
элементарными прямоугольниками и осуществляется вектор-
ный переход с фигуры на фигуру.
§ 25. РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
При рентгеиолитографни изображение на полупроводниковую под-
ложку переносится с шаблона, называемого рентгеиошаблоном, с по-
мощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого Л =
= 0,5	2 нм. Разрешающая способность рентгеиолитографни 0,2 —
0,3 мкм.
В настоящее время рентгенолитография не нашла широко-
го применения в серийном производстве полупроводниковых
приборов и ИМС из-за сложности технологии и используемого
оборудования. Для реализации рентгенолитографии необходимы:
мощный источник рентгеновского излучения с малой расхо-
димостью пучка;
рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, конт-
растностью и малым температурным коэффициентом линейного
расширения;
рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чув-
ствительности;
системы мультипликации изображения, погрешность совме-
щения которых не превышает 0,03 — 0,05 мкм.
Упрощенная схема экспонирования при рентгенолитографии
показана на рис. 54.
При рентгенолитографии используют два способа переноса
изображения с рентгеношаблона на рабочую площадь подложек:
полностью и мультипликацией.
В обоих случаях совмещение выполняют по специальным
меткам на рентгеношаблоне и подложках при освещении моно-
хроматическим излучением видимого диапазона, а экспониро-
вание — рентгеновским.
102
Рис. 54. Схема экспонирова-
ния рентгенолитографии:
1 — поток рентгеновских
лучей, 2 ~ канал совмеще-
ния, 3 — опорная рамка
рентгеношаблона, 4 — об-
ласть экспонирования (ок-
но в опорной рамке), 5 —
рисунок на слое, непрозрач-
ном для рентгеновских лу-
чей, 6 - окно для совме-
щения рентгеношаблона и
подложки, 7 - пленка, несу-
щая рисунок и прозрачная
для рентгеновских лучей,
8 — метка совмещения на
подложке, 9 — слой рент-
генорезиста, 10 ~ подложка
Плотность потока рентгеновский лучей, падающих на под-
ложку, обратно пропорциональна расстоянию от их источника.
Поэтому это расстояние, чтобы уменьшить время экспониро-
вания, с одной стороны, должно быть небольшим, а с другой,
для уменьшения размытости изображения из-за расходимости
рентгеновского луча — большим. Кроме того, необходимо
устанавливать с высокой точностью (не хуже 0,5 мкм) зазор
между поверхностями рентгеношаблона и подложки, для чего
их закрепляют в специальном устройстве.
Как известно, при облучении поверхности потоком
ускоренных электронов она излучает рентгеновские лучи. Для
создания высокоинтенсивного потока рентгеновского излу-
чения необходимо использовать электронные пучки высокой
плотности тока. В качестве материалов, используемых для
изготовления мишеней, способных излучать рентгеновские лучи
требуемых длин волн, обычно служат Си, Al, Mo, Pd.
Основной характеристикой источника рентгеновского излу-
чения является длина волны и способность материала мишени
выдерживать электронный поток высокой интенсивности. Ми-
шень при облучении мощными потока электронов сильно на-
гревается, плавится и испаряется, поэтому отвод теплоты явля-
ется основной задачей при создании высокоинтенсивных источ-
ников излучения. Так как электроны и рентгеновские лучи
достаточно легко рассеиваются в воздухе, необходимо рентге-
новский источник помещать в высокий вакуум. По этой же
причине систему совмещения и экспонирования также распола-
гают в низковакуумной рабочей камере или заполняют камеру
гелием.
Высоковакуумная часть установки рентгенолитографии
103
отделяется от низковакуумной в аку умно-плотным окном,
прозрачным для мягкого рентгеновского излучения. Этим
требованиям отвечают окна из бериллия или прочных орга-
нических пленок толщиной до 7 — 8 мкм, которые, кроме
того, обладают незначительным поглощением рентгеновского
излучения и обеспечивают надежную изоляцию объемов источ-
ника и рабочей камеры.
В настоящее время в рентгенолитографии используют
точечные источники мягкого рентгеновского излучения, в ко-
торых электронный пучок фокусируется на вращающейся
с большой частотой (10 000 об/мин и более) мишени, охлаждае-
мой проточной водой.
Наиболее перспективным источником рентгеновского излу-
чения является синхротронное излучение, создаваемое ускори-
телем электронов в магнитном поле при движении их по криво-
линейным траекториям. Синхротронное излучение имеет непре-
рывный спектр, максимум которого при достаточно большой
энергии (до 1 ГэВ) приходится на область мягкого рентгенов-
ского излучения.
Использование синхротронного излучения в рентгенолито-
графии обусловлено его сильной природной коллимацией, т. е.
малой расходимостью потока. В каждой точке криволинейного
участка орбиты поток синхротронного излучения сосредоточен
в пределах очень узкого конуса с углом вертикальной расходи-
мости порядка нескольких угловых секунд. В результате этого
при экспонировании геометрические искажения переносимого
изображения оказываются незначительными.
Синхротронное излучение обладает высокой интенсивностью и
превосходит в тысячи раз рентгеновское излучение, создаваемое мише-
нями. Благодаря этому экспонирование синхротронным излучением
составляет единицы секунд, что обеспечивает высокую производитель-
ность рентгенолитографии.
Стоимость синхротронов очень велика, поэтому необходи-
мо использовать их на множество каналов экспонирования.
Следует отметить, что при использовании синхротронного
излучения плоскости рентгеношаблона и подложки должны
располагаться по вертикали. Это надо учитывать при проектиро-
вании установок совмещения и мультипликации, так как под-
ложки должны точно перемещаться в вертикальной плоскости.
Рентгенорезисты не являются особым классом органических
соединений и не отличаются по механизму работы от электро-
норезистов. Особенность состоит лишь в том, что поглощение
слоем резиста рентгеновского излучения меньше, чем электрон-
ного, поэтому и эффективность экспонирования рентгеновски-
104
ми лучами ниже. В результате поглощения кванта энергии рент-
геновского излучения в резисте возникают фотоэлектроны,
которые, взаимодействуя с полимерной основой позитивных
или негативных резистов, приводят к ее деструкции или объем-
ной полимеризации.
Кроме того, следует учитывать, что в результате поглоще-
ния рентгеновского излучения подложка также излучает элек-
троны, которые производят дополнительное экспонирование.
Именно вторичное электронное излучение ограничивает разру-
шающую способность рентгенолитографии.
Важной проблемой рентгенолитографии является разработка тех-
нологии изготовления рентгеношаблонов, которые должны отвечать
определенным требованиям. Маска ренттеношаблона, нанесенная на тон-
кую мембрану, должна хорошо поглощать рентгеновское излучение,
а мембрана должна обладать малым коэффициентом поглощения, дос-
таточной механической прочностью н не давать усадок и искажений
при изменении внешних условий.
Исходя из этих требований, маски формируют в виде тон-
ких пленок Au, Pt, W, Mo, а мембраны изготовляют в виде
тонких слоев Be, Si, SiO2, Si3N4, A12O3, их сочетаний или спе-
циальных безусадочных полимерных пленок.
Как правило, рентгеношаблоны выполняют на жестком кар-
касе (обычно — это селективно вытравленные кремниевые
подложки), на который наносят мембрану. Изображения эле-
ментов на рентгеношаблоне создают электронолитографией.
При рентгенолитографии следует учитывать также радиа-
ционные дефекты, которые возникают как в экспонируемых
полупроводниковых подложках, так и в рентгеношаблонах.
Дефекты, возникающие в формируемых в подложках тран-
зисторных структурах, устраняют термическим отжигом.
Высокие дозы рентгеновского излучения приводят к тому,
что сроки использования рентгеношаблонов невелики.
Одним из достоинств рентгенолитографии является воз-
можность получения структур субмикронных размеров с низ-
ким уровнем дефектности. Это объясняется тем, что загрязняю-
щие частицы, как правило органические, существенно не ос-
лабляют рентгеновское излучение при экспонировании, вслед-
ствие чего дефекты рентгеношаблона не переносятся на слой
рентгенорезиста на подложке.
Рентгенолитографию следует рассматривать как один из
наиболее перспективных методов литографии при изготовле-
нии сверхбыстродействующих полупроводниковых приборов
и ИМС.
105
§26. ИОНОЛИТОГРАФИЯ
При нонолитографии сохраняются принципы формирования изоб-
ражения элементов, применяемые при электронно-лучевой литографии,
но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Разрешаю-
щая способность нонолитографии 0,1 - 0,2 мкм.
Ионолитография обладает рядом достоинств, которые обус-
ловлены особенностями взаимодействия ионов с материалом
резиста.
Первое достоинство состоит в том, что ионы,
обладая значительно большей массой, чем электроны, активно
взаимодействуют с материалом резиста, следовательно, больше
тормозятся и имеют малый пробег, а значит и меньше, чем
электроны, рассеиваются. Таким образом, эффект близости
при нонолитографии проявляется незначительно, что обуслов-
ливает ее высокую разрешающую способность.
Второе достоинство связано с сильным погло-
щением ионов, поэтому перенос изображения можно проводить
при меньших, чем при электронолитографии, дозах.
Кроме того, пучком ионов можно непосредственно локаль-
но легировать структуру ИМС, т. е. формировать им соответ-
ствующие структурные области (базы, эмиттеры, стоки, исто-
ки и др.). При этом пользуются узким прямоугольным пучком
переменной формы, которым непосредственно сканируют соот-
ветствующие области или обрабатывают их широким пучком
через трафаретный шаблон. Остальные элементы этих установок
такие же, как в установках электронно-лучевой литографии
(см. § 24).
Таким образом, при формировании структур ИМС узким
пучком процесс литографии в обычном понимании заменяется
процессом размерного легирования, называемым импланто-
графией.
Основными элементами установок нонолитографии, созда-
ние которых вызывает наибольшие трудности, являются ис-
точники ионов и системы фокусировки и развертки ионных
пучков.
Источник ионов должен обеспечивать формирование ион-
ного пучка необходимой энергии и высокой плотности тока.
Энергией ионов, как и при ионном легировании, определяется
глубина их проникновения в подложки.
В настоящее время развиваются два направления разработки
мощных ионных источников: с ионизацией паров жидких метал-
лов или газа в сильном электрическом поле. Ионизация в этих
источниках происходит вблизи острия электрода, на который
подается потенциал. При напряженности электрического поля
106
до 106 — 107 В/см в него вводится капля расплавленного метал-
ла на подогреваемом электроде или газ. В сильном поле ионы
вырываются из жидкометаллической фазы или газ, находящий-
ся вблизи острия, притягивается к нему и ионизируется. Обра-
зовавшиеся ионы вытягиваются из области ионизации системой
электродов и ускоряются до заданной энергии.
В последнее время созданы и исследуются возможности
применения источников ионов Н, Не, Ar, Ga, Au, In, Si, Al, Ge.
Можно предполагать, что процессы имплантографии займут
ведущее место в автоматизированных технологических системах
создания СБИС.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Чем обусловлена большая разрешающая способность,
электронно-лучевой и рентгенолитографии по сравнению с
фотолитографией?
2.	Почему электронно-лучевая литография обладает мень-
шей, по сравнению с фотолитографией, производительностью?
3.	Каков принцип действия установки электронно-луче-
вой литографии?
4.	Каким способом выполняют операцию совмещения при
электронолитографии?
5.	Какие источники излучения применяют в рентгенолито-
графии?
6.	Как изготовляют рентгеношаблоны?
7.	Каковы достоинства ионолитографии?
8.	Каков принцип действия источников ионов для ионо-
литографии?
ГЛАВА Ч ЕТВ ЕРТАЯ
КОНТРОЛЬ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
§ 27.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
При фотолитографии, как известно, дефекты шаблонов переносятся
на фоторезистовую маску при совмещении, экспонировании и проявлении,
а с маски - на технологический слой при травлении.
Для получения структур полупроводниковых приборов и
ИМС с требуемыми допусками на размеры элементов и без
дефектов необходимо на всех этапах переноса изображения вы-
полнять строгий контроль.
При производстве фотошаблонов про-
107
изводят входной контроль материалов (фоторезистовых плас-
тин и фотопластинок) на соответствие ТУ.
Промежуточные фотошаблоны контролируют на соответ-
ствие исходной топологии (правильность выполнения полного
рисунка слоя). Кроме того, их контролируют на соответствие
размерам, по дефектности и совмещаемости слоев в комп-
лекте.
Эталонные фотошаблоны подвергают 100 %-ному контро-
лю на дефектность, воспроизводимость контролируемого эле-
мета и совмещаемость.
Рабочие фотошаблоны с твердым маскирующим покры-
тием также 100 %-но контролируют на дефектность и воспро-
изводимость контролируемого элемента, а эмульсионные -
выборочно.
При фотолитографии производят входной тех-
нологический контроль фоторезистов на соответствие ТУ и ус-
тановление режимов обработки (режимы сушки, экспонирова-
ния и проявления устанавливаются для каждой партии фото-
резиста). Выборочно контролируют качество нанесения слоя
фоторезиста. Сформированную фоторезистовую маску конт-
ролируют по следующим параметрам:
точности совмещения (каждую подложку в партии);
воспроизводимости размера контролируемого элемента
(несколько контрольных точек на каждой подложке);
дефектности (выборочно по модулям на подложке и по
подложкам в партии).
Таким образом, множество выполняемых при фотолито-
графии контрольных операций указывает, какое важное зна-
чение они имеют в общем технологическом цикле изготовле-
ния полупроводниковых приборов и ИМС.
При изготовлении БИС, размеры элементов которых сос-
тавляют 1 — 1,5 мкм, существенную роль играют не только
размеры элементов фоторезистивной маски в плане, но и форма
клина проявления. Это обусловлено тем, что при плазмохими-
ческом травлении, которое для БИС становится основным,
формой клина проявления определяется как форма клина
травления технологического слоя, так и размер протравлен-
ного элемента.
В качестве контролируемого обычно выбирают наиболее трудно
получаемый элемент маски, которым, как правило, является элемент
наименьшего размера.
Особенности большинства процессов фотолитографии сос-
тоят в том, что если минимальный размер попадает в требуемый
допуск, то автоматически выполняются требования по точности
108
воспроизведения больших размеров. Так как при фотолитогра-
фии проводится совмещение фотошаблона с ранее сформирован-
ной структурой на полупроводниковой подложке и эта опера-
ция является индивидуальной для каждой подложки, то конт-
ролировать точность совмещения также приходится на каждой
подложке.
При нанесении на подложку слоя фоторезиста, контакти-
ровании ее с фотошаблоном и других операциях возможно по-
вреждение или загрязнение поверхности фоторезистового слоя,
которое приводит к образованию дефектов в виде царапин или
значительных областей поражения маски. Такие большие дефек-
ты, называемые макродефектами, могут быть выявлены визу-
альным контролем подложек в отраженном пучке света.
Если на поверхности подложки нет дефектов или загряз-
нений (рис. 55, п), первичный параллельный пучок света зер-
кально отражается от нее и наблюдатель не фиксирует светя-
щихся точек. При этом поверхность подложки в зависимости
от угла наблюдения, выглядит либо темной, либо равномерно
окрашенной. Если же на поверхности подложки имеются дефект
или загрязнения (рис. 55, б), первичный пучок света рассеива-
ется на них. При этом дефект фиксируется как светящиеся точки.
Малые точечные дефекты, называемые микродефектами,
контролируют в очень сильных пучках света. При этом следует
избегать прямого попадания в глаз наблюдателя отраженного
от подложки пучка света.
Для контроля всей поверхности подложку перемещают
(сканируют) под освещающим пучком, слегка наклоняя и пово-
рачивая. Это позволяет контролировать также гладкие дефекты,
рассеивающие или отражающие свет в определенном направ-
Рис. 55. Наблюдение макродефектов и загрязнений на поверхности
подложек:
а - чистой, б - загрязненной; 1 - подложка, 2, 5 - первичный
и отраженный пучки света, 3 ~ глаз наблюдателя, 4 - направление
наблюдения, 6 - рассеивающая первичный пучок загрязняющая
частица
109
лении. Этот метод контроля основан на наблюдении интенсив-
ных отраженных пучков света, создаваемых микродефектами.
Аналогично на ночном небе мы различаем звезды, как яркие
источники света, хотя их угловые размеры настолько малы,
что человеческий глаз не различает их как материальные
объекты.
При производстве полупроводниковых приборов и ИМС
особое внимание уделяют точности геометрических размеров
элементов и уровню дефектности формируемых масок. Так как
от геометрических размеров элементов зависят электричес-
кие параметры изделий, превышение их (нарушение норм допус-
ка) ведет к браку.
Дефектностью - плотностью дефектов, т. е. их количеством на еди-
ницу площади, определяется процент выхода годных изделий.
С ростом степени интеграции ИМС уменьшаются допуски
на точность выполнения и совмещения элементов изображения.
В настоящее время минимальные размеры элементов составля-
ют около 1 —	2 мкм, допуски на линейные размеры
лежат в пределах ± (0,2 + 0,3) мкм. При этом погрешность
измерительных средств должна быть не более 1 /3 — 1 /5 от до-
пуска, т. е. примерно 0,04 — 0,06 мкм.
Такие требования к измерительным системам довольно
высоки и вызывают необходимость применения специальных
методов и средств контроля. Кроме того, следует учитывать
влияние контрольной операции на качество проверяемых струк-
тур. Так, контролировать качество нанесения и толщину слоя
фоторезиста необходимо при неактиничном освещении в услови-
ях минимального загрязнения.
Линейные размеры изображения контро-
лируют следующими методами: визуальным, фотоэлектричес-
ким, дифракционным.
Совмещение изображений фотошаблона и
подложки, а также рабочие и промежуточные фотошаблоны кон-
тролируют методом оптического наложения или точных коор-
динатных измерений.
Дефектность пленок или сформирован-
ных масок контролируют по внешнему виду увеличен-
ного изображения визуально или автоматически.
§ 28.	ВИЗУАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ
Визуальный контроль линейных размеров основан на наблюдении
увеличенного микроскопом изображения элементов и последующего
измерения с помощью измерительных окуляр-микрометров и окуляр-
калибров.
110
Окуляр-микрометр используют в качестве изме-
рительного устройства микроскопа. Наблюдая в микроскоп
увеличенное изображение элемента, совмещают с его краем
контрольный штрих окуляр-микрометра и отсчитывают показа-
ния по шкале. Перемещая контрольный штрих от одного края
до другого и зная цену деления шкалы окуляр-микрометра,
определяют размер элемента. Применяемые микроскопы обыч-
но имеют увеличение 300 — 600 раз, а окуляр-микрометры
15 - 16 раз.
Как показали исследования, результаты измерений один
и тех же элементов на различных микроскопах значительно
отличаются друг от друга. Погрешность измерения достигает
0,5 мкм. Однако этот метод можно применять для оценки
воспроизводимости размеров, т. е. для выполнения относитель-
ных измерений. Высокая погрешность измерения обусловлена
ошибками наведения контрольного штриха на край элемента
изображения, неточностью фокусировки при получении увели-
ченного изображения, его цветовыми характеристиками, конт-
растностью и способом наблюдения в световом пучке (отражен-
ном или проходящем свете).
В реальных условиях в микроскоп наблюдают нерезкое
изображение края элемента, что затрудняет воспроизводимое
наведение на него контрольного штриха окуляр-микрометра.
Для облегчения этой операции используют биштриховую систе-
му наведения.
Способы наведения на край элемента изображения биштри-
ховой и штриховой меток показаны на рис. 56, а, б.
Биштриховую метку (двойную риску) наводят так, чтобы
край элемента изображения располагался симметрично между
Рис. 56. Наведение биштриховой (а) и штри-
ховой (б) меток отсчета в окуляр-микромет-
ре и контроль размера элемента (отверстия)
в слое фоторезиста (в) по верху I и низу II
5)

111
штрихами. При этом способе не возникает проблемы точного
наведения на определенную область края элемента. Так, шаб-
лоны, изготовленные на эмульсионных фотопластинках, имеют
сильно размытый край элементов изображения, поэтому точ-
ное наведение на него сложно и может быть выполнено только
с помощью биштриховой метки. Если край элемента изображе-
ния металлизированных фотошаблонов резкий, но имеет микро-
неровности, сравнимые с шириной измерительной риски, наве-
дение можно выполнять как с помощью биштриховой, так и
штриховой метки.
Клин проявления в слое фоторезиста может быть часто
значительной ширины, что затрудняет точное определение разме-
ра элемента изображения, который расположен не в одной плос-
кости, а имеет пространственную трехмерную конфигурацию.
Поэтому определять его размер следует с учетом клина прояв-
ления. Как видно из рис. 56, в, в зависимости от наведения
на верхнюю / или нижнюю II кромку клина проявления элемен-
та изображения (отверстие) получают разные результаты.
Клин проявления - очень важный параметр процесса фотолитогра-
фии, форма и ширина его во многом определяются режимом и спосо-
бом травления технологических слоев через маску в фоторезисте. Осо-
бенно велико его влияние при плазмохнмическом травлении.
При считывании результатов при измерениях окуляр-микро-
метро м необходимо выполнять следующие основные правила.
Винт для перемещения контрольного штриха следует пово-
рачивать по направлению ввинчивания, что необходимо для
устранения его свободного хода и увеличения точности наведе-
ния штриха.
Для уменьшения случайных ошибок наведения штриха
и снятия отсчетов следует повторить измерения 3—5 раз. За
измеренное значение принимают среднее арифметическое. При
значительных отклонениях в серии измерений наибольшее и
наименьшее значения не учитывают.
Измерения надо выполнять при максимально достижимой
резкости изображения элемента, избегая резких толчков и
движений основания микроскопа.
Перед измерениями микроскоп и окуляр-микрометр дол-
жны быть аттестованы контролером с помощью штриховой
меры - специализированного объект-микрометра (рис. 57),
изготовляемого фотолитографией так же, как металлизиро-
ванные фотошаблоны.
На кварцевой пластинке 2 располагается измерительная
линейка 1 объект-микрометра, выполненная травлением плен-
ки хрома. Темные штрихи шириной 3 мкм на светлом фоне поз-
112
воляют использовать эту линейку как в отраженном, так и в про-
ходящем свете. Расстояние между штрихами равно 20 мкм
и выдержано с точностью не хуже ± 0,1 мкм, что позволяет
определить цену деления окуляр-микрометра измерительного
микроскопа. Для устранения ошибок, связанных с угловыми
погрешностями размещения измерительной линейки относитель-
но направления перемещения штрихов окуляр-микрометра,
служат специальные установочные штрихи 4
Для защиты и механической прочности штриховой меры
кварцевая пластинка заключена в металлическую державку
3. К каждой мере прилагается паспорт, определяющий ее по-
грешность. Чтобы уменьшить погрешность окуляр-микрометра,
аттестацию надо проводить на одних и тех же штрихах одной
меры. Для повышения точности аттестации следует, как и
при снятии отсчетов, выполнять многократные измерения
объект-микрометра.
Ошибка измерения размеров элементов изображения стан-
дартными окуляр-микрометрами (МОВ-15Х и МОВ-16Х) сос-
тавляет ± 0,15 мкм. Для уменьшения ошибок наведения и
считывания результатов, а также облегчения расчета средних
значений при многократных измерениях разработан специаль-
ный электронный окуляр-микрометр МОЭ1-15, обеспечиваю-
щий автоматический отсчет и усреднение данных.
Окуляр-калибр ы применяют в тех случаях, когда
нет необходимости точно знать размер элемента изображения,
а надо только установить, попадает ли он в требуемый допуск,
4
Рис. 57. Штриховая
мера - объект-микро-
метр для определения
цены деления окуляр-
микрометра в изме-
рительных микроско-
пах:
1 - кварцевая плас-
тинка, 2 - измери-
тельная линейка, 3 -
державка, 4 - уста-
новочные штрихи
Ъ7,
из
и вводят вместо контрольного штриха в плоскость изображения
окуляр-микрометра. Окуляр-калибр выполняется в виде соот-
ветствующих сеток-калибров из полупрозрачного покрытия на
стеклянной подложке. Набор калибров для трех элементов
а, б ив различных размеров показан на рис. 58.
При измерениях совмещают изображения сетки и контро-
лируемого элемента. Если контур элемента ложится между
Рис. 58. Окуляр-калибр для контроля
размеров элементов на соответствие до-
пускам :
1 ~ измеряемый элемент, 2, 3 — минималь-
ный и максимальный допустимые размеры
элемента а
малым (внутренним)
и большим (внешним)
элементами сетки, кон-
тролируемый размер
попадает в допуск. Ес-
ли допуски не соблю-
дены, контур контро-
лируемого элемента
оказывается за штри-
хами сетки.
Этот метод контро-
ля линейных размеров
элементов изображе-
ния очень производите-
лен, но требует точно-
го изготовления сетки-
калибра для каждого
измеряемого элемента
и поэтому использует-
ся только при массо-
вом контроле однотип-
ных элементов.
Изготовив широ-
кий набор калибров
а, б, в, г и т.д. с раз-
ностью в допусках 0,1 мкм, можно выполнять сравнительные
измерения, при которых микроскоп будет использоваться лишь
в качестве увеличительного, а не измерительного прибора. Не-
достаток таких измерений — ограниченность размеров, кото-
рые могут одновременно определяться одним калибром.
§29.	ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
Визуальный метод измерения линейных размеров элемен-
тов изображения не обеспечивает высокую точность наведения
на край, которая определяется не только такими его характерис-
тиками, как нерезкость или размытость, но и субъективными
представлениями оператора и способностью его зрительного
аппарата.
114
Фотоэлектрический метод контроля размеров элементов изобра-
жения позволяет значительно уменьшить ошибку наведения и тем самым
повысить точность измерения и основан на фотоэлектрическом контро-
ле максимального и минимального уровней интенсивности света при
перемещении контрольной щели перпендикулярно краю элемента.
При этом методе (рис. 59, я) элемент изображения
освещается пучком света, который через контрольную щель
попадает в фотоэлектрическое приемное устройство. Электри-
ческий сигнал, вырабатываемый этим устройством, пропорцио-
нален освещенности щели и соответствует оптической плот-
ности той части элемента, над которой расположена щель.
Краю контролируемого элемента изображения соответ-
ствует такое положение щели, при котором интенсивность
I ее освещенности (рис. 59, б) достигает заранее установлен-
ного значения — обычно 50 % от максимального и минималь-
ного уровней.
Контролируемый размер элемента изображения определя-
ется по расстоянию, на которое перемещается контрольная щель
от одного Хо до другого края элемента изображения. Это рас-
стояние зависит от скорости и времени перемещения контроль-
ной щели между двумя краями элемента. Контроль края эле-
мента изображения по соответствующему уровню сигнала осу-
ществляется автоматически, что исключает внесение субъек-
тивной ошибки.
Для фотоэлектрического контроля размеров элементов
изображения используют фотоэлектрические микроскопы, вос-
производимость отсчета которыми составляет 0,005 мкм.
Основные трудности при использовании фотоэлектричес-
1	2
Рис. 59. Контроль края элемента изображения фотоэлектрическим
методом (а) и форма регистрируемого сигнала (б) 
1 — контрольная щель фотоэлектрического приемного устройства,
2 - клин изображения; 3 - направление перемещения (сканирования)
щели	115
кого метода состоят в том, что результаты измерений зависят
от формы клина проявления (или переходной области края
элемента), а также оптических характеристик измеряемых
слоев. Точность фотоэлектрического метода контроля с учетом
условия формирования электрического сигнала и ошибок
измерительной системы примерно равна 0,05 мкм. В настоя-
щее время этот метод является одним из основных аппаратных
методов контроля размеров элементов изображения.
§ 30.	ДИФРАКЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
С уменьшением размеров элементов ухудшается качество
их изображения при наблюдении в микрообъектив измеритель-
ных микроскопов и резко возрастают ошибки при контроле.
Измерительные микроскопы сами становятся источником
ошибок, обусловленных искажением формы и размеров элемен-
тов изображения при увеличении. Повышение разрешающей
способности связано с уменьшением глубины резкости, а сле-
довательно, и большими ошибками при наведении на край
элемента изображения.
Использование явления дифракции света позволяет отказаться
от контроля увеличенных изображений элементов и избежать ошибок,
обусловленных применением проекционных систем. Дифракционный
метод основан на фотометрической дифракционной картине, получае-
мой от элемента изображения или их группы при освещении.
Наиболее простым случаем является контроль дифракцион-
ной картины от одинаковых элементов шириной Ъ с промежут-
ками а (рис. 60, я), которые образуют так называемую диф-
ракционную решетку. При падении на дифракционную решетку
плоской световой волны свет на ней дифрагирует и наблюда-
емая дифракционная картина содержит ряд главных максиму-
мов, положение которых определяется формулой
d sin = ± m X ,
где d = а + Ъ — период дифракционной решетки; у — угол диф-
ракции; m — целое число, X — длина волны светового излу-
чения.
Дифракционное перераспределение интенсивности свето-
вого излучения, прошедшего через решетку (рис. 60, б), зави-
сит не только от указанных параметров. При увеличении коли-
чества элементов изображения уменьшается ширина максиму-
мов и возрастает точность контроля угла дифракции <р.
Фотометрический контроль углового распределения диф-
ракционной картины не представляет особого труда и выполня-
ется с большой точностью. Так, по угловым измерениям можно
с большой точностью определить период d решетки, а если до-
116
Рис. 60. Дифракци-
онный метод изме-
рения размеров эле-
ментов изображения
(д) и распределения
интенсивности све-
тового излучения
при прохождении
его через дифракци-
онную решетку (б) :
1 - плоская свето-
вая волна, 2 - эле-
менты, 3 - подлож-
ка, 4, 5 - централь-
ный (нулевой) и
первый главный
максимумы
5)
полнительно провести контроль интенсивностей в дифракцион-
ных максимумах, то можно получить соотношение между ши-
риной b элемента и периодом d решетки. Из теории дифрак-
ции следует, что если d ~ 2 Ьу то продают все четные максиму-
мы и соответственно усиливается каждый нечетный*.
В общем случае интенсивность распределения светового
излучения по главным максимумам определяют по формуле
г A2 d2 sin2
где А о — амплитуда нулевого максимума.
Зная углы дифракции и интенсивности излучения в глав-
ных максимумах, можно с очень большой точностью рассчитать
размер элемента изображения.
В дифракционных измерительных системах в качестве
источника света обычно используются газовые гелий-неоновые
лазеры, создающие излучения со стабильной длиной волны.
Это облегчает измерение дифракционного перераспределения
и увеличивает точность контроля размеров элементов изоб-
ражения.
* При d = 3 b исчезает каждый третий максимум.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1,	По каким параметрам контролируют сформированные
на фотошаблонах и подложках фоторезистовые маски?
2.	Каковы основные правила наведения контрольного
штриха окуляр-микрометра на край элемента изображения
при измерении его размеров?
3.	Каковы принципы фотоэлектрического и дифракцион-
ного методов измерения размеров элементов изображения?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ ГИГИЕНА
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС,
особенно при переходе к производству БИС и СБИС, все более
важным становится чистота атмосферы производственных
помещений. Посторонние частицы и загрязнения, осаждаясь на
обрабатываемых поверхностях, нарушают передачу топологи-
ческого рисунка с фотошаблона или вызывают дефекты под-
ложек при плазмохимическом травлении.
С уменьшением размеров элементов ИМС повышается их
чувствительность к загрязнениям. Так, для ИМС, размеры
топологических элементов которых равны 1 мкм, считаются
опасными загрязняющие частицы размером 0,1 — 0,2.
Процесс выхода годных изделий зависит от состояния технологи-
ческих сред, количества загрязнений, вносимых оборудованием и об-
служивающим персоналом, качества используемых материалов и сос-
тава атмосферы рабочих помещений.
Известны два пути обеспечения атмосферы рабочих поме-
щений: создание специальных чистых помещений — чистых ком-
нат для выполнения технологических операций и полная авто-
матизация производственного цикла, при которой исключает-
ся воздействие оператора и внешней среды на изделия.
Технологические помещения современного производства
изделий микроэлектроники должны соответствовать 10000,
1000, 100, 10, 1 классам чистоты. Причем класс чистоты поме-
щений зависит от этапа изготовления изделий (табл. 5) и опре-
деляется количеством микрочастиц размером не более 0,5 мкм,
содержащихся в 1л воздуха.
В помещениях современного производства изделий микро-
электроники должны поддерживаться максимальная чистота,
постоянные температура и влажность, уровень статических заря-
дов и отсутствовать вибрация и другие механические воздей-
ствия.
В зависимости от выполняемых технологических процес-
сов, а также сложности выпускаемых изделий используются
производственные помещения различных классов чистоты-
118
Таблица 5. Классы чистоты рабочих помещений
Этап производства
Выращивание кристаллов
Производство подложек и шаблонов для
сложных СБИС
СБИС
БИС
ИМС и полупроводниковые приборы
Сборка изделий
Испытания изделий
Класс чистоты
100
1
10
100
1000
1000
10000
Все литографические процессы проводятся в помещениях
не ниже 10 и 100 классов чистоты.
При литографических процессах особое значение имеет
момент осаждения загрязнений. Так, налипание посторонних
частиц на шаблоны приводит к переносу дефектов на подложки
при экспонировании. Осаждение загрязнений на слой фоторе-
зиста не сказывается при жидкостном травлении, но существен-
но при ’’сухих” методах проявления и травления. Источником
загрязняющих частиц могут быть технологическая среда и от-
ходы производства, производственный персонал, используемые
оборудование и материалы.
Литографические процессы обычно проводят в чистых ком-
натах. Чистая комната — это технологическое помещение с конт-
ролируемой технологической средой. Внутри чистой комнаты
располагают оборудование, необходимое для проведения техно-
логического процесса, а также работает персонал. Стены, полы
и потолки чистых комнат выполняются из специальных мате-
риалов, обеспечивающих поддержание электронной гигиены.
Стены чистых комнат собирают из панелей из стали с жест-
ким поливинилхлоридным покрытием или из нержавеющей
стали. Панели должны быть без выступов и впадин и иметь идель-
но гладкую поверхность. Кроме того, используют двухслой-
ные панели с наполнителем из теплоизолирующего материала
и двойным остеклением. Так как такие панели акустически
и термически эффективны, они обеспечивают постоянство
температуры и звукоизоляцию. Панели с помощью поливинил-
хлоридных уплотнителей герметично соединяют друг с другом.
Полы чистых комнат обычно выполняют из листов пласти-
ка (чаще всего поливинилхлорида), наклеиваемых на твердую,
гладкую и ровную поверхность. Для получения гладкой, непро-
ницаемой и непрерывной поверхности края листов сваривают.
119
Потолки чистых комнат монтируют из фильтров, чередую-
щихся со светильниками. Потолок должен быть чистым, непо-
ристым, иметь ровную и гладкую поверхность, притягивать
пыль и легко подвергаться очистке.
Освещаются чистые комнаты через двойные стеклянные
проемы стен, аналогичные оконным, а также осветительными
приборами общего и местного назначения.
Предприятия электронной промышленности рекомендуется
располагать на территориях с минимальным загрязнением
окружающей атмосферы. Наиболее подходящими являются
лесные массивы с высоким содержанием лиственных пород,
дающих низкий уровень загрязнений пыльцой в период цвете-
ния, или высокогорные участки.
Важным фактором снижения уровня загрязнений при прове-
дении процессов литографии в чистых комнатах является пра-
вильное поведение персонала на рабочих местах. Существует спе-
циальный регламент поведения персонала применяется защитная
технологическая одежда.
Так, оператор фотолитографии должен работать в защит-
ном костюме (комбинезоне с капюшоном), перчатках и тапоч-
ках или специальных матерчатых ботинках, а при изготовлении
кристаллов СБИС — обязательно в маске, закрывающей рот
и нос. Защитная одежда должна быть из материала, не содержа-
щего хлопковых волокон, и легко чиститься для возможности
ее повторного использования. Обычно операторы переодеваются
в специальном помещении, а затем через воздушный шлюз или
душ входят в чистую комнату.
Персонал, работающий на участках литографии, должен
проходить специальный инструктаж, в процессе которого его
обучают обращению с полупроводниковыми подложками и
фоторезистовыми пластинами, использованию спецодежды, спе-
циальной гигиене, маршрутам и скорости перемещения по рабо-
чему помещению, приемам очистки и эксплуатации чистых ком-
нат и технологического оборудования, профилактике различных
загрязнений.
В чистой комнате должна постоянно соблюдаться строгая
дисциплина: никто из постороннего персонала не должен нахо-
диться в ее переделах или входить в нее без переодевания в спец-
одежду и установленной процедуры очистки. Защитная одеж-
да должна быть строго индивидуальной; регламент ее чистки
требует строгого соблюдения. Технологический персонал дол-
жен знать все приемы технологической очистки помещения
чистой комнаты и соблюдать установленные графики.
Желательным режимом работы в чистой комнате является
6-часовая смена с двумя перерывами по 10 мин (без переоде-
120
вания, но с выходом в помещение для переодевания) и обеден-
ным перерывом.
Технологическое оборудование, используемое при литогра-
фических процессах, также является источником загрязнений.
Для устранения загрязнений необходимо соблюдать специаль-
ные правила ввода оборудования в производственный цикл.
Предварительно каждую установку тщательно очищают, все
поверхности протирают тканевыми салфетками, смоченными
спиртом, и обдувают чистым воздухом. Поверхности оборудова-
ния и оснастки, которые соприкасаются с полупроводниковыми
подложками или шаблонами, очищают специальной липкой лен-
той, эффективно удаляющей загрязняющие частицы.
Технологическое оборудование для литографических про-
цессов должно специально аттестовываться на допуск к прове-
дению рабочих операций и иметь отличительную метку, на
которой указывается дата последней аттестации и срок очеред-
ной. Контролируют это оборудование ежемесячно, а в необходи-
мых случаях — еженедельно. При аттестации проверяют соот-
ветствие технологического оборудования требованиям кон-
структорской и технологической документации, режимам
проводимых технологических процессов и получаемых парамет-
ров создаваемых структур.
Текущую проверку работоспособности действующего обо-
рудования проводят перед началом каждой рабочей смены на-
ладчик, о чем он делает запись в рабочем журнале. Отвечает
за ритмичную и надежную работу оборудования в течение всей
смены также наладчик. Без записи в журнале о готовности той
или иной установки к работе оператор не имеет права присту-
пить к проведению технологического процесса. Кроме того, в
течение рабочей смены проводят проверку действующего обо-
рудования с периодичностью, указанной в конструкторской
и технологической документации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Как изменяется чувствительность ИМС к загрязнениям
при уменьшении размеров их элементов?
2.	В помещениях каких классов чистоты проводят лито-
графические процессы?
3.	Как оборудуют чистые комнаты?
4.	Какие правила должен соблюдать персонал, работающий
в чистых комнатах?
5.	Какова периодичность аттестации оборудования для
процессов литографии?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Как известно, технологические процессы литографии состо-
ят из ряда операций, для выполнения которых используют разно-
образные материалы, химикаты, травильные растворы, а также
различное оборудование. Персоналу, занятому на этих операциях,
необходимо знать свойства применяемых материалов, правила
обращения с химическими растворами, особенности оборудова-
ния и специфику работы его отдельных устройств.
Растворители по степени опасности можно условно
разделить на четыре группы.
К первой группе относятся ацетон, пропиловый и этило-
вый спирты, амилацетат, бутилацетат, вызывающие острые
отравления с преобладанием наркотического действия. Предель-
но допустимая концентрация паров этих растворителей в ат-
мосфере рабочих помещений не должна превышать 200 мг/м3.
Ко второй группе относятся хлороформ, четыреххлорис-
тый углерод, дихлорэтан, трихлорэтилен, хлорбензол, являю-
щиеся более токсичными веществами, вызывающими острые,
а иногда и тяжелые отравления. Кроме наркотического дей-
ствия они приводят к изменениям в различных органах и систе-
мах организма. Длительное воздействие небольших количеств
растворителей этой группы может вызвать хроническое от-
равление, поэтому работы с ними должна вестись в закрытой
аппаратуре. Предельно допустимая концентрация паров этих
растворителей не должна превышать 50 мг/м3.
К третьей группе относятся толуол, ксилол и сероуглерод —
высокотоксичные вещества, вызывающие кроме наркотичес-
кого действия и тяжелых отравлений серьезные поражения орга-
нов кровообращения и нервной системы. Предельно допусти-
мая концентрация паров этих растворителей не должна превы-
шать 10 мг/м3.
К четвертой группе относятся тетрахлорэтилен и пентахлор-
этан — особо опасные вещества, которые как правило, не дол-
жны применяться для обработки полупроводниковых под-
ложек.
Все работы с растворителями следует проводить в специаль-
ных вытяжных шкафах с вертикально поднимающимися и
опускающимися створками. В момент обработки подложек
створки должны быть плотно закрыты. Вытяжные устройства
этих шкафов, как правило, монтируют сбоку и сверху. На рабо-
чих местах около вытяжных шкафов нельзя пользоваться газо-
выми и открытыми электрическими нагревателями.
122
При работе с растворителями особое внимание следует
уделять правилам противопожарной безопасности. Так как боль-
шинство растворителей легко воспламеняется, необходимо
в рабочих помещениях иметь средства пожарной сигнализации
и огнетушители. Все механизмы двигателей и вентиляторов
должны быть взрывобезопасного исполнения.
Персонал, занятый на операциях обработки полупроводни-
ковых подложек, должен знать правила хранения растворителей.
На рабочих местах хранить растворители можно в количестве
не более суточного потребления. Каждый растворитель следует
хранить в герметично закрытой таре отдельно в нижнем отсе-
ке вытяжного шкафа. Запрещается хранить растворители вмес-
те с кислотами, щелочами, солями, так как это может привести
к образованию ядовитых и взрывоопасных соединений.
Органические растворители (кроме хлорорганических сое-
динений) легко воспламеняются, многие из них обладают высо-
кой летучестью и их пары могут образовывать с воздухом взры-
воопасные смеси, оказывать вредное действие на организм чело-
века, а в некоторых случаях вызывать отравления. Поэтому
их следует хранить и перевозить в герметичной таре и работать
с ними только в специальных шкафах — скафандрах, имеющих
вытяжную вентиляцию.
Кислоты и щелочи, используемые при химичес-
ком травлении, попадая на открытые участки кожи, могут выз-
вать тяжелые ожоги. Пары их действуют раздражающе на орга-
ны дыхания, поражают нервную систему, вызывают острое
отравление. При попадании на роговицу глаз даже слабых
щелочных растворов происходит опасное поражение глаз.
Смешивание и разбавление химических веществ, сопро-
вождающееся выделением теплоты, следует производить в
термостойкой или фарфоровой посуде. Во избежание ожогов
и поражений от брызг и выбросов не следует наклоняться над
сосудом, в котором кипит (или налита) какая-либо жидкость.
При разбавлении кислот водой следует тонкой струей лить
кислоту в воду, чтобы не было разбрызгивания. Переливать
кислоту, щелочь или растворитель из большой тары в малую
можно только сифоном с полиэтиленовыми трубками.
Перед сливом травильных смесей н химических составов после
окончания процесса химической обработки необходимо полностью их
нейтрализовать. Использованную химическую посуду и приборы, при-
способления и аппаратуру следует освободить от кислоты, щелочи или
другого вещества, а затем тщательно промыть проточной водой.
Рабочее место травильщика полупроводниковых подложек
и кристаллов должно быть оборудовано специальными шкафа-
123
ми с местной вытяжной вентиляцией. Стол, сливную раковину
и водяные краны этих шкафов изготовляют из кислотостойко-
го материала — винипласта, а передние стенки и защитные вер-
тикально поднимающиеся створки — из прозрачного органичес-
кого стекла. К шкафу подводят холодную и горячую воду, при-
точно-вытяжную вентиляцию и электропитание. Посуда и при-
способления должны быть выполнены из фторопласта, кварца,
винипласта, органического или термостойкого стекла.
Оператор, ведущий химическую обработку, должен рабо-
тать в резиновых перчатках, фартуке и защитных очках. Для
погружения полупроводниковых подложек или кристаллов
в травильные ванночки надо пользоваться пинцетом с фторо-
пластовым наконечником.
Перед началом работы необходимо ознакомиться с инструк-
циями и правилами и проверить необходимые средства защиты.
Только знание свойств используемых химических реактивов,
соблюдение правил и инструкций по технике безопасности,
аккуратное и внимательное отношение к выполняемой работе
обеспечивают личную безопасность и безопасность окружающих
людей.
При выполнении любой химической обработки на рабочем участке
должно быть не меиее двух человек, чтобы в случае необходимости
можно было оказать пострадавшему помощь.
При ожогах кожи химическими ве-
ществами (кислотой, щелочью) обожженное место немед-
ленно в течение 10 — 15 мин промывают сильной струей воды
из-под крана, а затем на него накладывают повязку. При ожо-
гах кислотами — из раствора соды (одна чайная ложка на ста-
кан воды), а при ожогах щелочью — из слабого (слегка кислого
на вкус) раствора уксуса или из борной кислоты (одна чайная
ложка на стакан воды). В случаях тяжелого ожога вызывают
врача для оказания помощи на месте.
При попадании щелочи в глаза их тща-
тельно в течение 10—30 мин промывают струей воды, а затем
закапывают 2 %-ный раствор новокаина или 5 %-ный раствор
дикоина. Промывание следует повторить несколько раз в день.
При отравлении токсичными веществ а-
м и пострадавшего выносят на воздух, промывают глаза, рот
и тепло укрывают. Если токсичное вещество попало в организм
через рот, пострадавшему дают выпить несколько стаканов
теплой воды, чтобы вызвать рвоту, а затем он должен принять
противоядие. Во всех случаях отравления срочно вызывают
врача. При отсутствии дыхания у пострадавшего ему до при-
хода врача проводят искусственное дыхание и одновременно
124
для поддержания кровообращения — наружный массаж сердца.
Для обеспечения безопасных условий труда при работе
с химическими веществами при обработке полупроводниковых
подложек в настоящее время в электронной промышленности
используют высокопроизводительное комплексное оборудова-
ние ”Лада-1 — Электроника”. Это оборудование предназначено
для химической обработки, промывки, сушки и контроля полу-
проводниковых подложек в едином технологическом цикле
и обеспечивает высокий уровень безопасности работы операто-
ров, так как все процессы проводятся методом ’’кассета —
кассета”. Механизированная подача химических реактивов
в рабочие ванны установок исключает возможность травматиз-
ма и профессиональных заболеваний персонала.
Комплекс ”Лада-1 — Электроника” состоит из четырех
автоматизированных линий: отмывки; травления пленок ок-
сидов и нитридов; травления металлических пленок; обработ-
ки подложек в органических растворителях. Все технологичес-
кие операции выполняются по заданной программе.
При работе с фоторезистами необходимо
соблюдать следующие правила техники безопасности. Так, при
нанесении слоя фоторезиста центрифугированием следует учи-
тывать, что частота вращения диска, на котором закреплены
подложки, при работе центрифуги достаточно велика. Поэтому
во избежание травм запрещается касаться его руками. Для обес-
печения безопасной работы движущиеся части центрифуги гер-
метично закрываются прозрачными колпаками из оргстекла,
связанными с блокирующими устройствами. При открытых
колпаках центрифуга не включается.
Для защиты от паров наносимого фоторезиста центрифугу
с защитным колпаком устанавливают в скафандр, имеющий
индивидуальную вытяжную вентиляцию. При сушке слоя фото-
резиста происходит испарение растворителя (или смеси раство-
рителей) , что представляет определенную опасность для здо-
ровья персонала. Поэтому сушку фоторезиста обязательно про-
водят в герметичной камере, в которую монтируют сушильный
агрегат и устройство вытяжной вентиляции.
При экспонировании фоторезистов используют мощные
источники ультрафиолетового излучения. Чтобы предотвратить
несчастные случаи, связанные с поражением электрическим то-
ком, установку экспонирования следует заземлять, а все токо-
ведущие шины изолировать от ее корпуса. Для защиты оператора
от ультрафиолетового излучения необходимо использовать
скафандры из цветного оргстекла и экранировать световой луч
металлическими заслонками.
Процесс проявления полученного изображения в зависи-
125
мости от используемого фоторезиста — позитивного или негатив-
ного — проводят соответственно в органических растворителях
или водных щелочных растворах. Чтобы предотвратить случаи
отравления парами растворителей или щелочами, следует ис-
пользовать закрытые герметичные сосуды или ванны, располо-
женные в специальном скафандре с вытяжной вентиляцией.
Руки надо защищать резиновыми перчатками.
Для исключения возможных отравлений операторов пара-
ми растворителей и остатками проявителя, образующимися
при задубливании фоторезистов, тепловые сушильные агрега-
ты следует устанавливать в герметичные скафандры с вытяж-
ной вентиляцией.
При химическом жидкостном травлении технологических
слоев в процессе фотолитографии необходимо соблюдать те же
требования безопасности, что и при химической обработке.
Если же процессы травления проводятся ’’сухими” методами,
следует соблюдать правила техники безопасности для электро-
оборудования, так как при этом основными источниками воз-
можных опасностей являются высокое напряжение и движущие-
ся части вакуумных насосов.
Все ограждения установок и отдельных блоков питания дол-
жны быть снабжены блокирующими устройствами, отключаю-
щими напряжение при открывании крышек и кожухов. Так
же должны быть блокированы все подходы к высоковольт-
ным устройствам, съемным колпакам и другим элементам
технологических установок, через которые возможен доступ
к высоковольтным блокам. Кроме того, блокировкой должны
быть снабжены вакуумные системы.
Особое внимание следует уделять расположению и компо-
новке технологического оборудования. Установки и агрегаты
должны размещаться так, чтобы был обеспечен свободный дос-
туп к ним для безопасного и удобного обслуживания, эксплуа-
тации и ремонта. Расстановка оборудования должна обеспечи-
вать рациональную организацию технологического процесса,
удовлетворять правилам техники безопасности и противопо-
жарным нормам.
Оборудование и приспособления для приготовления фото-
резистов и светочувствительных эмульсий размещают в спе-
циальном помещении, изолированном от участка фотолитогра-
фии и других производственных помещений.
На участке фотолитографии необходимо систематически
контролировать содержание токсичных и взрывоопасных па-
ров, газов и пыли в воздухе. Отработанные газы должны уда-
ляться из установок фотолитографии через огнепрегради-
тель в соответствующий газоход, ведущий на рекуперацию.
126
Одним из источников травм могут быть осколки подложек
и кварцевой или стеклянной оснастки, шаблонов. Во избежание
порезов осколки следует собирать слегка влажной салфеткой,
не допуская контакта с открытыми участками кожи. Запре-
щается сдувать мельчайшие частицы стекла или кремниевую
крошку во избежание попадания их в глаза.
контрольные вопросы
1.	Какие правила надо соблюдать при работе с растворите-
лями, кислотами и щелочами?
2.	Какую помощь надо оказывать при химическом отрав-
лении и ожогах?
3.	Каковы правила работы на оборудовании для нанесе-
ния и сушки слоя фоторезиста?
4.	Чем обеспечивается защита оператора от ультрафиоле-
тового излучения при экспонировании слоя фоторезиста?
5.	Как размещают оборудование на участке фотолито-
графии?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель!
.Изучив эту книгу, вы узнали об основных методах литогра-
фии, применяемых при изготовлении полупроводниковых при-
боров, ИМС, БИС и СБИС. Теперь вы знаете, как генерацией и
мультипликацией изображения формируют рисунки элементов
на промежуточных и рабочих шаблонах и какие автоматические
установки при этом используют.
Структура технологических процессов литографии постоян-
но совершенствуется. Прежде всего это состоит в автоматизации
и групповом выполнении различных операций в едином техно-
логическом цикле, использовании новейших технологических
процессов ’’сухой” литографии и специальных резистов, осаж-
даемых в вакууме и проявляемых нагревом.
Современные СБИС содержат на одном кристалле миллио-
ны элементов, имеющих размеры менее 1 мкм. Только с по-
мощью высокопрецизионных процессов литографии можно
создавать такие сложные изделия микроэлектроники. Поэтому
оператор литографических процессов должен хорошо знать
современное оборудование, соблюдать установленные режимы
обработки, правильно выполнять контрольные операции. Все
это возможно лишь при освоении передовых методов и приемов
труда, постоянном повышении квалификации.
В добрый путь!
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..................................................* 3
Глава первая. Фотолитография в производстве полупровод-
никовых приборов и интегральных микросхем.............. 5
§ 1.	Назначение и методы литографии.................. 5
§2.	Контактная фотолитография....................... 9
§ 3.	Позитивные и негативные фоторезисты............  10
§ 4.	Основные параметры фоторезистов................. 14
§ 5.	Обработка поверхности подложек.................. 17
§ 6.	Нанесение и сушка слоя фоторезиста.............. 19
§ 7.	Совмсщениеи экспонирование...................    25
§ 8.	Проявление слоя фоторезиста. Сушка проявленного
рельефа............................................... 31
§ 9.	Химическая жидкостная обработка подложек........ 37
§ 10.	Химическая ’’сухая” обработка подложек.......... 44
§11.	Проекционная фотолитография......................49
§ 12.	Оптические эффекты при фотолитографии............56
§ 13.	Управление технологическим процессов фотолитогра-
фии....................................................61
Глава вторая. Производство фотошаблонов....................64
§ 14.	Основные сведения................................64
§ 15.	Система автоматизированного проектирования тополо-
гии ИМС...............................................66
§ 16.	Методы генерации изображения ................. 68
§ 17.	Маршруты изготовления фотошаблонов..............73
§ 18.	Мультипликация..................................76
§ 19.	Копирование фотошаблонов........................81
§ 20.	Основные параметры и контроль фотошаблонов......85
§21.	Эксплуатация фотошаблонов.......................88
Глава третья. Перспективные методы литографии.............90
§ 22.	Основные сведения...............................90
§ 23.	Электр о нол и то графи я.......................91
§24.	Электронно-лучевая установка экспонирования.....97
§ 25.	Рентгенолитография..............................102
§ 26.	Ионолитография..................................106
Глава четвертая. Контроль размеров элементов изобра-
жения .................................................107
§ 27.	Основные сведения . ............................107
§28.	Визуальный контроль..............................НО
§ 29.	Фотоэлектрический контроль......................114
§ 30.	Дифракционный контроль .........................116
Глава	пятая. Электронная гигиена......................
Глава шестая. Техника безопасности . ...................  122
Заключение................................................127