Фотолитография

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема основных этапов процесса фотолитографии

Фотолитогра́фия — метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и полиграфии. Один из основных и самых дорогостоящих приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что на обрабатываемую поверхность наносится фоторезист, который экспонируется светом через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки фоторезиста удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление, пескоструйная обработка и другие. После проведения одного из этих процессов, остатки фоторезиста удаляются снимателем.

Принципиальное отличие фотолитографии от других видов литографии заключается в том, что экспонирование производится видимым или ультрафиолетовым излучением, тогда как в других видах литографии для этого используется рентгеновское излучение, поток электронов, поток ионов, жесткий ультрафиолет, и другое.

Процесс фотолитографии[править | править вики-текст]

Очистка и подготовка поверхности[править | править вики-текст]

При наличии на пластине загрязнений, пластина может быть отмыта в ходе двухступенчатого процесса: очистка ацетоном, для устранения органических загрязнений и последующее полоскание в изопропаноле для удаления оставшегося ацетона. В случае значительных загрязнений поверхности, её можно обработать раствором H2SO4 и H2O2 с последующим применением процесса RCA очистки. Для очистки поверхности от осаждённых из воздуха молекул воды, поверхность нагревают до температуры около 120оС в течении нескольких минут.

Различные поверхности имеют различную адгезию, что необходимо учитывать в процессе нанесения фоторезиста. Например, такие металлы, как алюминий, хром и титан имеют превосходную адгезию, в то время как благородные металлы, такие как золото или платина имеют очень плохую адгезию. В случае плохой адгезии, перед нанесением фоторезиста, сначала наносят подслой (адгезив) усиливающий адгезию, например гексаметилдисилазан (ГМДС). Кроме этого, иногда предварительно, а иногда и поверх фоторезиста, наносят антиотражающие покрытия.

Нанесение фоторезиста[править | править вики-текст]

Установки центрифугирования для нанесения фоторезиста

Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту). Как правило используется при работе с большими круглыми пластинами.

При использовании не подходящих для центрифугирования поверхностей, например для покрытия небольших поверхностей, используется нанесение окунанием в фоторезист. Недостатками этого метода являются большой расход фоторезиста и неоднородность получаемых плёнок.

При необходимости нанести резист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина плёнки при таком методе нанесения также не является однородной.

Предварительное задубливание[править | править вики-текст]

После нанесения резиста необходимо провести его предварительную сушку (задубливание). Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания к фотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.

Экспонирование[править | править вики-текст]

Длины волн экспонирования в литографии
Схемы 4х различных видов экспонирования. Показаны контактный метод экспонирования, экспонирование с микрозазором и проекционные методы экспонирования

Процесс экспонирования заключается засветке фоторезиста через фотошаблон, содержащий желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона, что и отличает процесс фотолитографии от других видов литографии. К примеру, в случае рентгеновской, ионно-лучевой и электронной литографии, для экспонирования, используются рентгеновские лучи, ионы и электроны соответственно.

Наиболее стандартными длинами волны экспонирования в фотолитографии являются i-линия (365нм), h-линия (405нм) и g-линия (436нм). Как бы то ни было, большинство фоторезистов могут быть проэкспонированы и широким спектром в ультрафиолетовом диапазоне (интегральное экспонирование), для чего обычно применяется ртутная лампа. В случае фотолитографии в глубоком (жёстком) ультрафиолете используются длины волн около 13,5нм и специальные фоторезисты. Среди источников излучения, использующихся в фотолитографии наиболее распространены:

Экспонирование может проводиться как с использованием фотошаблона, так и без него (безмасочная литография). В последнем случае рисунок на фоторезисте формируется непосредственно перемещающимся лазерным или электронным лучом или их группой, сфокусированным на поверхности фоторезиста. В случае же применения фотошаблонов чаще используются проекционные методы экспонирования, когда рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист с использованием системы оптических линз. В некоторых вариантах литографии, маска может находиться в контакте с фоторезистом, или в непосредственной близости, при наличии микрозазора.

Существуют технологии, позволяющие уменьшить искажения и изготовить микросхемы с меньшими проектными нормами:

При производстве полупроводниковых приборов, для экспонирования больших по площади пластин (150, 200, 300 мм в диаметре) используют такие аппараты, как степперы и сканеры, в которых небольшой фотошаблон экспонируется на пластину многократно с помощью перемещения экспонируемой поверхности.

Основными параметрами экспонирования являются длина волны, время экспонирования и мощность источника излучения. Как правило каждый фоторезист имеет определённое значение дозы (мДж/см2), необходимой для его экспонирования, поэтому важно правильно подобрать параметры экспонирования. При недостаточной дозе могут возникнуть проблемы с проявлением фоторезиста, а чрезмерное экспонирование может вызвать повреждения плёнки фоторезиста. От мощностных параметров зависит производительность фотолитографических установок, измеряемая в пластинах в час (wph).

Дополнительно стоит отметить такой метод фотолитографии, как «выжигание», при котором необходимые окна в полимерном слое выжигаются под воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесённую на материал плёнку или прожигающего сам материал насквозь. Этот способ применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии.

Вторичное задубливание[править | править вики-текст]

Вторичное задубливание производится непосредственно после экспонирования и не является обязательным шагом. Этот этап требуется лишь в случаях применения химически усиленных фоторезистов, применения обращаемого фоторезиста, потребности в релаксации толстых плёнок фоторезиста и в некоторых других ситуациях.

Проявление[править | править вики-текст]

В процессе проявления, части фоторезиста удаляются специальной жидкостью — проявителем (например гидроксид тетраметиламмония), формируя окна в плёнке фоторезиста. В случае использования позитивного фоторезиста, удаляется проэкспонированная область, а в случае негативного, не проэкспонированная.

Определённые фоторезисты проявляются определённым проявителем и не проявляются другими. Как правило, проявитель разбавляется водой (1:2, 1:4), при этом степень разбавления контролирует скорость проявления, которая так же зависит от полученной фоторезистом дозы при экспонировании.

Финальное задубливание[править | править вики-текст]

Окончательное задубливание фоторезиста также является не обязательным шагом, хотя нередко помогает улучшить его свойства. В частности, сушка при 130—140оС повышает химическую и температурную устойчивость проявленного фоторезиста для таких последующих этапов, как электроосаждение, сухое и жидкостное травление.

Обработка поверхности[править | править вики-текст]

Как правило, фотолитография тесно связана с технологическим этапом, для которого собственно и требуется получаемый из фоторезиста рисунок. Наиболее распространённым процессом на этом этапе является травление, хотя нередко применяются и такие процессы как электроосаждение и напыление при проведении обратной фотолитографии.

Травление[править | править вики-текст]

Травления является наиболее часто используемым в совокупности с фотолитографией процессом, при производстве печатных плат и полупроводниковых приборов для микроэлектроники. Существуют два основных вида травления: жидкостное (жидкое) и плазменное (сухое). В зависимости от задач, применяют тот или иной тип травления. В целом, жидкостное травление применяют, в основном, при изготовлении печатных плат, а также для вытравливания жертвенного слоя при изготовлении МЭМС, и других применений, где требуется изотропное травление (то есть травление во всех направлениях). Плазменное, и в особенности глубокое плазменное травление, применяют когда необходимо протравить структуру относительно глубоко, сохраняя при этом, как можно более вертикальный угол наклона стенок, то есть протравить анизотропно, только в вертикальном направлении. Результат травления тесно связан с параметрами фоторезиста, что во многом, и определяет его выбор.

Электроосаждение[править | править вики-текст]

В процессе электроосаждения, окна в фоторезисте используются для осаждения в них материала из электролита.

Напыление. Обратная литография[править | править вики-текст]

В случаях, когда требуется получить рисунок из материала плохо подвергающегося травлению, используют процесс обратной (взрывной) литографии. В процессе обратной литографии, на нанесённый и проявленный фоторезист напыляется тонкий слой материала (обычно металла) из которого требуется сформировать рисунок. На следующем этапе, производится снятие фоторезиста, так что напылённый материал остаётся только в окнах, незащищённых фоторезистом, а плёнка попавшая на фоторезист уносится вместе с ним, то есть осуществляется так называемый «взрыв». Для обратной литографии, как правило, используются специальные LOR (lift-of-resist) фоторезисты. Существуют многочисленные модификации этого метода, например, когда используются два или даже три слоя фоторезистов с разной скоростью проявления. В целом, для аккуратного снятия фоторезиста, требуется чтобы плёнка фоторезиста была в два и более раз толще, чем плёнка напылённого материала, а также, чтобы стенки фоторезиста имели отрицательный наклон, что исключит возможность их покрытия напыляемым материалом.

Снятие фоторезиста[править | править вики-текст]

Финальным этапом процесса фотолитографии является снятие фоторезиста. Для удаления фоторезиста с обработанной поверхности используют специальную жидкость — сниматель (например диметилсульфоксид). Как правило, определённые сниматели подходят только к определённым группам фоторезистов. В процессах обратной фотолитографии, вместе с фоторезистом удаляется и покрывающая его плёнка материала. Если на предыдущих этапах применялись усилители адгезии или антиортажающие покрытия, они, как правило, также удаляются снимателем.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]