Важният полимер в микроелектрониката

Важният полимер в микроелектрониката

Условно структурата на фоторезиста може да се представи като R1-O-R2, където R1 и R2 са съответно светлочувствителната и полимерна съставна част, а О е съединяващият ги кислороден атом (такива органични съединения се наричат прости етери).

Основните съображения, които трябва да се имат предвид при избор и използване на всякакви фоторезисти в технологиите на ПП приборите и интегралните схеми, са светлочувствителността, резолюцията, разделителната способност, устойчивостта към въздействие на газова плазма, киселиноустойчивостта, адхезията, дефектността и високата контрастност.

Чувствителност

С тази дума се означава зарядът, който е необходимо да се предаде на участък на резиста с цел пълното му проявяване за някакво време (обикновено 1-2 минути). Фоторезистът съдържа светлочувствително вещество, поглъщащо ултравиолетова светлина от вълни с дължина в определен интервал. Чувствителността определя рязкостта на границата между разтворими и неразтворими области, което при фотолитографския процес се изразява в получаване на рязък ръб на геометричната конфигурация, изобразена по-рано върху фотошаблона. Да се определи този интервал е възможно, изхождайки от абсорбционния спектър на фоторезиста. Дължината на вълните е в абсорбционния спектър на резиста тогава, когато оптичната плътност на резистния филм е не по-малко от 0.2. Този участък се нарича област на спектралната чувствителност на фоторезиста.

Понякога се говори и за интегрална светлочувствителност на фоторезиста. Това е светлочувствителността на фоторезиста към въздействието на светлина от всички дължини на вълните, поглъщани от материала.

Знаейки светлочувствителността (~100 mJ/cm2) и осветеността, може да се определи примерно време за експониране за даден вид фоторезист. Интензивността на живачните лампи е ~300-500 мВт/см2. Точното време на експониране се установява опитно и е между 10-20 секунди и няколко минути. Фирмите-производители на фоторезист обикновено обявяват чувствителност за проявители с определен състав и условия на проявяване. Всеки потребител експериментално подбира "дозата" за своите конкретни нужди.

Разделителна способност

Определя се от броя на линиите с еднаква и постоянна ширина, които могат да се получат на единица дължина от повърхността (най-често 1 мм) на полупроводниковата пластина. Колкото повече линии могат да се получат на единица дължина, толкова по-голяма е разделителната способност. Максималната РП зависи и от размерите на полимерните молекули на фоторезиста, а също и от минималната дебелина, при която фоторезистният филм е способен да понесе въздействие в агресивна среда. Отношението на дебелината на филма към минималната ширина на линиите за най-добрите негативни фоторезисти е 1:2-1:3, а за позитивните – 1:1. Тоест за получаването на линии с минимална ширина се отчита и дебелината на резистния слой. Най-добрата разделителна способност на позитивните фоторезисти позволява те да се използват за производство на свръхголеми интегрални схеми.

На РП влияние оказват също така процесите на експониране и свързаните с тях оптични явления в системата "фотошаблон-фоторезист-подложка", а също така процесите на проявяване и сушене. Към оптичните явления, оказващи влияние на РП, трябва да се отнесе и дифракцията на светлината на границата фотошаблон-фоторезист, отражението на светлината от повърхността на силициевата подложка и разсейваната светлина във фоторезистния слой.

Стабилността на геометричните размери на релефните елементи на изображението във фоторезистния слой зависи в голяма степен от това как точно ще се изпълнят процесите на проявяване и изсушаване. Пре-проявяването води до увеличение на размерите на елементите (особено за позитивните фоторезисти), а недобрите режими на изсушаване могат да доведат до разпукване и разпадане на фоторезистния филм.

Трябва да се отбележи, че е необходимо да се прави разлика между разделителна способност на фоторезиста и такава на фотолитографския процес с използване на фоторезист, нанесен върху силициевата пластина.

Киселиноустойчивостта е основен критерий за приложимостта на фоторезистите, тъй като те трябва да защитават надеждно лежащите под тях слоеве при последващите технологични операции по химическото разтваряне (ецване). Обикновено използваните разтвори са на основата на азотна, флуороводородна, солна и др. киселини. За критерий на киселиноустойчивостта се използва страничното (краевото) и локалното разяждане (подецване) и по-точно големината на склона, образуващ се на края на резистния филм след ецване.

Критерий за киселиноустойчивостта е също така времето, в течение на което разтворът въздейства на фоторезистния слой до началото на разрушаване, а също така качеството на получените структури в подложката след ецването. Параметърът често се характеризира с плътност на дефектите (количеството дефекти на единица повърхност), появили се на подложката след края на химичния процес.

Устойчивостта на фоторезиста на химични въздействия зависи не само от състава, но и от дебелината и състоянието на резистната маска. Използва се формулата K = h / х, където h е дълбочината на ецване, а x – страничното (краевото) подецване. Колкото по-малко е то при зададена дълбочина на ецване, толкова по-висока е киселиноустойчивостта на фоторезиста.

Поради използване на сухото ецване на силициевата подложка важна характеристика е устойчивостта към въздействие на газова плазма. Тъй като съществуват няколко алтернативни състави на плазмообразуващи газове за сухо ецване на един или друг материал от микроелектрониката, е необходимо да се уточни устойчивостта към кой точно вид плазма се има предвид. Ако става дума за обработка с флуоросъдържащи плазми, за характеристика на устойчивостта обикновено се използва относителната скорост на разяждане на фоторезиста по отношение скоростта на разяждане на силициевия двуокис SiO2. Ако се говори за обработка на полимерни слоеве, то като мярка за устойчивост се използва отношението на скоростта на разяждане на материала към скоростта на разяждане на полистирола в плазми, съдържащи кислород.

Следващото много важно свойство на фоторезиста е неговата адхезия. Това означава добрата способност на материала да приляга над силициевата подложка, за да се избегне влиянието на киселинните травители върху областите, които се намират под краищата на резистивните слоеве. Адхезията се подобрява чрез използване на различни вещества, правещи повърхността хидрофилна. Изискването за равномерност на фоторезиста по дебелина е пряко свързано с разделителната способност, а оттам и с точността на геометричните размери по пластините.

Дефектността е количеството на микроскопичните дефекти на филма, проявяващи се на следващите стадии на обработка на подложката. Появата на отвори в покритието обикновено е свързано с некачествен или износен шаблон, различни замърсявания и лоша намокряемост на пластината.

Методите за намаляване на дефектите в резиста:

- по-дебел или направо двуслоен резист

- почистване на повърхността на пластината преди нанасяне

- покриване на шаблоните с антиадхезивен слой

- филтриране на резиста

- изсушаване при много висока температура

Характеристика, пряко свързана с разделителната способност, е контрастът. Той е мярка за разделителната способност на фоторезиста. Високият контраст е нужен, за да не може светлината, отразена от подложката или появила се поради дифракционните ефекти, да повлияе на формирането на фоторезистната маска. Контрастът е характеристика на стръмността на релефа на фоторезиста след проявяването. Контрастът се определя чрез характеристични криви:

За да се повиши контрастът, след експонирането до проявяването фоторезистът се суши, за да може да достигне еднородна плътност. Освен това, възможно е да се използват антиотразяващи покрития върху силициевата подложка за премахване на вътрешното отражение във фоторезистния филм. Това явление възниква, тъй като отразеният поток интерферира с проходящата светлина, предизвиквайки допълнително осветяване в места, защитени с непрозрачни участъци на фотошаблона. В резултат се образува т.н. "ореол", предизвикващ неотчетливо изображение с размити краища.

Използването на фоторезисти в някои технологични процеси поставя допълнителни изисквания – изборът на фоторезиста трябва да е според точната технология, с която ще бъде употребен. За това е необходимо да се отчетат т.н. критични характеристики на материала (физико-химични), знанието на които ще позволи с голяма степен на вероятност да се определи възможността и ефективността на използването на фоторезист в разработваната технология. Необходима е подробна представа за всеки стадий на физико-химическите процеси, протичащи при изпълняване на фотолитография.

Позитивни фоторезисти

Те са "работното добиче" на микроелектронната промишленост. Експонираните области са разтворими и след проявяването се разрушават. Могат да се използват за експониране с ултравиолетова светлина с различни дължини на вълните, напр. с I- (365 нм) и G- (436 нм) линия, а също така със светлина с дължина на вълната 248 нм. Независимо от факта, че за да се повиши ефективността, при последния процес често се използва химически усилен фоторезист, обикновените позитивни фоторезисти продължават да бъдат в употреба. Освен това, те се използват и за производство на магнитни глави с малки размери, микропревключватели, планарни микромотори, микроиндуктивни елементи, планарни СВЧ устройства и др. Полимерната основа на фоторезиста – термопластичните фенолформалдехидни смоли – му придават важни свойства като лесно образуване на филм, отлична адхезия, добра устойчивост...

Особености на проявяването

Характерът и условията на проявяването зависят от вида на фоторезиста и условията на предварително сушене и експониране. Проявяването е свързано с изтриване на облъчените участъци с обработка в силно разредени разтвори от калиев и натриев хидроксид KOH и NaOH (0,1-10% в H2O) или в 1-2 % разтвор на тринатриев фосфат Na3PO4. Проявяването на негативните фоторезисти представлява разтваряне на необлъчените участъци в органични разтворители (толуол, диоксан, хлорбензол, трихлоретилен и др.). При позитивните фоторезисти, за разлика от негативните, не се наблюдава подуване на необлъчените участъци. Поради това те имат по-висока разделителна способност и тя в по-малка степен се влияе от дебелината на фоторезистния филм.

Негативни фоторезисти

Метод за получаване на изображение при негативните фоторезисти на полимерна основа е фотополимеризацията. Експонираните области стават неразтворими и така след проявяване се премахват само неекспонираните. Прз 1972 г. е достигнат пределът на на детайлност при използване на негативни фоторезисти и за технологичен процес под 2 мкм започват да се използват позитивните.

В сравнение с позитивните негативните фоторезисти имат много преимущества:

- широк избор от технологични параметри (възможни за използване технологии), което позволява повече възможности за получане на висококачествени резистни маски

- нечувствителност към пре-проявяване

- добра адхезия и устойчивост към мокро ецване

- възможност за "самокорекция", тоест размерите на неекспонираните участъци могат да се коригират в желаната посока чрез подецване при вторично изотропно ецване

- широк избор на проявителни състави и химикали

Най-големите недостатъци на негативните фоторезисти са следните:

- разделителната способност е ограничена от дебелината на фоторезистния филм. Съществува емпирично правилно, съгласно което типичните критични размери на получаваните чрез фотолитографски метод елементи са не по-малки от утроената дебелина на слоя

- кислородът много инхибира (забавя) процеса на образуване на резистни маски от този тип фоторезисти

В момента най-често се използват фоторезисти от серията MICROPOSIT S1800™. Полученият от тях филм се характеризира с отсъствие на механично напрежение, отлична адхезия, висока еднородност на слоя. Тези фоторезисти са оптимизирани за експониране с g-линията на живачна лампа (436 нм). За проявяване на резистната маска се препоръчва използването на MICROPOSIT MF-319, а резистната маска се изтрива без остатъци при употреба на MICROPOSIT REMOVER.

Реверсивни

Съществуват и т.н. реверсивни фоторезисти (image reversal photoresist). Те са особен вид, който след експониране се държи като позитивен, но могат да бъдат "превърнати" в негативни чрез топлинна обработка и последващо експониране на целия слой (вече без фотошаблона) с ултравиолетова светлина. В такъв случай резистът вече се държи като негативен. Основната разлика на изображението, получено по такъв начин, в сравнение с обикновеното използване на позитивен резист, е в наклона на стените на материала. При позитивен резист стените са наклонени навън, което благоприятства процеса на ецване, а при "обръщане" на изображението стените се накланят навътре, което е преимущество при т.н. обратна литография или свличане.