Фотолитография и фоторезисты: основы технологического процесса

1.

Лекция 11. Фотолитография. Общие сведения
Фотолитография — это технологический процесс, с помощью которого на поверхности
подложки (кремниевой пластины) формируют рельефный рисунок. Суть в том, чтобы перенести
заданный узор (топологию) с трафарета (фотошаблона) на слой светочувствительного материала
— фоторезиста. После обработки этот рисунок используют как маску для дальнейших
операций: травления (удаления части слоя), электроосаждения или напыления.

2.

Лекция 11. Фотолитография. Основные этапы процесса
1. Подготовка подложки. Поверхность тщательно очищают — механически, химически или с помощью плазмохимического
травления, чтобы удалить загрязнения и обеспечить хорошую адгезию (сцепление) фоторезиста.
2. Нанесение фоторезиста. Чаще всего используют центрифугирование — подложка вращается, и за счёт центробежной силы
получается ровный тонкий слой. Иногда применяют другие методы (распыление, заливку).
3. Сушка. Удаляют растворитель, молекулы полимера упорядочиваются. Важно контролировать температуру: слишком низкая
ухудшает адгезию, а слишком высокая может привести к потере светочувствительности.
4. Совмещение. Фотошаблон точно позиционируют относительно подложки. Для этого используют специальные метки.
5. Экспонирование. Подложку засвечивают через фотошаблон светом (обычно ультрафиолетовым: i-линия — 365 нм, h-линия —
405 нм, g-линия — 436 нм; в продвинутых системах используют глубокий ультрафиолет, например 13,5 нм в EUV-литографии).
Под действием света в фоторезисте идут фотохимические реакции.
1. В позитивных фоторезистах облученные участки меняют растворимость так, что после проявления они удаляются — на
подложке остаётся позитивное изображение шаблона.
2. В негативных — облученные участки, наоборот, становятся менее растворимыми, и после проявления удаляется
необлученная часть, формируя негативное изображение.
6. Проявление. Участки фоторезиста, с растворимых участков.
7. Дополнительные операции. Иногда после проявления проводят отжиг (дополнительную термообработку), чтобы повысить
химическую стойкость оставшегося рисунка.
8. Перенос рисунка на технологический слой. Через получившуюся маску из фоторезиста травят (химически или физически) или
осаждают материал в нужном месте, проводят легирование или травление.
9. Удаление фоторезиста. Последним шагом маску снимают с поверхности.
10. Контроль. Проверяют, насколько точно получился рисунок, нет ли дефектов.

3.

Лекция 11. Фотолитография. Основные этапы процесса

4.

Лекция 11. Фотолитография.
Ключевые параметры
На качество и возможности процесса влияют разные параметры:
Разрешающая способность. Это минимальный размер элемента
(линии, точки), который можно надёжно воспроизвести. Она зависит
от длины волны излучения, числовой апертуры объектива
установки и коэффициента пропорциональности (k1).
Погрешность совмещения. Насколько точно удаётся совместить
новый слой с уже существующими на подложке.
Воспроизводимость формы и рельефа элементов. Насколько
стабильно получаются одинаковые элементы на разных участках
подложки и в разных партиях.
Плотность дефектов. Количество дефектов (проколов,
«недотравов»), которые возникают в процессе литографии.
Параметры экспонирования. Длина волны, время экспозиции,
мощность источника излучения. Для каждого фоторезиста есть
оптимальная доза облучения (мДж/см²): недостаточная приведёт к
проблемам при проявлении, а избыточная может повредить плёнку.
Свойства фоторезиста. Светочувствительность, спектральная
чувствительность, кислотостойкость, адгезия к подложке,
однородность слоя.
Глубина резкости. Расстояние, в пределах которого можно
фокусировать систему без потери качества изображения. При
увеличении числовой апертуры глубина резкости уменьшается, что
требует более точного позиционирования пластины.

5.

Лекция 11. Фотолитография. Виды фотолитографии в микроэлектронике
Существует в виде нескольких
технологий:
контактной,
бесконтактной,
проекционной.

6.

Лекция 11. Фотолитография. Контактная фотолитография
В качестве фотошаблона используются жесткие прозрачные пластины, на которые нанесен рисунок. При нанесении
используются материалы, которые задерживают световое излучение определенной длины, поэтому оно не попадает
на фоторезист и не засвечивает его в нужных участках. Фотошаблон может содержать топологию одного слоя
интегральной микросхемы или целой группы одинаковых микросхем, последовательно размещенных на одной
заготовке.
Технология получила свое название за счет того, что шаблон и пластина с фоторезистом, на которую переносится
рисунок, в процессе экспонирования соприкасаются. Для установки пластины используется поворотный вакуумный
держатель. Он приподнимает пластину до соприкосновения с шаблоном, а затем отводит ее на расстояние до 25
мкм, чтобы произвести точное позиционирование. Позиционирование обеспечивается оптико-механическим
способом. Для этого используется микроскоп с разведенным полем зрения: правый окуляр направлен на отметки в
правой части фотошаблона и заготовки, левый – в левой. Совмещение отметок производится поворотом и сдвигом
пластины. После совпадения рисунков шаблон и пластина снова складываются вместе, и освещаются УФ-излучением.
Среднее время экспонирования – порядка 15-20 с. На это время микроскоп автоматически отводится.
За счет прямого контакта заготовки и шаблона, контактная фотолитография обеспечивает предельно высокую
разрешающую способность.
Недостатки. Наиболее существенный минус заключается в том, что поверхность пластины не является идеально
ровной, из-за чего при прижиме между ней и шаблоном в случайных местах образуются микрозазоры, которые
приводят к локальным деформациям изображения в результате оптической дифракции. Кроме того, из-за
физического контакта шаблон со временем изнашивается и требует периодической замены.

7.

Лекция 11. Фотолитография. Проекционная фотолитография
Суть технологии заключается в проецировании на пластину с фоторезистом топологического слоя через
фотошаблон. Слой может отображаться полностью или поэлементно (с разбивкой исходного изображения на
блоки или модули). При поэтапном экспонировании заготовка по завершении нанесения одного блока сдвигается к
следующему. Фотошаблон может содержать изображение всего кристалла или нескольких кристаллов небольших
размеров. Для увеличения разрешающей способности исходные шаблоны увеличены в несколько раз, и при
экспонировании уменьшаются (соотношение обычно 5:1 или 4:1). Таким путем удается получить разрешение менее
5 нм.
Среди преимуществ метода:
• высокое разрешение,
• более точное позиционирование,
• минимальная вероятность повреждения фотошаблона.
Бесконтактная фотолитография
Основное отличие от других методов – отсутствие фотошаблонов. То есть, изображение на фоторезисте
формируется напрямую. Для этого могут использовать лазер или электронный луч, который засвечивает резисты.
В основном такие методы используются при производстве фотошаблонов. В частности, более 75% всех
выпускаемых сейчас фотошаблонов высокого разрешения изготавливаются именно с помощью лазерной
литографии, в которой для увеличения скорости и объемов производства иногда одновременно применяют сразу
несколько лучей.

8.

Лекция 11. Формирование слоя фоторезиста. Фоторезисты и их свойства
Термином "фоторезисты" обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов
составы, нашедшие применение для фотолитографии на полупроводниках.
Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами, а с
другой - резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т.д.
Рельеф образуется в результате того, что под действием излучения, падающего на определенные участки слоя,
фоторезист изменяет первоначальные свойства. Появляется дифференцированная растворимость слоя: например,
освещенные участки перестают растворяться в растворителе, удаляющем участки слоя, не подвергшиеся
освещению.
По способу образования рельефа фоторезисты удобно делить на два класса: негативные и позитивные.
Негативные фоторезисты под действием излучения образуют защитные участки рельефа. В результате
фотополимеризации, задубливания или иного процесса освещенные участки перестают растворяться и остаются на
поверхности подложки. При этом рельеф представляет негативное изображение элементов фотошаблона: под
непрозрачными участками фотошаблона фоторезист после обработки в растворителях удаляется, под прозрачными
остаются участки, защищающие в дальнейшем от травления.
Позитивные фоторезисты, напротив, передают один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет
конфигурации непрозрачных элементов шаблона. Излучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что
при обработке в соответствующих растворах экспонированные участки слоя разрушаются (вымываются).

9.

Лекция 11. Методы нанесения фоторезистов.
Для нанесения слоев на подложку можно использовать методы центрифугирования, пульверизации, купания в
растворе, полива и т.д.
Центрифугирование находит широкое применение в полупроводниковой технологии, так как при сравнительно
несложном оборудовании позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%. Нанесенные на
центрифуге слои зачастую содержат характерные дефекты в виде "комет". Эти дефекты возникают, если на
поверхности подложки остались посторонние частицы - пыль, грязь и т.д., или сама подложка неоднородна: в
пленке окисла встречаются микровключения. На таких местах вязкая масса фоторезиста задерживается и под
действием центробежных сил возникают направленные от центра локальные утоньшения или даже разрывы
слоя.
Фильтрация фоторезиста. Резисты фильтруют минимум 2-3 раза через фильтры. Такая очистка позволяет
избавиться от инородных частиц, пылинок и др.
Более тонкой обработкой, которая устраняет имеющиеся в резистах субполимерные образования размером
порядка 0,5 мкм, является скоростное центрифугирование. Скорость вращения центрифуги при этом 20 000
об/мин, а время, необходимое для эффективного удаления субполимерных включений, достигает нескольких
десятков часов. В процессе эксплуатации вязкость фоторезистов возрастает, в результате чего растет толщина
покрытия и может ухудшиться смачивание.

10.

Лекция 11. Методы нанесения фоторезистов.
Пульверизация резистов считается перспективным методом, наиболее удобным для полупроводниковой
технологии.
В то же время метод пульверизации требует специального подбора растворителей, так как слой не должен
стекать по подложке; тщательной очистки резиста и используемого для пульверизации воздуха или газа; наконец,
разработки довольно сложного оборудования.
При нанесении фоторезиста купанием подложка погружается на несколько секунд, в жидкий фоторезист, после
чего извлекается и сушится в вертикальном или наклонном положении. Избыток резиста стекает. Получаемая
пленка клиновидна по толщине: в нижней части подложки слой всегда толще. Этот недостаток ограничивает
применение метода купания. Некоторое улучшение однородности по толщине может быть достигнуто повторным
купанием, при котором подложка опускается в раствор своей верхней частью. Достоинствами метода купания
являются простота, хорошая адгезия пленки. При этом слой наносится сразу на обе стороны подложки.
Полив на горизонтальной плоскости обеспечивает лучшую по сравнению с методом купания однородность
пленки по толщине (хотя при поливе неизбежно возникают утолщения но краям).
Этим методом можно получать толстые слои фоторезиста - до 10-20 мкм, что затруднительно при других методах.
Толстые, слои обеспечивают надежную защиту при глубинном травлении; в меза-технологии часто используется
метод полива. Приспособления для полива не сложны: платформа с тремя регулировочными винтами или
подвес маятникового типа с перпендикулярной площадкой. Толщина слоя при поливе регулируется изменением
концентрации нанесенного фоторезиста.

11.

Лекция 11. Методы нанесения фоторезистов.
Операцией, завершающей формирование слоя, является сушка.
Общие представления о механизме плёнкообразования основаны на следующих положениях: структура
большинства цепных полимеров аморфна; молекулы полимеров имеют клубкообразную форму за счет того, что
отдельные звенья молекулы подвижны относительно друг друга; при испарении растворителя
пленкообразователи (полимеры) переходят в стеклообразное состояние.
Процесс испарения растворителя играет важную роль в образовании пленки. Одним из условий получения
качественной пленки является определенная низкотемпературная выдержка после нанесения раствора
полимера, необходимая для ориентации макромолекул. Последующее высушивание пленки при повышенной
температуре приводит к интенсивному удалению растворителя. Следует учесть, что при формировании пленки
макромолекулы стремятся перейти в устойчивое состояние, т. е. принять такую форму, которая соответствовала
бы минимальному значению свободной энергии. Этот релаксационный процесс требует некоторого времени,
поэтому слишком быстрая сушка может привести к возникновению напряжений в пленке.
Иногда рекомендуется инфракрасная сушка слоя; она эффективна для формирования толстых слоев - порядка 35 мкм и выше; для обычных же толщин (0,3-0,4 мкм) различие в методах сушки мало заметно.
Хорошие результаты при работе с толстыми слоями позитивных резистов (например, для глубокого травления
кремния) дает вакуумная сушка с медленным повышением температуры.

12.

Лекция 11. Фоторезисты. Резюме.
Фоторезист — это светочувствительный полимерный материал, который под действием экспонирующего
излучения изменяет растворимость отдельных участков, образуя на подложке защитный рельеф заданной
конфигурации.
Он одновременно выполняет две функции: формирует рисунок (фоточувствительность) и защищает подложку
при травлении, легировании, осаждении (резистивные свойства).
По типу отклика на засветку
Позитивные — облучённые участки становятся растворимыми и удаляются при проявлении. Рельеф повторяет
рисунок фотошаблона один к одному. Основа: нафтохинондиазид (НХД) + новолачные/резольные
фенолформальдегидные смолы. Проявитель — водный щелочной раствор.
Они обеспечивают лучшее разрешение и отсутствие эффекта набухания, поэтому доминируют в нанолитографии.
Негативные — облучённые участки сшиваются (фотополимеризация) и становятся нерастворимыми; при
проявлении удаляются необлучённые области. Рельеф — негативное изображение шаблона. Основа:
поливинилциннамат (ПВЦ), циклоолефиновые каучуки с бисазидами. Проявитель — органический растворитель.
Они обладают высокой химической стойкостью и лучшей чувствительностью и хорошо подходят для создания
толстых слоев, но склонны к набуханию в проявителе (что снижает разрешение)

13.

Лекция 11. Фоторезисты. Резюме.
Класс / Химия
(Длина
волны
DNQ-Новолак
g-line (436
нм)
i-line (365
нм)
Тон
Позитивный
Типовое
разрешение
Ключевые свойства (Плюсы / Минусы)
Области применения
0.25 – 1.0 мкм
Плюсы: Отличная стойкость к плазменному
травлению (благодаря ароматическим кольцам),
низкая цена, простота использования.
Минусы: Невозможность создания субмикронных
элементов из-за дифракции.
Производство печатных плат
(PCB), силовая электроника,
LED, MEMS, микросхемы
старых техпроцессов (>250 нм).
DUV: KrFэксимерный
CAR (KrF)
лазер (248
нм)
DUV: ArFCAR (ArF)
эксимерный
(в т.ч.
лазер (193
иммерсионные)
нм)
Плюсы: Высокая чувствительность за счет
Логические чипы, DRAM и Flash
Позитивный /
химического усиления, хорошее разрешение.
130 – 180 нм
память техпроцессов 130 нм –
Негативный
Минусы: Требует строгого контроля
90 нм.
постэкспозиционной сушки (PEB).
22 – 65 нм (с
Плюсы: Позволяют печатать мельчайшие детали.
Современные CPU/GPU,
Позитивный / многократным Минусы: Низкая стойкость к сухому травлению
память (45 нм, 28 нм, 14 нм и
Негативный паттернингом (слишком тонкие), требуют использования
ниже с использованием
)
подложек (Hard Mask).
иммерсионной жидкости).
Плюсы: Экстремальное разрешение, отсутствие
Самые передовые узлы (7 нм,
CAR и Металлпроблем дифракции.
Позитивный / < 10 нм (до 2-3
5 нм, 3 нм и менее) для
оксидные
EUV (13.5 нм)
Минусы: Очень низкая чувствительность (требуются
Негативный нм)
флагманских смартфонов и ИИ(MOR)
мощные лазеры), высокий LWR (шероховатость
ускорителей.
линий), стохастические дефекты.
Электронны
Плюсы: Великолепное разрешение, простая
Изготовление фотомасок
PMMA
й луч (Eмолекулярная структура.
(фотошаблонов),
(Полиметилмет
Позитивный < 10 нм
beam)
Минусы: Низкая стойкость к плазме, очень
нанопроволоки, научные
акрилат)
Рентген
медленный процесс (E-beam).
исследования, фотоника.
Прим. Чем короче длина волны, тем меньше фотонов в том же количестве энергии. При EUV (13.5 нм) на один квадратный
микрометр попадает всего ~10-50 фотонов! Если бы мы использовали «классическую» химию 1-фотон-1-молекула, нам бы
потребовались мощные лазеры.

14.

Лекция 11. Фоторезисты. Деление по механизму химической реакции.
DNQ-Новолачные (DNQ-Novolac): Классические УФ-резисты. Новолачная смола выступает матрицей, а
диазонафтохинон (DNQ) — ингибитором растворения.
Химически усиленные (CAR — Chemically Amplified Resists): Содержат генераторы фото кислот (PAG). При
экспонировании выделяется кислота, которая во время постэкспозиционной сушки (PEB) выступает
катализатором, запуская лавинообразную реакцию растворения десятков молекул. Это критически важно
для глубокого ультрафиолета (DUV и EUV).
С разрывом основной цепи (Main-chain scission): Полимеры (например, PMMA), которые при облучении
электронами или рентгеном физически рвутся на более короткие фрагменты, становясь растворимыми.
Металл-оксидные резисты (MOR): Активно внедряются для EUV-литографии (например, материалы на
основе). Они содержат тяжелые металлы, что радикально повышает поглощение EUV-фотонов и снижает
дозу облучения. Атомы олова, поглощают EUV в 100 раз эффективнее.
Dry Resists (Сухие пленочные фоторезисты): Наносятся не центрифугированием из жидкости (spin-coating), а
ламинированием сухой пленки. Используются для 3D-интеграции (TSV - сквозные переходы в кремнии) и
продвинутой упаковки чипов (Advanced Packaging).
Наноимпринтная литография (NIL): Вместо светочувствительных реакций используются специальные
жидкие полимеры, которые затвердевают под давлением физической "штамповой" формы (обычно УФотверждением).

15.

Лекция 11. Фоторезисты. Позитивные DNQ-Новолачные фоторезисты.
Эта система является «рабочей лошадкой» классической фотолитографии (g-line 436 нм и i-line 365 нм) и до сих
пор массово используется в производстве печатных плат, силовой электроники, MEMS и дискретных
полупроводниковых приборов.
Химический состав (4 основных компонента)
1.Пленкообразователь (Новолачная смола): Продукт конденсации фенола и формальдегида. Это полимер с
разветвленной структурой, содержащий множество ароматических колец.
Роль: Обеспечивает механическую прочность пленки, термостабильность (выдерживает последующий отжиг до
120–150°C) и выдающуюся стойкость к плазменному травлению (ароматические кольца медленно разрушаются
в кислородной плазме).
2.Фоточувствительное соединение (PAC – Photoactive Compound): Обычно это диазонафтохинон (DNQ), чаще
всего сульфоэфир диазонафтохинона.
Роль: В темноте выступает как ингибитор растворения.
3.Растворитель: Чаще всего PGMEA (ацетат пропиленгликольмонометилового эфира) или циклогексанон.
Роль: Определяет вязкость, а значит, и толщину получаемой пленки при центрифугировании (spin-coating).
4.Добавки: Красители (для подавления эффекта стоячих волн и отражения от подложки) и ПАВ (для улучшения
смачиваемости пластины).

16.

Лекция 11. Фоторезисты. CAR .
Состав CAR
Компонент
Что это
Роль
Полимерная основа
(Resin)
Обычно PHS — поли(4-гидроксистирол) или
его производные с защитными группами (tBOC, ацеталь, адамантил)
Матрица. Обеспечивает стойкость к
травлению и прозрачность на нужной
длине волны.
PAG (Photo Acid
Generator)
Соли сульфония или иодония (например,
триарилсульфоний гексафторантимонат)