Выбор фоторезиста для различных технологий производства печатных плат. Инструкция по применению позитивных фоторезистов от компании Frast-M
В фоторезисты введена специальная добавка, обеспечивающая высокую степень однородности пленки по толщине. Локальная разнотолщинность пленки не превышает 10 нм.
Номинальное значение толщины пленки фоторезиста, указано в таблице для стандартных условий (скорость вращения центрифуги 3000 об/мин, время вращения 40 сек, 21 о С, влажность 45 % и т.д.). Такая толщина пленки не обязательно будет формироваться в условиях потребителей.
Толщина пленки существенно зависит от вариации скорости вращения центрифуги. Эта зависимость описывается простой формулой:
Толщина (мкм) = const / (скорость)1/2
Величина const определяется одним замером толщины пленки фоторезиста при фиксированной скорости вращения центрифуги для данных условий.Зависимость толщины пленки для фоторезистов ФП-05Ф - ФП-20Ф представлена на графике:
2.Предварительная сушка пленки фоторезиста:
| температура в конвективном шкафу, о С | 90 |
| время сушки, мин | 30 |
Назначение предварительной сушки - это удаление растворителя и таким образом высушивание резистивной пленки. Из-за высокой точки кипения растворителя (>130 о C) растворитель всегда остается в небольших количествах в высушенной пленке в количествах примерно нескольких процентов (до 10%). Этот остаточный растворитель влияет на скорость растворения экспонированного фоторезиста и, следовательно, на светочувствительность. Поэтому условия предварительной сушки должны хорошо контролироваться для воспроизводимого технологического процесса.
Если фоторезист подвергается в течение длительного периода воздействию высоких температур выше 100 о C, то светочувствительный нафтохинондиазид термически разлагается и литографическая эффективность пленки падает. Поэтому температура в конвективном шкафу 90 о C и время сушки 30 минут являются нормальными. Необходимо обратить внимание, что сушильный шкаф должен быть конвективным с принудительной циркуляцией. В противном случае время сушки возрастает на время, необходимое для достижения в шкафу без конвекции стационарной температуры 90 о C.
Ситуация меняется, если сушка осуществляется на горячей плите. В этом случае время сушки укорачивается обычно до 40-50 сек. Так как кремний является хорошим проводником тепла, то равновесная температура достигается уже примерно через 10 сек. По этой причине температура сушки на горячей плите обычно на 10-20 о C выше, чем в печи. Приемлемые условия сушки на горячей плите - это 110 о C в течение 45 сек.
Экспонирование:
border>Все позитивные фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому обычно используются ртутные лампы. Энергия света должна поглощаться фотоактивным соединением - нафтохинондиазидом. При экспонировании нафтохинондиазид превращается в инденкарбоновую кислоту. Эта кислота затем растворяется в щелочном проявителе. Спектральная чувствительность фоторезиста определяется двумя факторами: ниже 310 нм новолачная смола, входящая в состав фоторезиста проявляет сильное поглощение, предотвращая проникновение ультрафиолетового света в пленку фоторезиста, выше 440 нм нафтохинондиазид проявляет слабое поглощение на "хвосте" вплоть до 475 нм, выше этих длин волн фоторезист совершенно прозрачен и не проявляет светочувствительности. Таким образом, все работы с пленкой фоторезиста могут проводиться при желтом освещении.
Вышеуказанном диапазоне длин волн есть три максимума эмиссии ртутной лампы при: 365 нм (i-линия), 405 нм (h-линия) и 436 нм (g-линия). Современные проекционные установки используют либо выделенную фильтрами линию длин волн (главным образом g и i -линии), либо две, либо все три линии -широкополосное экспонирование.
Во время экспонирования поглощение светочувствительного нафтохинондиазида падает из-за превращения в инденкарбоновую кислоту. Это одна из причин, обеспечивающих высокую разрешающую способность позитивных фоторезистов с практически вертикальными стенками профиля. В начале экспонирования облучаемая зона поверхности пленки становится более прозрачной по сравнению с не экспонируемой зоной. Таким образом, на поверхности пленки формируется виртуальная фотомаска для экспонирования нижележащих слоев, превращение нафтохинондиазида протекает далее в пленке фоторезиста до подложки.
Экспонирование позитивного фоторезиста следует выполнять при контролируемых окружающих условиях, особенно относительной влажности и температуры. Это требование вытекает из того, что превращение нафтохинондиазида в проявляемую инденкарбоновую кислоту требует одной молекулы воды на одну молекулу нафтохинондиазида. Если воды нет, то нафтохинондиазид сшивается в нерастворимое соединение, экспонированные зоны пленки не будут проявляться в проявителе. Необходимая для реакции вода не содержится в пленке, а адсорбируется как влага из атмосферы. По этой причине фоточувствительность фоторезиста резко падает при относительной влажности менее 30%.
Верхний предел относительной влажности не определяется самим фоторезистом, однако, если относительная влажность выше 60%, на поверхности подложки будет абсорбироваться слишком много воды, что в конечном итоге приводит к потере адгезии фоторезиста. По этой причине можно рекомендовать относительную влажность на уровне 45%. Гигроскопичную поверхность подложки можно обрабатывать HMDS до нанесения фоторезиста.
Оптимизация условий экспонирования для фоторезистов ФП-05Ф - ФП -20Ф приведена в разделе оптимизация.
Пост - экспозиционная сушка (до проявления).
В большинстве случаях нет необходимости в пост - экспозиционной сушке. Экспонированный фоторезист может проявляться немедленно после экспонирования. Однако в некоторых случаях литографическая эффективность может быть улучшена путем применения пост - экспозиционной сушки (после экспонирования и до проявления). Особенно это касается экспонирования монохроматическим светом (степперы g- и i - линии). Энергия света, поглощаемая слоями фоторезиста, меняется по толщине пленки. Эта вариация обусловлена в первую очередь интерференцией падающего и отраженного от подложки света. В результате этого явления образуются так называемые "стоячие волны", видимые вдоль профиля стенки с помощью электронного микроскопа. Так как большинство поверхностей вызывают фазовый сдвиг волны на 180 0 для отраженного света, то на поверхности раздела фоторезист- подложка будет наблюдаться минимум интенсивности света. Если поверхностный слой подложки является прозрачным (окись кремния), то становится существенным толщина слоя окиси кремния. В результате этого явления на подложке может оставаться тончайший "налет" слабо экспонированного фоторезиста, который не удаляется при проявлении. Для удаления этого слоя приходится прибегать к существенному переэкспонированию фоторезиста. Стоячие волны являются видимой частью интерференционного эффекта. Этот эффект приводит к значительному изменению дозы экспонирования при изменении толщины пленки вдоль поверхности. Изменение толщины на 65 нм (четверть длины волны g - линии) может привести к 20% изменению дозы экспонирования. Для i-линии и ДУФ-фоторезистов этот эффект еще сильнее. Такие изменения толщины пленки наблюдаются на любой поверхности. Эти эффекты могут быть минимизированы с помощью пост - экспозиционной сушки. Температура для этой сушки должна быть на 20 о С выше температуры предварительной сушки, а время около 45 - 60 сек. В процессе этого нагрева происходит до определенной степени диффузия экспонированного и не экспонированного нафтохинондиазида и в результате наблюдается выравнивание различий в скорости растворения и, таким образом выглаживание профиля фоторезиста. Чем выше разность температур между предварительной сушкой и пост - экспозиционной сушкой, тем быстрее процесс диффузии. Однако температура пост - экспозиционной сушки не должна превышать 130 о С, чтобы избежать значительного термического разложения нафтохинондиазида. Наилучшее решение 110 о С в течении 50 сек. Кроме того введение пост - экспозиционной сушки улучшает адгезию и термическую стабильность профиля фоторезиста.Проявление
border>Экспонированные области фоторезиста растворяются на стадии проявления. Условия проявления определяются прежде всего типом фоторезиста. Каждая марка фоторезиста имеет оптимальное время проявления. В большинстве случаев время проявления находится в пределах 20 - 50 сек, только фоторезисты большой толщины (> 3 мкм) требуют большего времени проявления.
Температура проявления сама по себе не является критической и обычная комнатная температура (20 - 25 о С) является приемлемой, однако для воспроизводимости процесса важно поддерживать температуру проявителя постоянной в пределах +1 о С.
Более детально стадия проявление для фоторезистов ФП-05Ф - ФП-20Ф обсуждается в разделе оптимизация фотолитографического процесса.
Задубливание
Цель стадии задубливания - это дальнейшая стабилизация пленки фоторезиста перед травлением. Обычная температура 140 о С в течение 30 минут в конвективном шкафу. На стадии задубливания удаляется остаточный растворитель, происходит термическое разложение нафтохинондиазида и структурирование пленки фоторезиста. Эти процессы улучшают адгезию и стойкость пленки к травителям.Необходимо иметь в виду два фактора:
- Термический шкаф должен обязательно иметь принудительную конвекцию, чтобы время нагрева пленки до температуры задубливания было минимальной. В противном случае время задубливания необходимо увеличить.
- Задубливание необходимо осуществлять непосредственно перед травлением (максимум за 2 часа). Если этот период длиннее, то задубливание необходимо повторить перед травлением.
I ступень:110 о С-15 мин
II ступень:120 о С-15 мин
III ступень:140 о С-15 мин.
Оптимизация.
На графике приведены кривые проявления фоторезистов ФП-10Ф, ФП-15Ф и ФП-20ФЭкспонирование осуществлялось параллельным, полным светом лампы ДРШ-1000 при освещенности света в плоскости пленки фоторезиста 15.000 - 20.000 люкс. На практике используют ртутные лампы разной мощности, полный или монохроматический свет, освещенность меняется в процессе старения лампы, часть световой энергии поглощается фотошаблоном, люксометры требуют постоянной калибровки. Поэтому возникает важный вопрос об оптимальном времени экспонирования. Время экспонирования и время проявления тесно связаны между собой. Недостаточное время экспонирования требует в последующем перепроявления фоторезиста. Для фоторезистов с небольшим контрастом (малая устойчивость пленки фоторезиста) недостаточное экспонирование можно частично выправить перепроявлением. Однако разрешение фоторезиста при этом падает, профиль стенок фоторезиста становится более пологой. Для высококонтрастных фоторезистов необходима оптимизации времен экспонирования и проявления, при этом достигается практически вертикальность профиля стенок фоторезиста.
Фоторезисты ФП-10Ф, ФП-15Ф, ФП-20Ф являются контрастными фоторезистами, требующие оптимального выбора времени экспонирования. Из приведенного выше графика видно, что начиная с определенного для каждого фоторезиста времени экспонирования наблюдается резкое увеличение время проявления. Данная точка является критической. При недостаточном времени экспонирования пленка фоторезиста будет проявляться очень долго.
Приведенные графики позволяют оптимизировать время экспонирования, путем фиксирования времени проявления фоторезиста.
Таким образом, оптимальные времена проявления составляют:
Фоторезист ФП-10Ф - 15-20 сек
Фоторезист ФП-15Ф - 30-35 сек
Фоторезист ФП-20Ф - 45 -50 сек
Исходя из этих данных, подбирают требуемое время экспонирования фоторезиста для конкретных аппаратных условий. Если время экспонирования недостаточно, то пленка будет проявляться более длительное время вне указанных пределов проявления для определенного фоторезиста. Если время экспонирования велико, то время проявление сокращается, но это нежелательно с точки зрения производительности процесса.
Приветствую вас дорогие друзья! Вы находитесь на блоге Владимира Васильева а за окном раннее утро! Это все потому, что я встал пораньше чтобы написать для вас полезный пост, так что поехали…
В прошлой статье я писал о том, что качество плат получаемых ЛУТ-м перестало меня удовлетворять поэтому я собираюсь отойти от всенародной технологии ЛУТ и перейти на фоторезистивную. Для этого я в том числе пленочный фоторезист. Кстати вполне возможно что на моем блоге в скором времени появится статья о том как правильно изготавливать печатные платы фоторезистивным методом. Но это будет потом а сейчас я хочу вам рассказать свой опыт применения фоторезиста, в частности получения нужного времени засветки.
В применении фоторезиста есть одна тонкость. Качество сформированного рисунка на фоторезисте очень сильно зависит от правильности выбранного времени экспонирования (засветки) . Эту тонкость я ощутил на себе.
После того как был подготовлен фотошаблон а фоторезист благополучно нанесен на фольгированный стеклотекстолит приходит время выяснить требуемое время засветки. Для этого я сформировал «бутерброд», текстолит с нанесенным фоторезистом накрыл фотошаблоном и положил сверху лист оргстекла (в моем случае это прозрачная крышка от коробки CD — диска).
Далее было выбрано гипотетическое время засветки этого бутерброда — 2 минуты. На 2 минуты я включил ультрафиолетовую лампу и стал с трепетом ждать результата. Эти 2 минуты прошли быстро… Первое мое разочарование заключалось в том, что хотя фоторезист у меня индикаторный но почему-то фиолетовое очертание рисунка было чрезвычайно блеклым.
Чтож, далее эту красоту ожидало погружение в кальцинированную соду. Раствор представлял собой чайная ложка кальцинированной соды на литр воды. После омывания в растворе последовало второе разочарование — если рисунок вначале промывки еще имел место быть то к концу промывки (2-3 мин.) он окончательно смылся. Пришло время раздумий…
После анализа своих действий я пришел к выводу, что самым слабым местом в цепочке моих действий было именно время засветки фоторезиста и это время было недостаточным…
Время засветки не может быть каким-то универсальным потому, что здесь появляется несколько плавающих факторов, среди которых и качество фотошаблона, мощность УФ лампы и ее характеристики, материал прижимного стекла. Все это может очень сильно отличаться и не мудрено, что при выборе одного универсального времени засветки также сильно будет отличаться и результат!
Исходя из полученного опыта я перечитал очень много информации и нашел очень интересный прием с помощью которого можно достаточно точно определить требуемое время засветки. Хочу отметить, что этот прием будет работать только в том случае когда все эти факторы (УФ лампа, качество фотошаблона, прижимное стекло) низменны.
Для того, чтобы провести этот опыт и выяснить сколько времени нужно освещать фоторезист, предлагаю скачать файл калибровочного фотошаблона. Этот файл я нашел на одном из радиолюбительских форумов.
На изображении лишь фрагмент рисунка, если скачаете pdf файл то там будет 2 ряда по десять изображений.
Для проведения этого эксперимента вам понадобятся следующие инструменты:
- Калибровочный рисунок
- Установка для экспонирования (или просто УФ лампа)
- Заслонка, непрозрачная для УФ лучей по размерам фотошаблона — это может быть полоска картона, непрозрачного пластика, даже кусок текстолита.
- Таймер — с ролью таймера великолепно справляется телефон
- Кальцинированная сода- продается в хозяйственных магазинах и стоит копейки
Суть эксперимента
Распечатываем наш калибровочный рисунок -это будет наш фотошаблон. Затем берем наш кусок фольгированного стеклотекстолита с уже накатанным фоторезистом (если еще не накатали то бегом накатывать) и кладем на стол фоторезистом вверх. Далее следует положить фотошаблон напечатанной стороной вниз, накрыть этот пакет стеклом и хорошенько прижать.
Для этих целей можно использовать утяжелители но я применяю канцелярские зажимы для бумаги. Следует заметить, что грузики или зажимы не должны препятствовать перемещению заслонки. Да, следующий слой нашего бутерброда это заслонка которая должна закрывать все элементы фотошаблона кроме крайнего (например 10-го). Один крайний элемент фотошаблона должен оставаться открытым.
Таким образом девять элементов будут находиться закрытыми заслонкой и следовательно УФ лучи от лампы на них попадать не будут.
Располагаем Ультрафиолетовую лампу над нашей композицией на расстоянии допустим 10 см (на данный момент это не так важно но этот момент может быть потом откорректирован по результатам эксперимента). Засекаем 5 минут и включаем УФ лампу.
Через каждые 30 секунд заслонку смещаем, открывая тем самым следующий элемент рисунка. Таким образом получится, что 10-ый элемент получит максимальное время засветки, 9-ый элемент будет засвечен 4 минуты 30 секунд, 8-ой — 4 ровно и т.д. Первый элемент рисунка будет светиться всего 30 секунд.
Уже после окончания засветки становится понятно, элементы которые были недосвечены будут проявляться меньше всего. Элементы которые получили достаточную дозу ультрафиолета изменят свой цвет на ярко фиолетовый. В тоже время следует обратить внимание, что участки рисунка, закрытые фотошаблоном не должны менять свой цвет. Если это происходит то это означает что рисунок фотошаблона не достаточно плотный и ультрафиолетовые лучи все-таки попадают на фоторезист. Но даже если ваш фотошаблон не идеален не все потеряно, можно найти компромисс между недосвеченными и пересвеченными участками. Но окончательное решение будем принимать только после проявления фоторезиста.
Проявление фоторезиста
Пришел этап проявления фоторезиста. Для этого примерно чайную ложку кальцинированной соды разводим в литре воды и хорошенько размешиваем. И теперь кладем в эту ванну наш засвеченный бутерброт.
В процессе проявки следует периодически вытаскивать плату из раствора и промывать в холодной проточной воде. При этом ситуацию нужно держать под контролем. Нужно дождаться момента когда защищенные элементы (элементы которые были закрыты фотошаблоном) окончательно растворятся в растворе но при этом засвеченные участки будут четкими и контрастными. Таким образом мы находим элемент который нас больше всего устраивает. А так как мы знаем сколько времени светился каждый элемент то без труда определяем требуемую дозу облучения.
Для чистоты эксперимента стоит эту процедуру повторить еще раз и убедиться в повторяемости результата.
После проведения всей этой процедуры я выяснил, что в моем случае время засветки должно составлять 4 минуты. Честно сказать были некоторые огрехи при наложении фотошаблона. Когда фотошаблон распечатал он оказался на удивление длинным (простирался по всей длине листа А4). Это я потом обнаружил что рисунок распечатался в масштабе 212%. При наложении пришлось ограничиться 5-ю элементами из линейки фотошаблона так как прижимное стекло не могло охватить всей прощади.
Хотя фото получилось не очень качественное но по изображению можно заметить, что элементы под номером 1 и 2 более блеклые чем элементы под номерами 3 и 4. Время засветки элементов 3 и 4 соответствует 4 и 5 минут соответственно. Да, как видите, я перемещал заслонку через каждую минуту, всему виной неправильный масштаб.
Чтож дорогие друзья а на этом у меня все, желаю вам успехов во всех своих начинаниях и будьте в позитиве! Обязательно подписывайтесь на обновления и до новых встреч!
Основные параметры процесса экспонирования
Интенсивность излучения (плотность мощности) I (мВт/см 2 ) – это энергия
(мощность) P (мВт) светового потока, падающего на поверхностьS (см2 ) фоторезиста в единицу времени (мВт/см2 )
Экспозиция (доза) Е – доза актиничной световой энергии, падающая на слой фоторезиста в процессе экспонирования:
E = I xt (мДж/см2 )
Пороговая экспозиция Е 0 – минимальная доза световой энергии, вызывающая изменение свойств пленки фоторезиста на всю толщину.
излучение, определяется как величина, обратная дозе излучения, необходимой для проявления слоя определенной толщины.
Фотохимические законы
Фотохимические реакции подчиняются нескольким фундаментальным законам, важнейший из которых, закон Дреппера-Гроттуса (John William Draper, Theodor von Grotthuss) гласит, что:
взаимодействие между излучением и материей возможно только в том случае, когда излучение поглощается этой материей. В противном случае, излучение отражается, пропускается или рассеивается.
Согласно второму закону, известному под названием закона Бунзена-Роско (Robert Wilhelm Bunsen, Henry Enfield Roscoe) или закона взаимозаместимости:
количество (концентрация) продуктов фотохимической реакции пропорционально произведению плотности (мощности) потока излучения и времени облучения. Это произведение называется дозой.
Таким образом, одна и та же доза (с тем же самым воздействием) может быть получена за счет высокой интенсивности за короткое время, либо за счет низкой интенсивности за длительное время. Таким образом, если излучение поглощается, например, кожей, результирующее воздействие зависит от дозы облучения, а не от уровня облученности.
В фотобиологии это явления называется зависимостью “доза-реакция” для конкретного воздействия. Как уже упоминалось выше, оптическое излучение может
оказывать воздействие только в случае поглощения так называемыми хромофорами (пигментофорами) облучаемой материи.
Поглощенное ультрафиолетовое излучение может разрывать или изменять химические связи в молекуле, либо создавать связи между двумя или более молекулами.
Поглощенное инфракрасное излучение возбуждает в молекуле вращательные или колебательные энергетические уровни, вызывая фотофизическую реакцию. Такой тип поглощения ведет к рассеянию тепла в поглощающей материи. Этот эффект разогрева
используется во многих медицинских применениях, например, в теплолечении, гипертермии и в спортивной физиотерапии. Однако в фотолитографии он может оказывать нежелательное побочное действие, разогревая фоторезист и подложку.
Свойства фоторезистов
Основными параметрами микрорельефа в фоторезисте являются его ширина и наклон края профиля. Размер и форма профиля определяются дозой экспозиции, пространственным распределением интенсивности актиничного излучения, свойствами фоторезиста.
Для фоторезистов критерием чувствительности является образование локальных участков с высокими защитными свойствами.
В случае негативных фоторезистов это означает задубливание или полимеризацию в экспонированных областях пленки фоторезиста на определенную толщину, достаточную для эффективной защиты от воздействия травителей.
Для позитивных фоторезистов, напротив, критерием чувствительности является полнота разрушения актиничным излучением пленки резиста в областях, подлежащих проявлению. По мере увеличения экспозиции уменьшается толщина слоя фоторезиста, остающегося после проявления. Зависимость, связывающая толщину этого слоя с величиной экспозиции (обычно логарифмом) называется характеристической кривой.
Отметим, что действие на фоторезист поглощенной энергии экспонирующего излучения определяет контраст фоторезиста.
Контраст фоторезиста определяется похарактеристической кривой , описывающей его толщину после проявления в зависимости от полученной им дозы экспозиции (рис. 1).
H, m h o
E 1E 0
mJ/cm2
Рис. 1, а Характеристическая кривая позитивного фоторезиста
Рис. 1, б - Экспериментальная кривая, в - переход к логарифмической шкале
Наклон касательной к нормированной характеристической кривой используют для количественной оценки контраста (рис. 1, а):
где E 1 – доза, при которой начинается проявление фоторезиста,
E 0 – пороговая доза, при которой после проявления не остается фоторезиста.
Для распространенного позитивного фоторезиста AZ-1350J пороговая дозаE 0 составляет
90mJ/cm2 .
Контраст является количественным показателем того, насколько хорошо фоторезист преобразует размытое пространственное изображение в четкий, бинарный рельеф.
Рис. 2 Пространственное изображение элемента топологии а – идеальное, б – реальное, после прохождения оптической системы
Очевидно, что высококонтрастные фоторезисты позволяют повысить разрешение всего литографического процесса.
Рис. 3 Формирование профиля в фоторезисте а – с низким контрастом, б – с высоким контрастом
Максимальный контраст позитивных резистов составляет 3…4, типовые значения 2…3. В последнем случае доза E 0 в 101/3 -101/2 больше, чемE 1 . Например, эти значения могут составлять, как показано на рис. 1, бE 1 = 20 мДж/см2 иE 0 = 50 мДж/см2 .
Таким образом, пороговая экспозиция является важнейшим показателем чувствительности фотрезиста. Эта экспозиция определяет минимальную дозу излучения, которую должен получить каждый подслой пленки фоторезиста, для того чтобы вся эта пленка была удалена при проявлении.
Из-за сильного поглощения фоторезиста эта доза при заданной интенсивности источника будет прежде всего набираться в верхних слоях пленки фоторезиста и лишь с течением времени – в нижних.
Hg arc lamp lines |
||||
Критериями оценки фоторезистов являются светочувствительность, устойчивость к воздействию агрессивных сред, разрешавшая способность и адгезия к подложке.
Светочувствительность S - величина, обратная поглощенной световой энергии, необходимой для определенного изменения свойств фоторезиста:
где Е - световая облученность фоторезиста, Вт/м 2 ; t – время экспозиции, с; H=Еt - значение экспозиции, Вт-с/ м 2 . Фоторезист должен обладать максимальной светочувствительностью в требуемом диапазоне длин волн.
Основой выбора критерия светочувствительности является образование участков с высокими защитными свойствами. Для негативных фоторезистов это означает задубливание или полимеризацию в экспонированных областях пленки резиста на определенную толщину, достаточную для эффективной защиты от воздействия травителей. Для позитивных фоторезистов, напротив, критерием чувствительности является полнота разрушения ультрафиолетовым светом пленки фоторезиста в областях, подлежащих удалению. Спектры поглощения фоторезистов определяют тип источников экспонирования.
На рис. 3 показаны характеристики экспонирования типичных негативных и позитивных резистов, где h -доля резиста, оставшегося после экспонирования и проявления.
Рис.3. Характеристические кривые экспонирования для негативного1) и позитивного 2) резистов.
Как видно из рис. 3, при экспонировании позитивных резистов необходимо облучение с большей энергией (большее время экспонирования), чем для негативных фоторезистов.
Таким образом, негативные резисты имеют более высокую чувствительность и их использование позволяет экспонировать большее количество пластин в единицу времени, что повышает производительность оборудования и может значительно уменьшить стоимость ИС.
Разрешающая способность R - число четко различимых линий (штрихов) одинаковой ширины S , расположенных параллельно, с зазором, равным ширине штриха (£) , которые фоторезист позволяет создать на I мм длины:
Например, если необходимо изготовить микросхемы с минимальным размером l - 1 мкм, то разрешающая способность должна быть не ниже, чем R - 1/2(2*0,001) = 500 лин./мм.
Предел разрешающей способности определяется размерами полимерных молекул фоторезиста. Основная технологическая проблема заключается в получении резко дифференцированной границы между исходным и экспонированным участками фоторезиста, минимально изменяющейся при проявлении и термообработке.
Разрешающая способность увеличивается о уменьшением толщины пленки резиста, однако минимальная толщина пленки ограничивается возможностью проколов и нарушением устойчивости к воздействию агрессивных сред.
На разрешающую способность также оказывают сильное влияние процессы экспонирования и связанные с ними оптические явления в системе шаблон - фоторезист - подложка (дифракция, отражение и рассеяние света), процессы проявления и сушки. Разрешающая способность позитивных фоторезистов выше, чем негативных.
В слое негативного фоторезиста дополнительная область, сшитая в результате отражения света от подложки, остается, так как она прочно связана с подложкой адгезионными силами. Это создает вокруг защитных участков негативного резиста ореол, сникающий разрешающую способность (см. рис. I).
В случае позитивного резиста свет, отраженный от подложи, разрушит часть прилегающей к ней области фоторезиста, но проявитель может эту область не выявить в результате противодействия адгезионных сил. Если вымывание и произойдет, то оставшийся слой фоторезиста во время задубливания опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения без ореола.
Другая причина заключается в том, что при проявлении пленка негативного резиста разбухает и неэкспонированный резист растворяется в проявителе. Этот эффект разбухания плёнки резиста уменьшает разрешайся способность негативных резистов. Как правило, минимальный разрешаемый размер элемента в три раза больше толщины пленки негативного резиста.
В позитивном резисте при экспонировании меняется растворимость только сенсибилизатора, в отличие от негативного резиста проявитель не пропитывает всю пленку резиста, и она не набухает.
Молекулы фоторезиста представляют собой полимерные цепочки разной длины. У каучуков длинна молекулы может быть равной 1-2 мкм, и это так же может повлиять на разрешающую способность фотолитографии.
В отечественной практике широко применяют позитивные резисты марок ФП-383, ФП-330, ФП-307, ФП-333, ФП-РН-7 и другие, которые обеспечивают разрешающую способность до 500 лин./мм при толщине фоторезиста 0,3 - 0,4 мкм. Используемые негативные фоторезисты марок ФН-ЗТ, ФН-106, ФH-II, ФT-IIK обеспечивают разрешающую способность около 200 лин./мм при толщине резиста 0,4 - 0,5 мкм.
Устойчивость к воздействия агрессивных сред трудно определить количественно, в частном случае она может означать величину, пропорциональную времени отслаивайся пленки фоторезиста в стандартном травителе, или время проникновения травителя сквозь поры пленки фоторезиста к подложке (измеряется в секундах или минутах). В последнее время стойкость пленки фоторезиста все чаще характеризуют плотностью дефектов, передающихся на подложку при травлении (дефект/мм 2).
Устойчивость к воздействию стандартного травителя должна быть по крайней море на порядок выше времени проявителя.
Кислотостойкость позитивных фоторезистов во многом определяется природой пленкообразователя. Используемый обычно новолак обеспечивает устойчивость к азотной кислоте (48%-ной) в течение 3-5 мин при толщине слоя порядка I мкм, но является нещелочестойким.
Негативные фоторезисты на основе ПВЦ обладают невысокой кислотостойкостью по отношению к смеси кислот HF + HNO 3 , которую применяют при травлении кремния, но они достаточно стойки к водным растворам HF и NH 4 F, используемым при травлении SiО 2 .
Резисты на основе каучуков с добавкой бисазидов обладают исключительно высокой кислотостойкостью.
Адгезия фоторезиста к подложке определяет стойкость пленки к внешним воздействиям и зависит от химического состава и строения самого фоторезиста, а также от состояния поверхности исходной подложки и режимов формирования пленки фоторезиста на подложке.
Определяющим фактором хорошей адгезии является смачиваемость подложки резистом. Так как в составе большинства фоторезистов -полимеры, обладающие гидрофобными свойствами (не смачиваются водой), то их адгезия к подложке может быть высокой, если поверхность также гидрофобна. При этом необходимо, чтобы поверхность подложек плохо смачивалась травителем и не происходило проникновения его под край фоторезистивной маски. Травители обычно являются водными растворами кислот, поэтому гидрофобные свойства поверхности подложки важны и с этой точки зрения. Свежеокисленная поверхность кремния всегда гидрофобна и обеспечивает высокое качество литографии.
Если такая поверхность пролежала на открытом воздухе в течение нескольких часов, то в результате адсорбции паров воды из атмосферы она станет гидрофильной. Поэтому перед фотолитографией такие поверхности необходимо прогревать в сухом инертном газе при температуре 700 - 800 °С.
Наилучшей адгезией обладает резист ФП-РН-7, он обеспечивает лучшее качество литографии на любых подложках, применяемых в пленарной технологии (оксид, - фосфоросиликатное стекло (ФСС), алюминий, хром).
Для фотолитографии по термическому SiO 2 и Al хорошо зарекомендовал себя и фоторезист ФП-383.
Основные операции фотолитографического процесса
Контроль окисленных кремниевых пластин . Перед началом операции фотолитографии необходимо провести визуальный контроль окисленных кремниевых пластин. Визуальный контроль осуществляется под микроскопом МИМ-7. Пластины должны быть чистыми, без пятен и подтеков. Не должно быть затемнений, отпечатков пальцев или пинцета. Если же они есть, то необходимо провести обезжиривание и отмывку поверхности пластин.
Нанесения фотослоя . Процесс нанесения фоторезиста должен обеспечивать равномерность и однородность слоя фоточувствительного покрытия на поверхности пластины.
Существует несколько методов нанесения фотослоя: центрифугирование, погружение, пульверизация (распыление), электростатическое нанесение. Наиболее широкое распространение получил метод нанесения фоторезиста на центрифуге при 2000 - 10000 об/мин. Толщина покрытия определяется главным образом его вязкостью и скоростью вращения центрифуги. Фоторезист подается на подложку из дозатора или капельницы. С момента попадания фоторезиста на пластину начинается интенсивное испарение растворителя, в результате чего вязкость фоторезиста быстро возрастает. В связи с этим время между нанесением фоторезиста и началом вращения подложки должно быть минимально (0,5-1 с). Время центрифугирования мало влияет на параметры пленки, в зависимости от состава и исходной вязкости фоторезиста оно составляет 20 - 30 с.
На краю подложки обычно образуется утолщение слоя фоторезиста, ширина и высота которого зависят от скорости вращения центрифуги, вязкости фоторезиста и формы подложи. Избавиться от этого утолщения очень трудно. Неравномерность толщины пленки является причиной неплотного прилегания фотошаблона к фоторезисту на операции экспонирования. В слое, нанесенном с помощью центрифуги, появляются внутренние напряжения, а плотность дефектов довольно высока из-за того, что пыль из окружающей среды засасывается в центр вращающегося диска. Попадание пыли на поверхность подложки и в слой фоторезиста приводит к образованию сквозных пор, а следовательно, дефектов в самих структурах ИС.
Пульверизация имеет ряд преимуществ по сравнению о центрифугированием: получение пленок различной толщины (0,5 - 20 мкм). равномерность, т.е. отсутствие утолщения пленки по краям и дефектов типа "прокол", возможность нанесения фоторезиста на профилированную поверхность, малый расход фоторезиста, обеспечение хорошей адгезии пленки к подложке.
Фоторезист наносят из специальной форсунки, в которой его дробят (диспергируют) газовым штоком при выходе из сопла.
В пленках, формируемых распылением, расход фоторезиста уменьшается примерно в 10 раз, а дефектность слоя - в 3-4 раза (вследствие отсутствия напряжений) по сравнению с пленками, полученными центрифугированием.
Сушка фотослоя. Формирование слоя фоторезиста завершает сушка. Высокотемпературная сушка пленки приводит к интенсивному испарению растворителя и переходу макромолекул полимера в устойчивое состояние. Этот процесс релаксационный и требует некоторого времени. При большой скорости испарения растворителя с поверхности фоторезиста может образоваться плотная пленка, препятствующая удалению молекул растворителя из объема покрытия. Это приведет к возникновению механических напряжений и дефектов в пленке, поэтому следует проводить ступенчатую сушку, постепенно повышая температуру. Пределом повышения температуры сушки является термическое задубливание (термолиз) фотослоя, который может препятствовать проявлению после экспонирования.
Термолиз протекает по той же схеме, что и фотолиз. До температуры 110 °С молекулы НХД сравнительно устойчивы, термолиз идет, но константа скорости k т его мала (для ФП-383 k т = 3*10 -5 с -1 , для ФП-327 k т = 1,6*10 -4 с -1 при 100 °С). Допустимое время сушки можно оценить из выражения
где C 0 и С t - концентрации молекул НХД до и после процесса сушки.
Допуская, что в результате сушки в слое может разложиться не более 5 % молекул НХД, можно найти максимальное время сушки (в секундах) при данной температуре: .
Это означает, что резист ФП-383 можно сушить при температуре 100 °С около 30 мин, а ФП-327 - не более 5 мин. Если сушку проводить не на воздухе, а в среде азота, скорость термолиза молекул НХД уменьшается.
Нагрев до температуры свыше 110 °С приводит к заметному разложению молекул НХД, при температуре 170 °С начинается термическое отвердевание новолачной смолы, а при 350 °С смола термически деструктирует (разрушается нормальная структура).
Нагрев подложек для сушки фоторезиста может осуществляться в сушильных камерах, ИК- излучением или СЗЧ- энергией.
Наиболее широко в автоматических линиях изготовления ИС используется ИК- термообработка. Длинноволновое (от 6 до 20 мкм) ИК- излучение сначала достигает границы раздела подложка - резист и, отразившись от подложки, сильнее нагревает нижние прилегающие к подложке слои резиста. Возникает такой температурный градиент по толщине резиста, что наиболее холодной частью будет его поверхность, а самой горячей - нижние слои. Такой механизм удаления растворителей исключает образование пузырей или пор в пленке резиста.
Совмещение. Для передачи изображения фотошаблона на пластину применяют контактный и проекционный способы.
Экспонирование фоторезиста проводят через фотошаблон, определяющий топологию изготовляемого прибора.
При проведении первой фотолитографии совмещение значительно упрощается. Для этого обычно шаблон располагает относительно полупроводниковой пластины так, чтобы границы его модулей были параллельны или перпендикулярны базовому срезу пластины.
Для последующих совмещений в комплектах фотошаблонов предусмотрены специальные метки (знаки совмещения). Для визуального совмещения наиболее удобными являются знаки с контролируемыми зазорами, для совмещения рисунков двух слоев необходимо "вписать" округлость одного слоя в окружность другого, квадрат в квадрат, крест в крест и т.д. (рис. 4).
Рис.4. Фигуры совмещения.
Процесс совмещения выполняют в два этапа. Сначала осуществляют грубое совмещение в пределах всего поля пластины с помощью контрольных модулей - пустых кристаллов, а затем точное по меткам. Для повышения точности совмещение выполняют для двух модулей, расположенных на краях пластины в одной строке матрицы модулей. Современные установки совмещения обеспечивают точность (0.2 - 0,5) мкм.
Контактное экспонирование и проявление . Операцию экспонирования проводят для того, чтобы в фоторезисте произошли фотохимические реакции, которые изменяют его исходные свойства.
Операция проявления пленки фоторезиста после ее экспонирования заключается в обработке подложки с пленкой в специальных растворах с целью удаления определенных участков слоя фоторезиста: облученных - для позитивных и необлученных - для негативных фоторезистов.
В проявлении негативных и позитивных фоторезистов имеются четкие различия, обусловленные химической природой полимерных материалов, входящих в состав фоторезистов, и типом протекающих в них фотохимических реакций. Проявление негативных фоторезистов является процессом растворения полимеров. Проявителями служат органические материалы: толуол, трихлорэтилен и др.
Проявление позитивных фоторезистов на основе НВД имеет химический характер. Образующаяся соль инденкарбоновой кислоты растворима в воде и при проявлении переходит в раствор. Помимо этого в проявителе растворяется новолачная смола, а молекулы НХД выполняют защитные функции, сохраняя неэкспонированные участки. Отсюда вытекает очень важное требование: сведение к минимуму воздействия проявителя на слой необлученного фоторезиста. При растворения не полностью экспонированных слоев проявитель окашивается в малиновый цвет, если же молекулы НХД разрушены полностью, то проявитель остается бесцветным.
Для проявления позитивных фоторезистов используют водные щелочные растворы: 0,3-0,5%-ный раствор едкого калия, 1-2%-ный раствор тринатрийфосфата, органические основания - этаноламины.
Как видно из рассмотренного выше, операции экспонирования и проявления неразрывно связаны между собой. Оптимальные времена проявления и экспозиции, обеспечивающие точную передачу размеров, обратно пропорциональны друг другу и связаны зависимостью, представленной на рис. 5. Желательно для работы выбирать режимы, лежащие в области П, поскольку при этом обеспечивается высокая устойчивость процесса.
Рис.5. Зависимость между временами экспонирования и проявления, обеспечивающими точную передачу размеров изображения: I и III - области неустойчивых режимов; II - область оптимальных режимов.
Качество проявления определяется по величине клина проявления на краю рисунка. Размер клина не должен превышать толщину слоя фоторезиста.
Задубливание фотослоя - повторная сушка. В процессе этого теплового цикла удаляется проявитель из остающегося фоторезиста, происходит термическая полимеризация пленки резиста, слой уплотняется, в результате чего повышается его кислотостойкость, а также адгезия пленки к подложке.
От характера повышения температуры во время сушки рельефа зависит точность передачи размеров изображения. Резкий нагрев вызывает оплавление краев рельефа, особенно если растворителем служит диоксан и слой имеет толщину I мкм и более. Поэтому для точной передачи размеров необходимо плавное или ступенчатое повышение температуры.
Травление. С помощью травления рисунок, полученный на фоторезисте, передается на подложку (оксид кремния или металлическое покрытие). При травлении оксида кремния последний снимается до самой поверхности кремния, открывая поверхность полупроводника для проведения диффузии примесей или создания контактов. При травлении металла остающийся алюминий (или другой металл) воспроизводит рисунок межсоединений в схеме.
Время травления оксидной пленки зависит от температуры и толщины оксида. При температуре выше 22°С скорость травления быстро возрастает, поэтому очень важно стабилизировать температуру травителя с точностью не хуже +2 °С.
При перетравливании травитель, проникая под фоторезист, снимает оксид, находящийся около краев под резистом, наблюдается клин растравливания.
Полностью вскрытые "окна" при наблюдении под микроскопом не окрашены: они имеют серебристо-серый цвет кремния. Недотравленные окна будут иметь окраску, определяемуо толщиной оставшегося оксида.
Фтористоводородная кислота растворяет диоксид кремния, но не растворяет сам кремний. Однако проводить травление оксида через фоторезистивную маску только в HF нельзя, так как продуктом реакции в этом случае является газ:
SiO 2 + 4HF SiF 4 + 2H 2 O.
Газовыделение может приводить к отслаиванию фоторезиста и растравливанию рисунка на оксиде. Поэтому в данном случае применяются буферные травители (водный раствор HF и NH 4 F).
Добавка фтористого аммония в раствор создает высокую концентрацию ионов фтора F - , которые подавляют газовыделение в процессе травления, продукт реакции становится жидкостью.
SiF 4 + 2F - (ж)
2NH 4 + SiF 6 (NH 4) 2 SiF 6
Удаление фоторезиста - завершающая операция в общем цикле процесса фотолитографии. Удаляют фоторезист деструкцией полимера кипячением в серной кислоте или обработкой в органических растворителях (диметилформамиде, диоксане или ацетоне). Наиболее качественное удаление фоторезиста с поверхности пластины получают при плазмохимической обработке в кислородной ВЧ-плазме.
Влияние времени экспонирования на качество фотолитографии.
Совершенствование фотолитографического процесса идет по двум направлениям: повышение его разрешающей способности и снижение числа дефектов в процессе образования рельефа в пленках диоксида кремния и металлов.
Разрешающая способность фотолитографического метода складывается из разрезающей способности применяемых фотошаблонов, оптико-механического оборудования, фоторезистов и самого процесса фотолитографии.
Существенное влияние на разрешающую способность процесса фотолитографии оказывают этапы экспонирования и проявления. Основным условием качественного проведения операции экспонирования является оптимальная экспозиция, т.е. время воздействия излучения на фоторезистивный слой, при котором происходит изменение его свойств.
Критерием оценки происшедшего в фоторезисте фотохимического эффекта является зависимость скорости проявления v np облученного фоторезиста от времени экспозиции t э (рис.6). На этом же рисунке изображена зависимость погрешности воспроизведения размеров элементов после проявления от t э.
Рис.6. Зависимость скорости проявления позитивного фоторезиста и погрешности воспроизведения размеров элементов от времени экспонирования.
Верхний предел экспонирования связан с тем, что фоторезист начинает сшиваться в трехмерную структуру и растворение замедляется. Нижний предел времени экспонирования определяется условием достижения скоростей растворения экспонированных участков, при которых воздействие проявителя на эти участки сведено к минимуму. Из рисунка видно, что при оптимальном времени экспозиции 5 - 25 с обеспечивается пропорциональность скорости проявления и минимум погрешности воспроизведения размеров элементов защитного рельефа.
Основными оптическими эффектами при проведении операции экспонирования являются дифракция света на границе шаблон - пленка фоторезиста, рассеяние света в пленке фоторезиста и отражение света от подложки.
Дифракционные эффекты при прохождении света через фотошаблон к пленке фоторезиста при экспонировании вызываются наличием зазора между фотошаблоном и подложкой. Дифракционные явления вызывают нерезкость и неровность края элемента рисунка.
В результате дифракции света на непрозрачных участках фотошаблона, например на краю прозрачного окна размером а, световой пучок расширяется и заходит в область геометрической теня. Огибающая пучка образует с нормалью к поверхности фоторезиста угол (угол дифракции), который зависит от длины волны света и зазора d (рис.7):
Ширину освещенной зоны в в области геометрической тени можно определить из выражения в =d/a , которое показывает, что изображение становится более размытым с увеличением зазора и длины волны света, а также с уменьшением ширины щели. Причем, если в плоскости фотошаблона распределение интенсивности света Е 0 равномерно вдоль размера окна, то в плоскости фоторезиста оно неравномерно и приобретает форму кривой с несколькими убывающими по глубине дифракционными максимумами:
где n - коэффициент преломления
Рис.7. Дифракционные явления в зазоре между шаблоном и резистом а также в слое резиста. Справа показано распределение освещенности в различных плоскостях. 1- уменьшенный размер окна; 2- точная передача; 3- максимальный размер окна.
Для наглядности на рисунке выделены плоскости на поверхности слоя резиста, в центре слоя и на поверхности подложки.
Показанная на рисунке схема распределения интенсивности света может объяснить важность выбора времени экспонирования при фотолитографии элемента с малыми размерами.
Известно, что для экспонирования слоя резиста требуется сообщить ему некоторую дозу излучения Н= E 0 t э.
При больших размерах (а>>) свет отклоняется на малый угол и увеличение времени экспонирования при всех прочих постоянных факторах приведет к небольшому увеличения размеров изображения. Например, при а = 10 мкм, = 0,4 мкм, толщине слоя h c = I мкм и зазоре I мкм максимальное увеличение изображения составит 0,04 мкм для неотражающей подложки.
При малых размерах (а) интенсивность и ширину луча в зазоре и слое резиста нельзя считать неизменными. Например, если время экспонирования таково, что для достижения нужной экспозиции необходима интенсивность Е 0 , размер окна на границе слоя резист - подложка будет меньше, чем размер окна на фотошаблоне (кривая 1 на риc.7). Увеличивая время экспозиции, мы смещаемся по дифракционной кривой распределения интенсивности и соответственно увеличиваем размеры проявленного изображения. При некотором оптимальном времени можно достичь точной передачи размеров (кривая 2), а затем и увеличения окна (кривая 3). Максимальное увеличение окна определяется положением первого минимума на дифракционной кривой и может быть оценено по формуле
Расчет показывает, что при а = 1 мкм, = 0,4 мкм, h c = 1 мкм и d = I мкм размер проявленного изображения может увеличиться до 2,45 мкм (при отсутствии отражения от подложки).
Таким образом, при контактной фотолитографии для обеспечения хорошей передачи изображения с малыми размерами необходимо уменьшать зазор d, а также снижать толщину слоя резиста. Кроме того, применение коротковолнового излучения следует рассматривать как одно из перспективных путей совершенствования процессов литографии для субмикронной области размеров элементов.
Лабораторное задание
Ознакомиться с описанием работы и инструкциями по технике безопасности.
Провести процесс фотолитографии.
Порядок выполнения работы
1. Провести визуальный контроль окисленных пластин под микроскопом.
Нанести фоторезист методом центрифугирования последовательно на четыре свежеокисленные пластины.
Провести сушку фотослоя на пластинах в ИК-печах конвейерного типа (максимальная температура (90 ± 5)°С) в течение 10 мин
Проэкспонировать пластины на установке совмещения и экспонирования,
Кассету с пластинами установить на позиции проявления. Проявить фотослой, для чего выдержать пластины в проявителе КОН в течение 20 - 30 с. Проявленные пластины автоматически промываются деионизованной водой и просушиваются азотом в течение 4 мин. После проявления провести контроль пластин.
Провести задубливание фотослоя в ИК- камере при максимальной температуре (100 ± 5)°С в течение 1С мин.
Провести травление диоксида кремния в окнах на пластинах в буферном травителе (водный раствор HF и NH 4 F). Время травления определяется толщиной оксидной пленки и скоростью травления. Скорость травления SiO 2 - 0,08 мкм/мин, боросаликатного стекла -0,05 мкм/мин, фосфоросиликатного стекла - 0,1 мкм/мин. По окончании процесса травления промыть пластины под струей деионизованной вода в течение 20 - 30 с. Проконтролировать пластину под микроскопом, и при наличии в окнах неснятого оксида произвести дотравливание.
Снять фотослой, промыть пластины в потоке деионизованной воды и высушить их.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
цель работы;
режимы проведения отдельных операций фотолитографии:
а) время нанесения фоторезиста и число оборотов центрифуги;
б) температура и время каждого этапа сушки;
в) время экспонирования и проявления, состав проявителя;
г) время травления оксида, состав травителя;
д) режим и материалы, используемые для снятия фоторезиста;
3) результаты контроля пластины (количество дефектов в пленке, клин травления и проявления) после каждой операции фотолитографического процесса. Экспериментальные данные оформить в виде таблицы;
Форма таблицы
Режимы и результаты визуального контроля пластин на этапах процесса фотолитографии
выводы по работе.
Контрольные вопросы
Какие технологические операции включает процесс фотолитографии?
Как можно представить кинетику фотохимических процессов в позитивных резистах на основе НХД?
Какие основные компоненты должны входить в состав фоторезистов?
Какие факторы оказывают влияние на разрешающую способность фотолитографии?
Какие основные критерии используются для оценки фоторезистов?
Какой из фоторезистов (негативный или позитивный) обладает более высокой разрешающей способностью и почему?
С какими процессами, происходящим в фоторезисте, связан предел повышения температуры сушки?
Объясните различие в процессе проявления для позитивного и негативного резистов.
Объясните, зачем добавляется в раствор четырехфтористый аммоний при травлении SiO 2 ?
Какие основные виды брака могут возникнуть на каждой из операций процесса фотолитографии при нанесении фоторезист сушке, совмещении, экспонировании и т.д.?
Пути повышения разрешающей способности литографии
Королев М.А., Ревелева М.А. Технологии и конструкции интегральных микросхем. Ч.1 М. МИЭТ. 2000. 120 с.
Зи С. Технология СБИС М. Мир. 1986. 404 с.
Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник / М.: Радио и связь. 1991. – 528 с.
