Изучение конструкции фотошаблонов, методов их изготовления и контроля

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ  ФОТОШАБЛОНОВ

Цель работы: изучение конструкции фотошаблонов, методов их изготовления и контроля.

I. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К РАБОТЕ

Содержание работы: уяснить поставленную задачу, ознакомиться с конструкциями фотошаблонов (ФШ), технологическими процессами их изготовления. Ознакомиться с конструкцией, микроскопа и методикой измерения геометрических размеров элементов  топологии, настроить микроскоп, произвести контроль дефектов различного вида и геометрических размеров элементов топологии на ФШ.

I.I. Основные сведения из теории

Фотолитография является в настоящее время основным методом создания требуемой конфигурации элементов интегральных микросхем (ИМ).  Суть фотолитографической обработки заключается в создании на поверхности пластины   ( подложки с нанесенной пленкой) защитного рельефа требуемой конфигурации. Для этой цели на пластину (подложку) наносят слой светочувствительного и стойкого к агрессивным веществам (кислотам, щелочам) материала, называемого фоторезистом. Операции фотолитографии многократно повторяются в процессе изготовления ИМ чтобы сформировать конфигурацию элементов каждого формируемого слоя, таким образом для изготовления ИМ необходим комплект фотошаблонов.

После сушки нанесенного фоторезиста (ФР) его подвергают экспонированию (засветке) ултрафиолетовым светом через ФШ, .содержащий  изображение   слоя элемента ИМ. Последующая  операция проявления ФР превращает скрытое изображение в рельефное за счет растворения определенных участков ФР (засвеченных - для позитивных ФР и  не засвеченных - для негативных ФР). После сушки ФР на поверхности подложки образуется фоторезистивная маска.. Фоторезистивная маска обеспечивает защиту требуемых участков пленки при операции травления и затем удаляется.

Фотошаблон - плоскопараллельная пластина из прозрачного  материала, на которой  

имеется рисунок топологического слоя структуры ФШ,  многократно повторенный в пределах активного поля пластины, состоящий из прозрачных и непрозрачных для света определенной длины волны.

Подложка ФШ выполняется из стекла толщиной от 1,2 до 10 мм. Рекомендуемые  размеры подложек ФШ 70х70, 76х76, 90х90, 102х102, 125х125, 150х150 мм и т.д. К ФШ предъявляются следующие требования: улучшенная плоскостность и плоскопараллельность, высокая чистота обработки и однородность поверхности, возможность использования в спектральной области длин волн 200…450 нм, минимальный коэффициент отражения поверхности маскирующего слоя,  малый температурный коэффициент линейного расширения, высокая термостойкость и износоустойчивость ФШ при эксплуатации. Чаще всего подложки ФШ  выполняются из кварцевого стекла, т.к. оно имеет более высокую износостойкость, ТКЛР кварцевого стекла (5,6х10^-7 1/К) на порядок меньше, чем у щелочного стекла (8,5х10^-6 1/К). Для уменьшения адсорбции загрязнений  и захвата частиц аэрозолей, обусловленных электростатическим зарядом поверхности, на поверхность ФШ наносят антистатическое покрытие сложного состава (например, In_x,Sn_y,O_z).

В зависимости от материала пленочного покрытия различают ФШ:

на основе фотоэмульсии – эмульсионные (Э);

на основе металлической пленки хрома – металлизированные (М);

на основе пленок диэлектриков или полупроводников – цветные или транспарентные (Т), которые прозрачны для видимого света и не прозрачны для ультрафиолетового света.

Эмульсионные ФШ принципиально не могут обеспечить высокую разрешающую способность (минимальный размер элемента около 3 мкм), так как эмульсионный слой имеет минимальную толщину слоя h = 3…6 мкм, кроме того крайне низка их эксплуатационная стойкость (единицы-десятки совмещений при контактной печати).

Металлизированные ФШ обеспечивают значительно  большую разрешающую способность, так как толщина пленки хрома составляет h =0,1…0,3 мкм, и имеют более высокую стойкость (до 100 – 500 операций совмещения). Однако коэффициент отражения света пленки хрома высок (R = 0,6), что вызывает эффект многократного отражения света между ФШ и поверхностью, на которую наносится изображение, и это не позволяет стабильно получать элементы размерами менее 1…1,5 мкм. Несколько увеличить разрешающую способность хромовых ФШ можно путем нанесения противоореольного покрытия (тонкой пленки окиси хрома Cr_xO_y  или SiO₂).

Транспарентные (цветные) ФШ изготавливаются с использованием пленочного покрытия из диэлектриков (окиси железа, окиси ванадия, халькогенидов) или полупроводника (пленок кремния h = 70…80 нм). Такие пленки хорошо пропускают видимый свет (450…570 нм), но обладают достаточно высокой оптической плотностью в УФ-диапазоне (пленка окиси железа толщиной 120…240 нм пропускает лишь около 10% УФ-излучения). Таким образом сквозь транспарентный ФШ хорошо различимо изображение, ранее полученное изображение на подложке ИМС, что значительно облегчает операцию совмещения. Транспарентные ФШ имеют меньшую плотность проколов (около 0,1…0,5 деф/см²), чем хромовые (3…4 деф/см²), что объясняется более равномерной структурой пленки окиси железа.

Процесс изготовления ФШ (а тем более комплекта  из 5…6 ФШ, необходимого для изготовления ИМС) очень трудоемок, что объясняется высокими требованиями к его характеристикам: микронные размеры элементов, точное совмещение ФШ в комплекте, большие рабочие поля, минимум дефектов.

По сложности изготовления и уровню характеризующих ФШ параметров их классифицируют по классам и группам. Система классификации ФШ приведена в табл. 1, геометрические размеры – в табл. 2.

Так как ФШ является основным инструментом при проведении технологических операций фотолитографии, контроль при изготовлении ФШ, а также при подготовке их к работе является весьма ответственной операцией. Измерение геометрических размеров элементов топологии и плотности дефектов дает информацию, на основании которой  ФШ либо признается годным, либо бракуется. Часть  забракованных  ФШ может быть восстановлена ретушью дефектов: устранение  недотравов путем локального удаления дефекта с помощью лазера и т. п.

Контроль ФШ  осуществляется  визуально-оптическим методом, заключающемся  в визуальном осмотре ФШ с помощью микроскопа (МБС, БИОЛАМ и т.д.), проекционных устройств (ППМ-20, ППМ-60) или телевизионных микроскопов (ТМ-1).  Работа с такими средствами предъявляет высокие требования  к квалификации оператора, а большой объем информации, обрабатываемой в процессе контроля, делает работу утомительной.

Для выделения на изображении контролируемой структуры областей дефектов и аномалий топологии используют методы оптической пространственной фильтрации, которые дают возможность повысить производительность и достоверность контроля за счет уменьшения на несколько порядков объема перерабатываемой информации. Одним из вариантов данного метода является подавление изображения топологии элементов ИМС оптическим вычитанием изображений контролируемого и эталонного ФШ. Можно дополнительно окрасить монохроматическое изображение  контролируемого и эталонного ФШ (например, красным и синим цветом). При оптическом сложении изображений идентичные участки будут неокрашенными (серыми), а дефекты и отклонения геометрических размеров окрасятся и  будут видны: дефекты – как цветные пятна; отклонения в размерах – как цветная окантовка (красная или синяя - в зависимости от увеличения или уменьшения размера).

Таблица 1

Система классификации фотошаблонов