Оборудование для фотолитографии

Фотолитография – процесс формирования рельефа в диэлектрических и металлических плёнках, нанесённых на поверхность полупроводниковой пластины. Её применяют для селективного удаления плёнки двуокиси кремния над теми участками пластин, где должны быть созданы диффузионные структуры.

Фотолитография включает следующие основные операции:

- подготовка поверхности полупроводниковой пластины;

- формирование слоя фоторезиста;

- формирование рельефа фоторезиста;

- формирование рельефа в окисле или металле;

- снятие слоя фоторезиста.

В соответствии с этапами технологического процесса фотолитографии оборудование классифицируется по назначению:

- для обработки поверхности пластины;

- для нанесения и термообработки фоторезиста;

- для совмещения и экспонирования, проявления и термообработки;

- для операций травления.

В последние годы в области полупроводникового машиностроения характеризуются переходом от установок, выполняющих отдельные технологические, к разработке автоматических линий и комплексов. Применительно к линиям фотолитографии наблюдается ещё одна важная тенденция: переход от групповой обработке пластин к индивидуальной обработке, что наилучшим образом обеспечивает главное требование технологического процесса – его воспроизводимость.

Наиболее полно поставленным задачам отвечают комплекты и автоматические линии фотолитографического оборудования, в основу работы которых положены следующие принципы:

- индивидуальная обработка пластин с использованием метода «кассета-кассета»;

- автоматическая подача пластины из кассеты на рабочую позицию и перегрузка её в приёмную кассету, что исключает загрязнение от рук и бой пластины;

- управление последовательностью и продолжительностью технологических операций с помощью блока управления или ЭВМ;

- работа по заданной программе, обеспечивающая абсолютную воспроизводимость технологических режимов, исключающая влияние на техпроцесс субъективных факторов.

Таким образом, существуют две тенденции построения фотолитографических линий:

- стыковка модульных установок с индивидуальными постами загрузки-выгрузки пластин в кассеты, которые можно жестко стыковать попарно, конструктивно и энергетически (линии фирмы III и линия Class-1000 фирмы Macronetics (США), «Лада-электроника», «Лада-125» (СССР));

- жесткая линия, у которой посты загрузки-выгрузки пластин находятся в начале и в конце (линия Autofab-IV фирмы Cobilt).

Описанные линии отличаются системами транспортирования пластин, которые можно подразделить условно на три типа:

- транспортирование пластин на воздушной подушке;

- комбинированное транспортирование (на воздушной подушке и с помощью транспортной каретки);

- транспортирование пластин пассиках в строго горизонтальной плоскости с плавным изменением скорости в начале движения и при стыковке.

10.1.1 Подготовка поверхности подложек

Для обеспечения эффективности отмывки в качестве моющей среды используется жидкость высокой степени чистоты и деонизированная вода; отмывка производиться непосредственно перед процессом, чувствительным к загрязнению; гидромеханическая отмывка должна следовать за химической (в случае совмещения двух видов отмывки), так как гидромеханическая отмывка позволяет удалить те загрязнения, для которых неэффективна химическая.

Качество отмывки и длительность технологического процесса определяются используемыми реактивами, материалом и конструкцией щёток. Материал щёток должен: не изменять своих исходных характеристик в воде, отмывать пластины согласно требованиям технологии, не вносить дополнительных загрязнений и дефектов, не допускать механических повреждений. .

Рисунок 10.1 – Схемы отмывки пластин

В установках гидромеханической очисти пластин линий «лада-электроника» и «Лада-125» применяется индивидуальная обработка пластины, находящейся на патроне центрифуги, вращающейся щёткой. В установках отмывки щетками фирмы Solitec используется смещенная по центру пластины щетка, вращающаяся против движения пластины. Наряду с очисткой пластин щеткой фирмами Macronetics, Cobilt, Kasper применяется струйная очистка пластин. Этот метод особенно эффективен при удалении загрязнений из протравленных каналов, куда не достаёт щётка.

10.1.2 Формирование слоя фоторезиста

Формирование фотослоя – начальная операция собственно фотолитографического цикла, на которой закладывается качество фотолитографического процесса в целом. К ней предъявляются следующие основные требования: высокая адгезия фоторезиста к поверхности пластины, равномерность толщины плёнки фоторезиста по пластине и воспроизводимость толщины от пластины к пластине, минимальное количество проколов, отсутствие затеков фоторезиста на обратную сторону пластины.

Современное оборудование включает в себя модули нанесения и сушки (I термообработки) фотослоя. Способы нанесения фоторезиста: окунание, накатка, распыление, центрифугирование.

Распыление является наиболее универсальным способом формирования фотослоя и нанесения его на пластину в виде мелкодисперсного аэрозоля. Достоинствами метода являются возможность формирования покрытий в большом интервале толщин с достаточно высокой воспроизводимостью и небольшим разбросом по толщине, возможность нанесения фоторезиста на профилированные поверхности.

Требования к технологическому процессу:

- наличие сушки пластин перед нанесением фоторезиста;

- стабильность скорости центрифугирования в рабочем интервале 500-600 об/мин (допустимая нестабильность ±5%);

- минимальное и фиксированное время разгона центрифуги (0,1 – 0,15 с);

- постоянство дозы фоторезиста;

- стабильность времени центрифугирования.

Установки нанесения фоторезиста Macronetics, III, In-Line Technology, «Лада-электроника», «Лада-125» выполняют цикл обработки по одному принципу:

- автоматическая выдача пластин из кассеты;

- автоматическое транспортирование пластины на позицию обработки (столик центрифуги);

- обдув платины азотом;

- дозированная подача фоторезиста на пластину;

- центрифугирование пластины с заданной скоростью;

- автоматическое транспортирование на следующую технологическую операцию.

Автомат нанесения фоторезиста, входящий в состав линии «Лада-125», предназначен для обработки пластин диаметром 75, 100, 125 мм. Все агрегаты автоматов линий выполнены из унифицированных блоков и отличаются только применением того или иного узла, определяющего их технологическую принадлежность.

Операция термообработки, завершающая процесс формирования фотослоя, имеет целью удаление из пленки летучих компонентов. Термообработка в современных линиях фотолитографии производиться ИК нагревом. В качестве нагревателя применяются ИК лампы и темные ИК излучатели. В установках термообработки, входящие в линии «Лада-электроника» и «Лада-125», снабжены «темными» источниками ИК излучения в виде тонкой токопроводящей пленки, нанесенной на лист кварцевого стекла. Термообработка производиться за относительно короткое время 2,5-5 мин при непрерывной продувке азотом

10.1.3 Экспонирование

Практическое применение в производстве нашли контактное и проекционное экспонирование.

Ввиду высоких требований к точности совмещения (не более долей микрона) контактное проецирование выполняется на специальном прецизионном оборудовании - установках совмещения и экспонирования, представляющих собой сложные оптико-механические комплексы. Установки характеризуются методом и точностью совмещения, разрешающей способностью, качеством контакта, производительностью, сроком службы фотошаблонов (интенсивность износа), допускаемыми размерами пластины.

Рисунок 10.2 – Принципиальная схема контактной установки

На рис. 10.2 представлена принципиальная схема контактной установки совмещения и экспонирования. Основными элементами установки являются микроскоп 1 для визуального контроля процесса совмещения, фотошаблон 2, на определённом расстоянии 3 от которого (расстояние меньше глубины резкости микроскопа) расположена пластина 4. в процессе совмещения пластина перемещается по координатам X,Y и по углу φ на координатном столе 5. после того, как достигнуто с требуемой точностью совмещение, пластина плотно контактирует с фотошаблоном и производиться ее экспонирование ртутной лампой сверхвысокого давления 6 через конденсатор 7, обеспечивающий необходимую равномерность освещённости по всей поверхности подложки, и затвор 8.

Основными механизмами установок контактного совмещения и экспонирования являются:

- микроманипулятор совмещения;

- механизм ориентации плоскости подложки;

- шаблонодержатель;

- загрузочное устройство;

- узел контактного экспонирования;

- микроскопы для визуального контроля.

Манипулятор должен обеспечивать независимость координатных перемещений, достаточные размеры полей, высокую чувствительность, определенный алгоритм перемещений, перемещения в плоскости, параллельной плоскости фотошаблона. Существуют следующие конструкции микроманипуляторов совмещения: координатно-поворотный стол с направляющими качения и винтовым приводом; плоский стол с пантографным приводом; манипуляторы с магнитострикционным приводом.

Механизмы ориентации плоскости подложки обеспечивают расположение подложки строго параллельно рабочей плоскости фотошаблона и перемещают подложку с высокой точностью при контактировании с фотошаблоном.

Крепление фотошаблона к шаблонодержателю может осуществляться при помощи вакуума (эмульсионные фотошаблоны) или механическое крепление, к примеру, с помощью байонетного замка (с толщиной фотошаблона в несколько миллиметров).

Узел контактного экспонирования включает в себя источник света, оптическое устройство для создания светового потока, механизм управления передачей светового потока и кожух для размещения источника света. Оптическое устройство предназначено для создания равномерного светового потока с параллельным пучком лучей в определенном диапазоне длин волн на всем поле экспонирования. Примером может служить растровый осветитель, приведенный на рис. 10.3.

10.3 - Оптическая схема растровой осветительной системы

Механизм управления передачей светового потока – затвор необходим для того чтобы задавать нужное время экспонирования, которое зависит от чувствительности фоторезиста.

Точное взаимное расположение совмещенных структур определяется с помощью микроскопа для визуального наблюдения и контроля качества совмещения.

Установки проекционного совмещения и экспонирования позволяют избежать контактирования подложки и фотошаблона, что повышает стойкость фотошаблона и способствует повышению разрешения изображения. По способу формирования изображения на подложке системы проекционной фотолитографии подразделяются на системы: с одновременным переносом изображения на поле пластины, с последовательным мультиплицированным переносом изображения, с последовательным сканирующим переносом изображения. Эти системы содержат осветитель 1, устройства совмещения и фокусировки (ручной или

автоматической) 2, контроля совмещения 3, манипу- ляторы совмещения 4, на которых размещаются фотошаблон 5, проектируемый через объектив 6 на пластину 7, размещенную на манипуляторе (координатном столе) 8. Рабочее поле проекционного объектива 50-80 мм.

Способы совмещения фотошаблона и подложки: с визуально контролируемым положением их относительно друг друга с помощью базовых меток (знаков совмещения),

Процесс совмещения может быть выполнен оператором, который визуально контролирует взаимное расположение фотошаблона и подложки. Перемещает их при помощи микроманипулятора до совмещения. При автоматическом совмещении фотоэлектрическое устройство анализирует положение знаков совмещения на подложке и фотошаблоне, вырабатывает сигнал рассогласования, который поступает в привод микроманипулятора и вызывает перемещение подложки. При полном совмещении сигнал рассогласования исчезает и привод выключается.