СПОСОБ ФОТОЛИТОГРАФИИ Российский патент 1997 года по МПК H05K3/06 H01L21/30 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к процессам формирования топологических элементов микроэлектронных устройств с двухслойным маскированием.

Известен способ фотолитографии, включающий нанесение на подложку пленки металла, например вакуумным напылением, нанесением на металлическую пленку слоя фоторезиста, его сушку, экспонирование через шаблон, проявление изображения, задубливание фоторезистивной маски и травление металлической пленки с боковым подтравливанием [1] Способ обеспечивает высокое качество края формируемых элементов устройств при удалении обрабатываемой пленки "взрывной" фотолитографией, однако трудоемок из-за применения материалов, использующих принципиально различные методы для их нанесения и обработки.

Известен способ фотолитографии, включающий последовательное нанесение на подложку двух слоев негативных фоторезистов различной химической структуры и последующую совместную обработку [2] Данный способ обеспечивает снижение дефектности (проколы) фоторезистивной маски, однако при этом уменьшается ее разрывающая способность.

Наиболее близким к заявляемому является способ, включающий нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста, сушку, экспонирование без шаблона, термообработку при температуре выше температуры разложения светочувствительного компонента, но ниже температуры разложения продуктов фотохимических реакций, нанесение второго слоя фоторезиста, сушку, экспонирование через шаблон и проявление рисунка в двухслойной пленке [3] Этот способ позволяет получать отверстия в резистивной маске с большим отношением глубины к ширине. Недостатком известного технического решения является ограниченная разрешающая способность, связанная с недостаточной адгезией малоразмерных участков фоторезистивной маски из-за структурных различий материала первого и второго слоев резиста, а также трудностью удаления маски в процессе "взрывной" литографии.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение разрешающей способности резистивной маски при "взрывной" фотолитографии.

Технический результат достигается тем, что предложен способ фотолитографии, включающий нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста, его сушку, экспонирование без шаблона, нанесение второго слоя позитивного фоторезиста, сушку, экспонирование через шаблон и проявление рисунка в двухслойной пленке, отличающийся тем, что величину экспозиции первого слоя фоторезиста t_Э1 выбирают равной (0,5 0,6) • t_Э2, где t_Э2 значение величины экспозиции второго слоя в диапазоне фотографической широты применяемого фоторезиста.

Технический результат достигается тем, что унифицируются процессы формирования фоторезистивных слоев, причем при термообработке второго слоя сохраняется способность первого слоя быть чувствительным к воздействию актиничного излучения. Позитивные фоторезисты состоят из таких компонентов, как пленкообразующий компонент (фенолформальдегидная смола или смеси на ее основе), растворитель (диоксан, диметилформамид, кетоны, эфиры и другие материалы, например, смесь летучих и труднолетучих растворителей), светочувствительный компонент (производные на основе о-нафтохинондиазидов). В результате фотолиза светочувствительного компонента образуется соль инденкарбоновой кислоты, растворимая в воде, которая переходит в раствор. Продукты фотолиза светочувствительного компонента, воздействуя с непрореагировавшими молекулами, образуют димер, чем предотвращается взаимодействие нефотолизованных молекул светочувствительного компонента с пленкообразователем и, следовательно, сохраняется линейная структура макромолекул в экспонированных областях фоторезиста. Однако в зависимости от дозы облучения изменяется степень растворимости фоторезиста в проявителе (фенолформальдегидные смолы, составляющие несущую "основу фоторезиста, являются растворимыми в водно-щелочных растворах). Недостаточная доза облучения, ввиду неравномерности поглощения слоем фоторезиста, приводит к образованию так называемой "вуали", а передержка к образованию под защитным (неэкспонированным) рельефом фоторезиста вне зоны максимальной плотности потока актиничного излучения поперечных связей за счет протекания побочных фотохимических процессов, также приводящих к возникновению в слое нерастворимых гидрофобных продуктов. Варьируя экспозицией, таким образом, можно изменять скорость растворения (удаления) слоя фоторезиста с экспонированных участков.

При использовании двухслойной резистивной маски на основе позитивного фоторезиста участки первого слоя (при определенных суммарных дозах облучения), совпадающие с экспонированными через шаблон участками второго слоя имеют большую скорость растворения, чем примыкающие к ним участки, маскированные фотошаблоном. В процессе проявления в водно-щелочном проявителе происходит удаление экспонированных участков второго слоя, через маску которого происходит травление нижележащего первого слоя. В этом случае профиль отверстия формируемой фоторезистивной маски фактически приближается к профилю однослойной фоторезистивной маски с отрицательным клином проявления, однако в случае двухслойной маски (согласно процедуре формирования имеющей вдвое большую толщину и, следовательно, большее соотношение толщин обрабатываемой пленки и маски) при сохранении в пределе точности формирования элементов облегчается процедура удаления фоторезистивной маски вместе с обрабатываемой пленкой, а также снижается неровность края элементов, проявляющаяся как отслаивание обрабатываемой пленки от подложки в виде нерегулярных мелких фрагментов. Разрешающая способность фоторезистивной маски определяется в значительной мере ее адгезионной способностью. Сила, необходимая для отрыва элемента фоторезистивной маски, пропорциональна площади контакта с подложкой. Идеальным случаем фоторезистивной маски с этой точки зрения является ситуация, когда стенки маски вертикальны. Компромиссное решение в целом обеспечивает профиль формируемого элемента в виде равнобедренной трапеции с мало отличающимися размерами верхнего и нижнего оснований.

Пример конкретного применения.

На обезжиренную подложку керамики ВК-100 (поликор) методом центрифугирования при скорости вращения 5000 об/мин наносили слой позитивного фоторезиста ФП-051 МК толщиной 0,8 0,9 мкм. Производили ИК-сушку нанесенного слоя при температуре 115 120^oC в течение 5 6 мин. Производили экспонирование слоя без фотошаблона на установке ЭМ-576 при освещенности (3,5 4)•10⁴ лк. Наносили второй слой фоторезиста и производили его сушку по режимам обработки для первого слоя. Производили экспонирование обоих слоев фоторезиста через фотошаблон. Скрытое изображение проявляли в стандартном проявителе данного фоторезиста или в 0,6% растворе KOH в течение 30 120 ч. Режимы экспонирования по заявляемому способу установлены авторами экспериментально на основании результатов исследований процессов. Оценку эффективности заявляемого технического решения осуществляли по результатам формирования тонкопленочных элементов. Для этого производили методом магнетронного распыления на постоянном токе на установке "Оратория 2М" осаждение на неподогреваемую подложку слоев Ti-Al (толщина подслоя Ti соответствовала удельному сопротивлению 70 100 Ом/квадрат, толщина слоя Al составляла 0,55 мкм). Толщина двухслойной фоторезистивной маски находилась в пределах 1,5 1,8 мкм.

Удаление контактной маски из фоторезиста при формировании топологического рисунка производили методом погружения подложки в диметилформамид, в котором выдерживали ее до полного отслоения металла, лежащего на контактной маске. В качестве испытуемой структуры использовали плату микросборки, характерными особенностями которой являлись протяженные чередующиеся элементы (т. е. с большим отношением длины к ширине) с минимальными размерами 10 мкм, отстоящие друг от друга на таком же расстоянии. Контроль качества сформированной металлической разводки проводили на микроинтерферометре МИИ-4.

Время, необходимое для оптимальной засветки единичного слоя фоторезиста определяли экспериментально на пробных подложках. Установлено, что для экспонирования второго слоя при данных материалах и режимах пленкообразоания необходима величина экспозиции, равная 30 с. Исходя из этого, соответственно задавали продолжительность засветки первого слоя без фотошаблона. Контролируемыми параметрами, по которым оценивали эффективность предлагаемого способа фотолитографии, являлись размер элемента в его верхней части (l₁), в нижней части ( l₂) и величина неровности края (δ). В качестве обобщенного параметра оценивалась величина , характеризующая зону нарушения контура элемента.

Пример 1. На пробных пластинах в диапазоне фотографической широты фоторезиста ФП-051 МК (т.е. когда время экспонирования обеспечивает минимальное искажение геометрических размеров элементов скрытого изображения в слое фоторезиста) определяли величину экспозиции. При заданных исходных характеристиках раствора фотоматериала, скорости вращения центрифуги, находившейся в пределах 5000 + 10% освещенности создаваемой лампой установки ЭМ-576 (на уровне 3,5•10⁴ лк), при толщине слоя фоторезиста 0,8 - 0,9 мкм необходимая величина экспозиции второго (экспонируемого через фотошаблон) слоя составило 30 с. На основании этих данных варьировали величину экспозиции первого слоя. Температура ИК-сушки слоев составляла 115 - 120^oC, продолжительность 6 мин.

Режимы обработки и результаты формирования металлических пленочных элементов представлены в таблице.

Из таблицы видно, что наилучшие результаты изготовления элементов обеспечиваются при уровне экспонирования 0,5 0,6 от значения величины экспозиции второго слоя.

Пример 2. (прототип)
На подложку наносили слой фоторезиста ФП-051 МК толщиной 0,8 мкм, высушивали при температуре 115 120^oC в течение 6 мин. Производили экспонирование фоторезиста при освещенности 3,5•10⁴ лк в течение 30 с. После этого производили ИК -термообработку при температуре 180^oC в течение 2 мин, при которой происходило разложение светочувствительного компонента резиста. Наносили второй слой фоторезиста толщиной 0,8 мкм и производили его экспонирование через фотошаблон при освещенности 3,5•10⁴ лк в течение 30 с. Скрытое изображение проявляли 0,6% растворе KOH. Время проявления 5 мин. Края элементов маски четкие и ровные. После нанесения слоя металлизации при обработке в диметилформамиде рисунка разводки получить не удалось.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более технологичное формирование резистивной маски для "взрывной" фотолитографии пленочных элементов.

Использование: изобретение относится к электронной технике. Сущность изобретения: на подложку наносят первый слой позитивного фоторезиста, проводят его сушку и экспонирование без шаблона, затем наносят второй слой позитивного фоторезиста, проводят его сушку, экспонируют через шаблон и проявляют рисунок в двухслойной пленке, при этом величину экспозиции первого слоя фоторезиста t_Э1 выбирают равной (0,5 - 0,6)t_Э2, где t_Э2 - значение величины экспозиции второго слоя в диапазоне фотографической широты применяемого фоторезиста. 1 табл.

Способ фотолитографии, включающий нанесение на подложку слоя фоторезиста, его сушку, экспонирование без шаблона, нанесение второго слоя фоторезиста, сушку, экспонирование через шаблон и проявление рисунка в двуслойной пленке, отличающийся тем, что величину экспозиции первого слоя фоторезиста t_э 1 выбирают равной (0,5 0,6)t_э 2, где t_э 2 значение величины экспозиции второго слоя в диапазоне фотографической широты применяемого фоторезиста.