СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОРЕЗИСТИВНОЙ МАСКИ Российский патент 2002 года по МПК H01L21/312 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в литографических процессах при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных схем и печатных плат.

Известен способ формирования фоторезистивной маски, включающий нанесение позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазида, сушку, экспонирование, проявление в водощелочном растворе и задубливание [1].

Свойства фоторезистивной маски, формируемой по данному способу, определяются свойствами обрабатываемого материала, параметрами процессов формирования, изображения в резистивном слое и переноса изображения на обрабатываемый материал.

Известны способы формирования фоторезистивной маски, включающие нанесение слоя фоторезиста, его сушку, экспонирование, проявление, элионную обработку и задубливание. Например, для повышения термостойкости фоторезистивной маски перед задубливанием ее подвергают обработке коротковолновым ультрафиолетовым излучением, обработке электронными и ионными пучками, обработке в плазме фторуглерода или азота. При этом происходит окисление пленкообразующей основы фоторезиста за счет атмосферного кислорода или с участием синглетного кислорода [2].

Недостатками известных способов является, в первую очередь, необходимость использования специализированного энергоемкого оборудования и трудность удаления окисленного фоторезиста после выполнения литографических операций.

Наиболее близким к заявляемому являются способы формирования фоторезистивной маски, включающие нанесение слоя позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазида, сушку, экспонирование, проявление, задубливание и обработку (вымачивание) в неорганической (раствор КМnO₄) жидкости с целью окисления пленкообразующей основы и повышения термостойкости маски [3].

Однако указанные способы, несмотря на простоту процедуры обработки, также приводят к проблеме удаления фоторезистивной маски; кроме того, окислительная деструкция фоторезиста приводит к возрастанию механических напряжений, снижению плотности и устойчивости маски в процессах травления пленок.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение плотности материала фоторезистивной маски и, как следствие, повышение выхода годных.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования фоторезистивной маски, включающем нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазида, его сушку, экспонирование, проявление, обработку в неорганической жидкости и задубливание, в качестве неорганической жидкости используют жидкий азот, а задубливание осуществляют в два этапа, между которыми производят обработку в жидком азоте, причем продолжительность первого этапа задубливания составляет 0,25-0,35 общей продолжительности задубливания.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, является то, что в качестве неорганической жидкости используют жидкий азот, а задубливание осуществляют в два этапа, причем продолжительность первого этапа задубливания составляет 0,25-0,35 общей продолжительности задубливания.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что при помещении подложки с фоторезистивной маской в жидкий азот изменяется упругонапряженное состояние фоторезиста без протекания процессов взаимодействия светочувствительного продукта с пленкообразующей основой и окислением последней. В этом процессе, в первую очередь, изменяется энергия межмолекулярного взаимодействия в полимерных цепочках за счет термоупругих напряжений, вызванных различием коэффициентов термического расширения полимерной пленки и подложки. Структурной перестройке и, соответственно, изменению физико-механического состояния фоторезиста способствуют также упругие волны, возникающие при погружении подложки в жидкий азот и последующем ее извлечении на воздух. Кроме того, при закипании жидкого азота слой фоторезиста подвергается механическому квазиимпульсному воздействию при схлопывании газовых пузырьков. Давление, развиваемое газовыми пузырьками при критической температуре 125,9 К, составляет 39,9 МПа. При этом происходит очистка поверхности подложки от механических загрязнений, уплотнение полимерной пленки и повышение ее однородности.

После сушки фоторезиста количество оставшегося растворителя составляет 10-15% от начального. Остаточный растворитель и вода. Поглощаемая в процессе проявления фоторезиста и межоперационной промывки подложки, в результате низкотемпературной обработки аккумулируются на границе раздела фоторезист - подложка, вызывая уменьшение адгезионных свойств. Полностью задубленный фоторезист становится менее эластичным, его модуль Юнга увеличивается и низкотемпературная обработка в жидком азоте становится малоэффективной. Поэтому обработку в жидком азоте необходимо производить после того, как в слое фоторезиста активированы процессы удаления жидких и низкомолекулярных фрагментов и процессы сшивания в полимерной композиции.

Поскольку продолжительность первого этапа задубливания определятся удалением растворителя из слоя фоторезиста, то, на основании первого закона Фика, относительная часть оставшегося растворителя S/S_∞ определяется выражением:
S/S_∞ = exp(-Dπ²t/l²)(8/π²),
где D - коэффициент диффузии растворителя в полимерной основе;
t - время;
l - толщина фоторезиста.

На основании приведенного выражения с учетом изменения толщины слоя фоторезиста в процессе сушки получаем отношение продолжительности первого этапа задубливания (t₁) к общей продолжительности задубливания (t₀):

где δ₁ - относительное уменьшение толщины слоя фоторезиста за счет удаления растворителя.

S₁/S_∞ и S₀/S_∞ - относительная часть остаточного растворителя к моменту окончания первого этапа и собственно операции задубливания, соответственно.

Типичные значения S₁/S_∞, S₀/S_∞ и δ₁ для позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазидов могут находиться в пределах [2] S₁/S_∞ =0,1-0,15; S₀/S_∞ = 0,01 и δ₁ =0,15-0,2.

При c₁=0,1 и δ₁ =0,15 получаем t₁=0,35t₀, c₁=0,15, δ₁ =0,2-t₁=0,25t₀.

Таким образом, продолжительность первого этапа задубливания должна находиться в пределах (0,25-0,35)t₀. Это подтверждается экспериментами - на незадубленных или недостаточно обработанных слоях фоторезиста после обработки в жидком азоте наблюдаются трещины и отслоение фоторезиста; у образцов, продолжительность предварительного задубливания у которых превышает 0,35t₀, наблюдалось уменьшение показателя преломления по сравнению с значениями, полученными на стандартных образцах, что свидетельствует об уменьшении плотности материала фоторезистивной маски и его дефектности. Продолжительность обработки в жидком азоте выбиралась в пределах 5-10 мин, что является типичным для процессов низкотемпературной обработки и отмывки в жидких средах [4].

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Любым из известных способов на подложку наносится слой позитивного фоторезиста, производится его сушка, экспонирование УФ-излучением через фотошаблон, проявление по стандартному процессу для данного типа фоторезиста. Производится задубливание фоторезиста при соответствующей температуре в течение времени, определяемого из интервала t₁=(0,25-0,35)•t₀. Подложка устанавливается в кассету, погружается в термостат с жидким азотом, выдерживается в нем в течение 5-10 мин, затем извлекается и сушится под воздушной струей вентилятора. Далее производится повторное задубливание в течение времени t₂=t₀-t₁.

Пример практической реализации способа.

Образцы изготавливали на подложках из ситалла СТ - 50-1 с пленкой хрома толщиной 0,05-0,08 мкм. Позитивный фоторезист ФП383 толщиной 1,0-1,2 мкм наносился методом центрифугирования при скорости вращения 3000 об/мин. Сушка фоторезиста проводилась конвекционным способом в течение 15 мин при (90±5)^oС. После экспонирования рельеф фоторезистивной маски проявляли в 2%-нoм водном растворе натрия фосфорнокислого трехзамещенного. Задубливание фоторезистивной маски производили при (130±5)^oС при общей продолжительности процесса 30 мин. Часть образцов после частичного задубливания в течение t₁= 10-20 мин при условии t₁+t₂=30 мин. После задубливания производили измерение коэффициента преломления n слоя фоторезиста с помощью автоматизированного лазерного эллипсометра типа ЛЭФ-601 на длине волны 0,63 мкм; точность измерения Δn составляла ±0,001. По результатам измерения коэффициента преломления в пяти точках определялось значение дисперсии Dn. Результаты измерений приведены в таблице. По окончании измерений производилось на всех образцах оценка времени удалений фоторезистивной маски в ацетоне. Процесс удаления фоторезистивной маски не выявил особенностей, а время удаления составило 5-1,0 с.

Из данных таблицы следует, что у образцов с продолжительностью обработки в жидком азоте 5-10 мин и продолжительностью первого этапа задубливания не более 10 мин (0,35 t₀) наблюдается увеличение коэффициента преломления и снижения дисперсии по сравнению с результатами для образцов, выполненных по способу-прототипу. У образцов с продолжительностью обработки в жидком азоте 20 мин отличие в коэффициентах преломления по сравнению с результатами для образцов по способу-прототипу незначительно, хотя и наблюдается снижение дисперсии показателя преломления. Для образцов (поз.5) с продолжительностью первого этапа задубливания более 0,35t₀ наблюдается снижение коэффициента преломления, что свидетельствует об уменьшении плотности материала и, возможно, о частичном снижении адгезии.

Таким образом, из полученных результатов следует, что при продолжительности первого этапа задубливания не более 0,35t₀ и времени обработки в жидком азоте в пределах 5-10 мин наблюдается увеличение коэффициента преломления и снижение его дисперсии по поверхности образцов. Это свидетельствует о повышении однородности фоторезистивной маски и снижении дефектности; при этом заявляемый способ обработки не оказывает влияния на процесс удаления фоторезистивной маски.

Литература
1. Пресс Ф.П, Фотолитография в производстве полупроводниковых приборов - М.: Энергия, 1968 - с. 54.

2. Моро У. Микролитография; в 2-х ч. Пер. с англ. - М.: Мир, 1990 - с. 410, 7355-736.

3. Пат. США 4289573, 1981, IBM.

4. Полтавцев Ю.Г., Князев А.С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - Киев, Техника, 1990 - 206 с.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в литографических процессах при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных схем и печатных плат. Сущность изобретения: в способе формирования фоторезистивной маски, включающем нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазида, его сушку, экспонирование, проявление, обработку в неорганической жидкости и задубливание, в качестве неорганической жидкости используют жидкий азот, а задубливание осуществляют в два этапа, между которыми производят обработку в жидком азоте, причем продолжительность первого этапа задубливания составляет 0,25-0,35 общей продолжительности задубливания. Технический результат - повышение плотности материала фоторезистивной маски и, как следствие, повышение выхода годных. 1 табл.

Способ формирования фоторезистивной маски, включающий нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазида, его сушку, экспонирование, проявление, обработку в неорганической жидкости и задубливание, отличающийся тем, что в качестве неорганической жидкости используют жидкий азот, а задубливание осуществляют в два этапа, между которыми производят обработку в жидком азоте, причем продолжительность первого этапа задубливания составляет 0,25-0,35 общей продолжительности задубливания.