Способ изготовления микросхем Российский патент 2025 года по МПК H01L21/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к технологии изготовления микросхем.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен способ изготовления микросхем методом фотолитографии (https://mipt.ru > medialibrary Литография в микроэлектронике, А.Н. Росоленко).

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что вначале на обрабатываемую поверхность наносится тонкая фоточувствительная полимерная плёнка (фоторезист). Затем эта плёнка засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление и другие. После проведения одного из этих процессов оставшийся, не удалённый при проявлении фоторезист также удаляется. Наименьшие размеры деталей рисунка, достижимые в фотолитографии (разрешение), определяются длиной волны используемого излучения, качеством применяемой при экспонировании оптики, свойствами фоторезиста. Для повышения разрешения осуществлён переход на технологию экстремальной ультрафиолетовой литографии или EUV литография. В ней используется источник, который излучает свет длиной волны 13,5 нм. К существенным недостаткам EUV относятся сложные методы оптической коррекции. В результате фотошаблон становится дорогим и сложным. Стоимость литографа достигает 30% от всех производимых расходов. Стоимость установки 150 млн долларов, масса 180 т, потребление электроэнергии 1 МВт, потребление 1,5 тонны воды в минуту для охлаждения. При этом производительность установки составляет 100 пластин в час диаметром 300 мм.

Известен по решаемой технической задаче - упрощение технологии изготовления микросхем способ наноимпринтной литографии (https://ostec-group.ru Наноимпринтная литография. Материалы и технологии).

Наноимпринтная литография (НИЛ) - перенос изображения микросхемы на подложку с покрытием прямым воздействием пресс-формы (штампа) с последующим травлением деформированного покрытия и формированием на подложке элементов микросхемы.

Существует два основных метода НИЛ - термический и ультрафиолетовый. В термическом методе штамп вдавливается в полимер, нагретый выше температуры стеклования, затем происходит охлаждение и извлечение штампа. В ультрафиолетовом методе штамп из прозрачного материала погружается в жидкий полимер, который отверждается под действием ультрафиолета, после чего происходит извлечение штампа. Штамп изготавливается из металла, кварца. Изготавливают штамп методом электронной литографии. На поверхность штампа в масштабе 1:1 наносится рельефный рисунок (глубиной до нескольких миллиметров) элементов микросхемы. Перед проведением процесса НИЛ штамп покрывается антиадгезионным покрытием. Преимуществами способа-прототипа являются отсутствие сложных и дорогостоящих оптических или электронно-лучевых систем. С помощью прямого воздействия можно создавать элементы шириной в единицы нанометров. Кроме того, НИЛ позволяет формировать отпечатки по всей поверхности пластины, что повышает производительность процесса.

К недостаткам способа относятся сложности совмещения штампа с уже существующей топологией на пластине, необходимость частой очистки штампа и нанесения антиадгезионного слоя, повышенные требования к качеству штампа. Наиболее близким к заявленному способу является наномагнитная литография (RU 2809344, 2023, Битуев А.Г.). В способе наномагнитной литографии при переносе изображения микросхемы на подложку, на пластину фоторезиста, отдельно от подложки, наносят слой адгезивного материала, пластину фоторезиста устанавливают таким образом, что с одной стороны расположена камера для магнитных наночастиц с впускным и выпускным устройствами, а с другой стороны - индуктор с выполненным на его поверхности рельефным рисунком элементов микросхемы и соединённый с полюсом сердечника электромагнита, открывают впускное устройство, камеру заполняют магнитными наночастицами, поступающими из установки по синтезу магнитных наночастиц, впускное устройство закрывают, открывают выпускное устройство, по обмотке электромагнита пропускают постоянный электрический ток, под действием рабочего магнитного потока индуктора магнитные наночастицы приходят в ускоренное движение в направлении выступов индуктора и оседают слоем на поверхности пластины фоторезиста, формируя нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы, выпускное устройство закрывают, пластину фоторезиста соединяют с подложкой, проявляют, производят травление, удаляют фоторезист, формируют на подложке элементы электронной схемы. К недостаткам способа прототипа относятся сложность калибровки частиц заданного размера и формы, возможность слипания наночастиц в технологическом процессе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления микросхем.

Поставленная задача решена благодаря тому, что в способе изготовления микросхем, включающем перенос изображения электронной схемы на подложку с покрытием с последующим травлением покрытия и формированием на подложке элементов электронной схемы, заключающемся в том, что при переносе изображения микросхемы на подложку, на пластину фоторезиста отдельно от подложки наносят слой ферромагнитной жидкости, пластину фоторезиста устанавливают в технологической установке таким образом, что над пластиной фоторезиста расположен источник теплового излучения, а под пластиной фоторезиста - индуктор с выполненным на его поверхности рельефным рисунком элементов микросхемы, соединённый с полюсом сердечника электромагнита, по обмотке электромагнита пропускают постоянный электрический ток, под действием рабочего магнитного потока индуктора ферромагнитные наночастицы приходят в движение в направлении выступов индуктора, формируя на поверхности пластины фоторезиста нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы, вводят химические соединения, вызывающие распад поверхностно-активного вещества, в результате которого ферромагнитные наночастицы слипаются, промывают, нагревают тепловым излучением таким образом, что ферромагнитные наночастицы вплаявляются в поверхность пластины фоторезиста, пластину фоторезиста соединяют с окисленной поверхностью подложки, проявляют, производят травление открытых участков, в результате которого обнажается поверхность подложки, образуя рельефную схему расположения изолирующих переходов, удаляют закрытый слоем ферромагнитных наночастиц фоторезист, в результате чего образуются окна на подложке, формируют на изолированных друг от друга участках подложки активные, пассивные элементы электронной схемы и токопроводящие плёнки.

Как будет понятно специалисту, преимущества предлагаемого способа по сравнению с выбранным прототипом достигаются тем, что нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы формируют ферромагнитные наночастицы ферромагнитной жидкости, связанные с поверхностно-активными веществами, образующими защитную оболочку вокруг наночастиц и препятствующими их слипанию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлен общий вид технологической установки по формированию на фоторезисте нерастворимых участков рисунка элементов микросхемы.

На Фиг. 2 представлен вид индуктора в аксонометрической проекции: а - вид индуктора в начале технологического процесса;

б - вид индуктора в одном из последующих этапов технологического процесса.

На Фиг. 3 представлен схематичный чертёж процесса формирования нерастворимых участков рисунка элементов микросхемы ферромагнитными наночастицами на поверхности фоторезиста при включении электромагнита;

На Фиг. 4 представлен схематичный чертёж закрепления ферромагнитных наночастиц на фоторезисте при нагреве тепловым излучением;

На Фиг. 5 представлена схема технологического процесса переноса изображения микросхемы на подложку:

а - соединение пластины фоторезиста с подложкой;

б - проявление;

в - травление;

г - удаление фоторезиста.

Позициями 1-10 обозначены:

1 - пластина фоторезиста;

2 - ферромагнитная жидкость;

3 - индуктор;

4 - электромагнит;

5 - источник теплового излучения;

6 - наночастицы;

7 - рабочий магнитный поток;

8 - тепловое излучение;

9 - оксидный слой;

10 - подложка.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технологический процесс изготовления микросхем предлагаемым способом включает в себя два этапа. На первом этапе производится формирование нерастворимых участков рисунка элементов микросхемы на фоторезисте. На втором этапе производится перенос изображения на подложку после соединения с фоторезистом.

Для формирования на поверхности пластины фоторезиста нерастворимых участков рисунка элементов микросхемы применяется ферромагнитная жидкость. Ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных частиц нанометрового размера (5-10 нм), находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом, образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующего их слипанию.

Технологическая установка по формированию на фоторезисте нерастворимых участков рисунка элементов микросхемы состоит из индуктора 3, соединённого с сердечником электромагнита 4, источника теплового излучения 5. На индуктор 3 устанавливается пластина фоторезиста 1, на поверхность которой нанесён тонкий слой ферромагнитной жидкости 2. Над ферромагнитной жидкостью 2 расположен источник теплового излучения 5 (Фиг.1).

Для формирования на пластине фоторезиста 1 нерастворимых и растворимых участков применяется индуктор 3. Индуктор изготавливается из материала с большой магнитной проницаемостью (Fe, Ni, Со, сплавы). На поверхности индуктора методом электронной литографии в масштабе 1:1 выполняется рельефный рисунок элементов электронной схемы. Рельефный рисунок представляет собой выступы различной формы и размеров разделённые углублениями (Фиг. 2а). При переносе изображения других групп элементов схемы на подложку, на следующем этапе технологического процесса, применяется индуктор с соответствующим рельефным рисунком (Фиг. 2б). Индуктор соединён с полюсом электромагнита 4.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На пластину фоторезиста 1 наносят слой ферромагнитной жидкости 2. Пластину фоторезиста устанавливают на индуктор 3, по обмотке электромагнита 4 пропускают постоянный электрический ток. Под действием рабочего магнитного потока 7 индуктора наночастицы 6 приходят в движение в направлении выступов индуктора 3. Наночастицы, группируясь над выступами индуктора 3, формируют нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы (Фиг. 3). В ферромагнитную жидкость вводят раствор химических соединений, вызывающих распад поверхностно-активного вещества, в результате чего наночастицы слипаются между собой. Производится промывка от несущей жидкости, продуктов распада поверхностно-активного вещества. Тепловое излучение 8 (инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, лазерное) от источника 5 направляется на поверхность фоторезиста (Фиг. 4) При поглощении поверхностью фоторезиста с наночастицами теплового излучения происходит его нагрев. Так как теплопроводность наночастиц, содержащих железо, больше теплопроводности фоторезиста, то слой наночастиц нагревается до более высокой температуры. При соответствующей мощности источника излучения и времени экспонирования происходит вплавление нижнего слоя наночастиц в поверхность фоторезиста. Таким образом на поверхности фоторезиста формируются в соответствии с электронной схемой участки, закрытые слоем наночастиц, и открытые участки. Для реализации предлагаемого способа достаточно наличие только плотного первого слоя ферромагнитных наночастиц на поверхности фоторезиста. Электромагнит отключают от источника электрического тока.

Пластину фоторезиста соединяют с окисленной поверхностью 9 подложки 10 (Фиг. 5а). Затем подложку с рисунком проявляют (Фиг. 5б). Те участки, которые закрыты слоем наночастиц 6, не растворяются в кислоте, а участки, которые остались открытыми, растворяются. Растворённые участки обнажают поверхность оксида кремния. Полученную подложку с нанесённой на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищённых участков оксида кремния (Фиг. 5в) закрытый слоем наночастиц слой фоторезиста удаляют химическим и физическим способами (Фиг. 5г). Таким образом на подложке получают «окна». Через обнажённые участки подложки методом диффузии вводят примеси. На полученных изолированных друг от друга участках подложки различными методами (вторичная диффузия, травление, наращивание и т.д.) получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие плёнки.

Преимуществами предлагаемого способа изготовления микросхем являются низкая стоимость оборудования. В технологии изготовления микросхем применяются освоенные в производстве методы получения ферромагнитной жидкости, метод электронной литографии, используемые фоторезисты и химические реагенты. То, что наночастицы ферромагнитной жидкости связаны с поверхностно-активными веществами, образующими защитную оболочку вокруг наночастиц, и препятствуют их слипанию, значительно упрощает технологический процесс, повышает его эффективность. Кроме того, это позволяет уменьшить размеры наночастиц, упростить их калибровку по размеру, что даёт возможность достижения низких топологических норм.

Бесконтактный метод переноса изображения определяет долговечность использования индукторов, упрощает совмещение рельефного рисунка другого индуктора с уже существующей топологией на пластине.

Использование: для изготовления микросхем. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления микросхем включает перенос изображения электронной схемы на подложку с покрытием с последующим травлением покрытия и формированием на подложке элементов электронной схемы, при этом при переносе изображения микросхемы на подложку на пластину фоторезиста отдельно от подложки наносят слой ферромагнитной жидкости, пластину фоторезиста устанавливают в технологической установке таким образом, что над пластиной фоторезиста расположен источник теплового излучения, а под пластиной фоторезиста - индуктор с выполненным на его поверхности рельефным рисунком элементов микросхемы, соединенный с полюсом сердечника электромагнита, по обмотке электромагнита пропускают постоянный электрический ток, под действием рабочего магнитного потока индуктора ферромагнитные наночастицы приходят в движение в направлении выступов индуктора, формируя на поверхности пластины фоторезиста нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы, вводят химические соединения, вызывающие распад поверхностно-активного вещества, в результате которого ферромагнитные наночастицы слипаются, промывают, нагревают тепловым излучением таким образом, что ферромагнитные наночастицы вплавляются в поверхность пластины фоторезиста, пластину фоторезиста соединяют с окисленной поверхностью подложки, проявляют, производят травление открытых участков, в результате которого обнажается поверхность подложки, образуя рельефную схему расположения изолирующих переходов, удаляют закрытый слоем ферромагнитных наночастиц фоторезист, в результате чего образуются окна на подложке, формируют на изолированных друг от друга участках подложки активные, пассивные элементы электронной схемы и токопроводящие пленки. Технический результат - обеспечение возможности упрощения технологии изготовления микросхем. 5 ил.

Способ изготовления микросхем, включающий перенос изображения электронной схемы на подложку с покрытием с последующим травлением покрытия и формированием на подложке элементов электронной схемы, заключающийся в том, что при переносе изображения микросхемы на подложку на пластину фоторезиста отдельно от подложки наносят слой ферромагнитной жидкости, пластину фоторезиста устанавливают в технологической установке таким образом, что над пластиной фоторезиста расположен источник теплового излучения, а под пластиной фоторезиста - индуктор с выполненным на его поверхности рельефным рисунком элементов микросхемы, соединенный с полюсом сердечника электромагнита, по обмотке электромагнита пропускают постоянный электрический ток, под действием рабочего магнитного потока индуктора ферромагнитные наночастицы приходят в движение в направлении выступов индуктора, формируя на поверхности пластины фоторезиста нерастворимые участки рисунка элементов микросхемы, вводят химические соединения, вызывающие распад поверхностно-активного вещества, в результате которого ферромагнитные наночастицы слипаются, промывают, нагревают тепловым излучением таким образом, что ферромагнитные наночастицы вплавляются в поверхность пластины фоторезиста, пластину фоторезиста соединяют с окисленной поверхностью подложки, проявляют, производят травление открытых участков, в результате которого обнажается поверхность подложки, образуя рельефную схему расположения изолирующих переходов, удаляют закрытый слоем ферромагнитных наночастиц фоторезист, в результате чего образуются окна на подложке, формируют на изолированных друг от друга участках подложки активные, пассивные элементы электронной схемы и токопроводящие пленки.