Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С. П. Королёва в качестве методических указаний самара издательство сгау 2013
Скачать 136.4 Kb.
|
| Министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК МЕТОДОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ Рекомендовано редакционно-издательской комиссией по радиотехнике, наноэлектронике и лазерным системам Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королёва в качестве методических указаний С А М А Р А Издательство СГАУ 2013 УДК 621.382.83 Составители: А.И. Меркулов, В.Д. Дмитриев, М.П. Калаев Рецензент: доцент, к.т.н., Лофицкий И.В. ^ : Метод, указания к лаб. работе / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост. А.И. Меркулов, В.Д. Дмитриев, М.П. Калаев – Самара: СГАУ, 2013. -20 с. Рекомендуются студентам специальности 210201. 65 и 211000.62 при изучении дисциплины «Технология микросборок». © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2013 Цель работы: изучение и практическое освоение основных операций фотолитографического процесса, получения рисунка пассивных элементов гибридных интегральных микросхем (ГИМС) и микросборок (МСБ). Задания:
^ 1.1 Сущность процесса фотолитографии Фотолитография - совокупность фотохимических процессов, применяющихся для получения необходимых размеров и конфигурации элементов интегральных микросхем и других электронных микроузлов. Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем. На поверхность материала наносят слой особого свето-чувствительного состава - фоторезиста. Фоторезисты (ФР) -светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей) вещества, предназначенные для создания защитного рельефа требуемой конфигурации от последующего воздействия химических, физических, электрохимических и прочих агрессивных сред. Защитный рельеф образуется в результате того, что под действием света, падающего на определенные участки фоторезистного слоя, последние изменяют свои физико-химические свойства. В зависимости от механизма протекающих в фоторезисте реакций, особенностей, и изменения его свойств, фоторезисты делят на негативные и позитивные. При облучении негативного фоторезиста через фотошаблон (позитив) в нем протекают процессы, приводящие к потере растворимости, в результате чего после обработки в соответствующих растворителях (проявителях) удаляются только необлученные участки, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона, и на подложке образуется защитный рельеф, повторяющий негативное изображение фотошаблона. ^ под действием света протекают фотохимические реакции, приводящие, наоборот, к усилению растворимости в соответствующих проявителях, в результате чего удаляются (вымываются) только облученные участки фоторезиста и защитный рельеф повторяет позитивное изображение фотошаблона. К основным достоинствам фотолитографического процесса следует отнести: возможность получения пленочных и объемных компонентов ИМС весьма малых размеров (до долей микрона) практически любой конфигурации; универсальность метода (изготовление трафаретов для напыления пленок и сеткографии, селективное травление пленочных слоев, вытравливание "окон" в оксидных пленках для локальной диффузии, эпитаксии и имплантации, глубинное травление в полупроводниковых и диэлектрических подложках и т.д.); возможность применения групповой технологии (за одну операцию и на одном виде оборудования можно получить сотни и тысячи элементов ИМС и других приборов). Для осуществления фотохимических процессов в фоторезистных материалах применяют обычно ультрафиолетовое (УФ) излучение. Поскольку в естественном свете содержание УФ лучей сравнительно невелико, то для более интенсивного протекания фотохимических процессов применяют искусственные источники УФ излучения. Поглощение УФ излучения органическими молекулами протекает селективно, т.е. для различных веществ поглощение наблюдается на вполне определенной длине волны УФ диапазона. Процессы, протекающие при экспонировании вещества, разделяют на три группы: 1 - фотополимеризация и образование нерастворимых участков; наиболее типичными для системы, в которой используется этот процесс, являются негативные фоторезисты - эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта;
В точной фотолитографии предпочитают использовать позитивные ФР в связи с отсутствием ореолов по границам защитного рельефа. Позитивные ФР проявляют в растворах с основными свойствами (в качестве проявителя часто используется водный раствор тринатрий-фосфата). Помимо разрушенных молекул НХД проявитель должен растворять и полимер, поэтому с целью снижения числа  Рисунок 1 - Характеристическая кривая и погрешность в воспроизведении размеров элементов после проявления: 1 - зависимость скорости проявления от экспозиции; 2 - зависимость погрешности от экспозиции Vпр=hc/tпр , где tпр-время полного растворения слоя толщиной hc, получившего дозу излучения  ; Е - плотность светового потока, Вт/м2;  - время экспозиции, с.дефектов на незасвеченных участках желательно время воздействия проявителя на слой фоторезиста сокращать до минимума. Для этого необходимо работать на нижнем пределе экспонирования, который определяется условием достижения максимальной скорости проявления экспонированных участков по экспериментальным кривым (рисунок 1). ^ Типовой технологический процесс фотолитографии в общем виде представлен схемой (рисунок 2). Нанесение фоторезиста на подложку осуществляют: 1. Центрифугой при частоте вращения до 10 тыс. об/мин. Метод обеспечивает получение тонких, равномерных покрытий толщиной до 1 микрометра с отклонением до 5%. В промышленности выпускается агрегат для нанесения и сушки фоторезиста типа Э12 К631 .  Рисунок 2 - Схема фотолитографического процесса 2. Распылением фоторезиста в обеспыленной среде под давлением. Размер частиц, поступающих на подложку, не превышает 1,5-2 мкм. Метод обеспечивает нанесение слоя в интервале от 0,3 до 10 мкм с допуском ±5%. 3. Погружением подложки в ванну с фоторезистом. Однако толщина плёнки на подложке неравномерна и имеет форму "клина" за счёт стекания фоторезиста в сторону, противоположную вытягиванию подложки из ванны. Для удаления остатков растворителя из плёнки фоторезиста проводят сушку, при которой адгезия между подложкой и фото-резистом увеличивается. Формируется конфигурация в плёнке фоторезиста экспонированием, при котором изображение с фото-шаблона переносится на поверхность подложки, покрытой слоем фоторезиста. Фоторезист проявляют, погружая в раствор или выдерживая в парах проявителя. Время проявления определяется толщиной фоторезиста и регулируется таким образом, чтобы по всей площади подложки полностью был удален проэкспонированный растворимый фоторезист. Контроль геометрических размеров элементов после проявления производят путем измерения линейных размеров на оптических микроскопах типа УИМ-21, УИМ-23 и проверяют на соответствие размерам, заложенным в топологии. После проявления проводят процесс дубления фоторезиста -термическую обработку с целью удаления проявляющего раствора и улучшения адгезии. Время выдержки и контроль температуры строго контролируют для исключения искажения изображения в результате пластической деформации. Затем проводят травление незащищенных слоем фоторезиста участков материала пленки. Травление обеспечивает создание требуемой конфигурации в тонком слое материала, на который нанесен фоторезист. Затем фоторезист снимают в смеси органических растворителей, не разрушающих нанесенные слои тонкопленочных элементов. Травление в фотолитографическом процессе является одной из ответственных операций, так как геометрические размеры пленочных резисторов должны выдерживаться с высокой точностью, что, в конечном счете, определяет точность их номинала. Метод травления и травильный раствор должны обеспечивать равномерность травления, целостность защитной фоторезистной пленки и отсутствие нерастворимых продуктов реакции при оптимальной скорости травления. Кроме того, отношение скорости бокового травления к скорости травления в глубину должно быть минимальным. Адгезия фоторезиста к пленкам во время травления не должна ухудшаться, чтобы не было отслоений. Образование пузырей нежелательно, так как их адсорбция на краях фоторезиста приводит к неравномерному процессу травления. Нарушение фоторезистной пленки, отслаивание указывает на непригодность совместного использования травителя и фоторезиста. Следует также избегать длительного воздействия травителя на фоторезист. Для создания конфигурации пленочных элементов в процессе фотолитографии используют селективное травление многослойных структур, осажденных в едином технологическом цикле вакуумного напыления. На подложку последовательно напыляют резистивную, затем проводящую пленку и, при необходимости, слой для контакт-ных площадок. Затем по многослойной структуре проводят фотолитографию по каждому или группе слоев, получая таким образом конфигурацию тонкопленочных резисторов и проводников (см. Приложение). ^ Качество фотолитографического процесса оценивается тремя параметрами: 1. Точностью передачи размеров, которую оценивают по абсолютным или относительным отклонениям размера элемента от номинального значения  где - l полученный размер; l0 - номинальный размер. 2. Точностью совмещения, которая количественно определяется разностью  , где и  - заданный и воспроизведенныйзазор между элементами специально помещенной на ГИМС отметки совмещения (элементы отметки выполняются в разных слоях ГИМС). Точность совмещения в основном зависит от использующихся установок для совмещения, геометрии меток совмещения и квалификации работников. 3. Плотностью опасных дефектов -  , 1/см2.Чаще всего это дефекты фотошаблона или попадания пыли между слоем ФР и фотошаблоном. Дефекты могут быть также следствием посторонних включений и механических напряжений в слое ФР, физико-химических несовершенств ФР (включения нерастворимых полимеров, остатки продуктов, использующихся при синтезе ФР, участки ФР с разложившимися молекулами светочувствительных составляющих и др.). Очевидно, что с увеличением толщины слоя ФР вероятность превращения потенциального дефекта (в связи с его малыми размерами) в реальный уменьшается. Однако с ростом толщины  (см. рисунок 3) ухудшается точность передачи размера и разрешающая способность; приближенно считается, что величина должна быть меньше 0,2 -0,3 Точность передачи размеров рисунка складывается из точности получения ФР маски и точности, получаемой в процессе травления (рисунок 3). Воспроизведение размеров защитного слоя зависит от многих факторов: типа ФР, толщины его слоя, времени экспозиции, условий проявления; основным из них является правильный выбор экспозиции   Рисунок 3 - Определение точности передачи рисунка: 1 - при правильно выбранном времени травления, где  - размер на фотошаблоне, - размер на слое фоторезиста; 2 - при большом времени травленияПри недостаточной экспозиции время проявления будет большим (может быть даже не полное удаление слоя ФР). При больших экспозициях за счет боковой засветки размер окна в слое ФР (см. рисунок 3) будет значительно превышать размер на фотошаблоне Процесс травления при неправильно выбранных режимах (концентрация раствора, температура, время травления) может внести значительный вклад в отклонение размеров элементов. Действие химических травителей является ненаправленным, поэтому наряду с травлением толщины рабочей пленки происходит боковое растравливание под защитным слоем ФР. Количественно боковое (краевое) растравливание оценивается величиной х, которую называют шириной клина расслаивания, или коэффициентом травления К=х /hM (где hM - толщина рабочей пленки). Примечание: Следует отметить, что, несмотря на заслуженное внимание, уделенное методу фотолитографии в данной работе, существует ряд технологических процессов получения еще более точного рисунка на поверхности пленок, полупроводников и т.д. Это процессы электроне-литографии, рентгенолитографии, ионного травления и другие. Они будут рассмотрены в лекционном курсе. ^ Лабораторное оборудование состоит из:
^ 1. Изготовить пассивные элементы пленочной микросхемы методом фотолитографии согласно технологическому процессу, приведенному в Приложении. Произвести процесс фотолитографии для четырех различных значений экспозиции. 2. Исследовать точность передачи размеров пассивных элементов пленочной схемы на слое фоторезиста (после проявления и термообработки) и на пленке меди (после травления) в зависимости от времени экспонирования. Рассчитать абсолютные и относительные отклонения размеров элементов. Примечание. Произвести измерения с помощью микроскопа размеров элементов в нескольких местах (с определенным шагом) на фотошаблоне, фоторезистном слое и пленочном элементе. 3. Оформить отчет. ^
Контрольные вопросы
       Список использованных источников
Учебное издание ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК МЕТОДОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ Методические указания Составители: Меркулов Анатолий Игнатьевич Дмитриев Василий Дмитриевич Калаев Михаил Павлович |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Конкурс способствует популяризации молодежного музыкального творчества и формированию молодежного музыкального сообщества университета... | | Кабытов П. С. Председатель Оргкомитета, доктор исторических наук, советник ректора Самарского государственного университета |
| Кабытов П. С. Председатель Оргкомитета, доктор исторических наук, советник ректора Самарского государственного университета | | Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей |
| С. П. Королева (национальный исследовательский университет) (далее сгау) в лице ректора профессора Е. В. Шахматова, с одной стороны,... | | Допущено редакционно-издательским советом спбгиэу в качестве методических указаний |
| Утверждено издательско-библиотечным советом академии в качестве методических указаний для студентов | | Рекомендовано в качестве организационно-методических указаний кафедрой технической электроники |
| Рецензенты: кафедра высшей математики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения | | Печатается по решению Редакционно-издательского совета Самарского государственного университета |