CC BY
56
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
DOI: 10.18698/0236-3933-2015-6-125-134
УДК 621.793 + 535.51
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ РЕЗИСТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИК-СПЕКТРАЛЬНОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ
М.О. Макеев, А.В. Зверев, И.А. Родионов
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Проведены исследование характеристик и оценка однородности нанесения ре-зиста Ultra-i 123-0.35 методом ИК-спектральной эллипсометрии. Определены оптические константырезиста Ultra-i 123-0.35 в ИК-диапазоне длин волн от 2 до 33мкм, а также зависимость толщины слоев резиста от скорости вращения центрифуги (от 2000 до 7000 об/мин). Неоднородность толщины резиста по поверхности всех образцов составила менее 2 %, что свидетельствует о высоком качестве процесса нанесения. Полученная зависимость толщины ре-зиста от скорости вращения центрифуги будет использоваться при выборе технологических режимов нанесения пленок резиста Ultra-i 123-0.35 в диапазоне толщин от 250 до 480 нм.
Ключевые слова: микроэлектронные устройства, литография, резист, центрифугирование, ИК-спектральная эллипсометрия, толщина слоя, оптические константы.
RESEARCH INTO CHARACTERISTICS AND METHODS OF RESIST COATING BY INFRARED SPECTRAL ELLIPSOMETRY
М.О. Makeev, А.У. Zverev, ГА. Rodionov
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
The paper considers both the research into characteristics and evaluation of Ultra-i 123-0.35 resist coating uniformity by using the method of infrared spectral ellipsometry. Optical constants for Ultra-i 123-0.35 resist within the infrared wavelength ranges of 2 to 33 m are determined. The authors find a ratio of the resist layer thickness to the centrifuge rotation rate (2000 to 7000 rpm, rotations per minute). The resist layer thickness nonuniformity is less than 2 % along the surfaces of all samples. This fact suggests the high performance of the coating process. The obtained ratio of the resist layer thickness to the centrifuge rotation rate will be used for choosing some technological modes of Ultra-i 123-0.35 resist coating within the thickness range of 250 to 480 nm.
Keywords: microelectronic devices, lithography, ultraviolet resist, centrifuge process, infrared spectral ellipsometry, layer thickness, optical constants.
Снижение стоимости производства изготовления микроэлектронных устройств позволило применять микроэлектронные изделия не только в военных целях, но и в товарах повседневного пользования.
Технология проекционной литографии дала возможность многократно увеличить производство микроэлектронных изделий за счет высокой производительности процесса. Литографические процессы применяются в различных областях промышленности таких, как изготовление цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем (в частности, программируемых пользователем вентильных матриц), дисплеев на основе органических свето-диодов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) и многих других.
За последние несколько десятилетий размеры элементов изделий микроэлектроники значительно уменьшились: от десятков и единиц микрон до наноразмерного уровня, что, в свою очередь, ставит перед производителями новые задачи как в области совершенствования литографического оборудования и процесса литографии, так и в области использования новых принципов при проектировании нового оборудования. Результатом решения таких задач стало повышение разрешения, равномерности, воспроизводимости, допусков на размеры, точности совмещения большого числа топологических слоев. Однако эти усовершенствования привели к тому, что литография в настоящее время является одним из основных и самых дорогостоящих технологических процессов в планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов, как по технологическим приемам, так и по применяемым инструментальным методам.
Качество проведения процесса литографии (размеры топологических структур, угол наклона стенок профиля структур, толщины, качество переноса проектных структур на подложку и т.д.), помимо инструментальных возможностей, в первую очередь, определяется типом и толщиной пленки резиста, также крайне важным параметром является однородность, или равномерность, ее нанесения. Высокая степень однородности пленки может быть достигнута методом центрифугирования, при этом толщина резиста будет зависеть от скорости вращения подложки (несколько тысяч оборотов в минуту).
В настоящей работе приведено описание отработки технологического процесса нанесения резиста Ultra-i 123-0.35, как наиболее чувствительного к излучению в диапазоне так называемой i-линии ртути (около 360 нм). Для контроля толщины, химического состава и однородности нанесения резиста в работе применялся метод ИК-спектральной эллипсометрии. Такой метод широко используется для определения толщин и оптических свойств тонких пленок [1-5], изменений химического состава в результате модификации [6-8], диффузионного размытия слоев наноразмерных гетероструктур в результате термического воздействия и т.п. [9-11].
Методика исследований. Образцами для исследований являлись заготовки для шаблонов компании Clean Surface Technology Co.
Рис. 1. Структура заготовки
Экспериментальные данные
Эллипсометрические параметры¥иА получены при измерении на эллипсометре
Эллипсометрическая модель
Включает в себя оптические константы слоев и структуры модели
Данные на базе модели
Ч* и А вычисляются на базе эллипсометрической модели
Корректировка
Сравнение данных на базе модели с экспериментальными данными и последовательное уточнение параметров модели
(Япония), на которые наносились пленки резиста Ultra-i 1230.35. Структура заготовки показана на рис. 1, размер квадратной заготовки 63,1 ±0,2 мм.
Нанесение резиста Ultra-i 123-0.35 проводилось на установке Cee 200CBX фирмы Brewer Science (США) при скоростях вращения центрифуги 2000... 7000 об/мин с шагом 1000 об/мин (всего 6 образцов). Сушка резиста проводилась на горячей плите с зазором при 90 o С в течение 90 с.
Эллипсометрические исследования выполнялись на ИК-спектральном эллипсометре IR-VASE компании Woolam (США) по следующему алгоритму (рис.2): измерение спектров эллипсометрических параметров Ф и А, создание эллипсометрической модели (определение оптических констант и толщин слоев), оптимизация параметров модели для получения наилучшего совпадения экспериментальных и модельных (на базе этой модели) данных, анализ и интерпретация полученных данных.
Измерения образцов проводились в четырех областях размером порядка 1 см (рис. 3). Параметры измерений: спектральный диапазон 300... 5000 см-1 (2... 33 мкм), спектральное разрешение 16 см-1, углы падения излучения на образец 50o и 70o. Выбор точек обусловлен вращательным движением подложки, в результате чего толщина изменяется симметрично от центра к краю подложки, что позволяет взять
Результаты
Толщины слоев, их оптические константы, шероховатость поверхности
Рис. 2. Алгоритм исследований
эллипсометрических
Исследуемый образец
/
/
3
4
Области измерения
Рис. 3. Эскиз измерения на ИК-спектральном эллипсометре
для измерения четыре точки: одну в центре и три равноудаленные от центра пластины.
Построение эллипсометрических моделей выполнялось в программной среде WVASE32 [12], с помощью которой проводят обработку измерений эллипсометра IR-VASE. Оптические константы (n и k) резиста Ultra-i 123-0.35 были построены на базе формулы Коши и осциллятора Лоренца.
Формула Коши применяется для непоглощающих или слабо поглощающих материалов [13], каковым и является резист Ultra-i 123-0.35 в ИК-диапазоне длин волн:
где А, В и С — некоторые неизвестные константы, подлежащие определению; а — амплитуда показателя затухания; в — показатель экспоненты; 7 — коэффициент, определяющий край поглощения.
Осциллятор Лоренца применяется для описания электронных, молекулярных и других колебаний в материале. Он определяется следующей формулой [14]:
где Ak — амплитуда k-го осциллятора (безразмерная величина); Ek — центральная энергия (см-1), а Вк — ширина осциллятора (см-1).
Результаты исследований. В результате измерений методом ИК-спектральной эллипсометрии были получены экспериментальные спектры эллипсометрических параметров Ф и А всех нанесенных образцов (всего 96 спектров: 6 образцов, 4 точки на образце, параметры Ф и А, углы падения 50о и 70о). Данные спектры Ф и А для центральной точки образца, полученного при скорости вращения центрифуги 5000 об/мин, приведены на рис. 4. После чего были построены
(1)
(2)
(3)
55 -
50 -
45 -
40 -
35 -0
160 140 120 100
80"-1-1-1-1-
0 1000 2000 3000 4000 v, см"1
б
Рис. 4. Спектры эллипсометрических параметров Ф (а) и А (б) образца, полученного при скорости вращения центрифуги 5000 об/мин:
1 — данные, вычисленные на базе модели, при угле падения 500; 2 — экспериментальные данные при угле падения 500; 3 — данные, вычисленные на базе модели, при угле падения 700; 4 — экспериментальные данные при угле падения 700
эллипсометрические модели исследуемых образцов, в которые были включены слои резиста Ultra-i 123-0.35, хрома (толщина задана производителем подложек) и подложки стекла.
Оптические константы (n и k) стекла, хрома Cr и оксида хрома CrO были введены на основе литературных данных [15, 16] и с учетом анализа проведенных измерений. Оптические константы резиста Ultra-i 123-0.35 были экстрагированы на базе формулы Коши и осциллятора Лоренца (рис.5). Получены параметры модели Коши: A = 1,55; B = 0,09 мкм2; C = 0,14 мкм4. Установлена центральная частота осциллятора Лоренца — 3384 см-1. Определенные параметры модели Коши могут применяться для моделирования оптических констант резиста Ultra-i 123-0.35 как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне длин волн.
Спектры эллипсометрических параметров, построенные на основе модели, показаны на рис. 4. Видно, что экспериментальные и модельные спектры совпадают со среднеквадратическим отклонением MSE менее 10.
Толщину слоев резиста Ultra-i 123-0.35 определяли по критерию наилучшего совпадения экспериментальных спектров Ф и А и спек-
а
Рис. 5. Оптические константы n и k резиста Ultra-i 123-0.35:
1 — показатель преломления (n); 2 — показатель поглощения (к)
тров на основе модели. Варьируемым параметром в эллипсометри-ческой модели была толщина слоя резиста. Исходя из этого, были определены толщины слоев Ultra-i 123-0.35 в измеренных областях (таблица).
Толщины слоев резиста
Скорость вращения центрифуги, об/мин Толщина слоя резиста, нм Среднее значение толщины, нм Стандартное отклонение s, нм Коэффициент вариации V, %
Область измерения
1 2 3 4
2000 484,0 481,7 481,2 481,7 482,2 1,26 0,26
3000 396,9 395,9 396,2 394,6 395,9 0,96 0,24
4000 350,5 347,0 343,7 344,4 346,4 3,08 0,89
5000 308,0 304,1 304,3 305,5 305,5 1,79 0,59
6000 278,9 274,8 275,5 277,4 276,7 1,86 0,67
7000 261,8 260,2 253,2 254,9 257,5 4,12 1,60
Обработка результатов эксперимента проводилась в соответствии со стандартом SEMI MF1618-1110 [17]. В результате были определены средние значения толщин, стандартные отклонения и коэффициенты вариации (см. таблицу).
Зависимость среднего значения толщины резиста от скорости вращения центрифуги, а также технологический разброс толщин по поверхности образца приведены на рис. 6.
Найденные значения хорошо согласуются с данными из работы [18]. Полученная зависимость толщины резиста от скорости вращения центрифуги будет использоваться при выборе технологических режимов нанесения пленок резиста Ultra-i 123-0.35 в диапазоне толщин 250.. .480нм.
Заключение. Выполнено исследование характеристик и дана оценка однородности нанесения резиста Ultra-i 123-0.35 методом центрифугирования с применением ИК-спектральной элли-псометрии. В результате экстрагированы оптические константы резиста Ultra-i 123-0.35 в ИК-диапазоне длин волн от 2 до 33 мкм, а также определена зависимость толщины слоев резиста от скорости вращения центрифуги (2000... 7000 об/мин).
Неоднородность толщины резиста по поверхности всех образцов составила менее 2 %, что свидетельствует о высоком качестве процесса нанесения.
Полученная зависимость толщины резиста от скорости вращения центрифуги будет использоваться при выборе технологических режимов нанесения пленок резиста Ultra-i 123-0.35 в диапазоне толщин 250... 480 нм. Данный выбор обычно обусловлен необходимостью поиска компромисса между разрешением (минимальным размером топологических элементов) и селективностью травления (отношение глубины травления функционального материала к травлению резиста) для различных применений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моро У. Микролитография. Принципы, методы, материалы. В 2-х т. / пер. с англ. М.: Мир, 1990. Ч. 1. 605 с.
2. Progress in Spectroscopic Ellipsometry: Applications from Vacuum Ultraviolet to Infrared / J. Hilfiker, C. Bungay, R. Synowicki, T. Tiwald, C. Herzinger, B. Johs,
G. Pribil, J.A. Woollam // J. Vac. Sci. Technol. A. 2003. Vol. 21, I. 4. P. 1103-1108.
3. Survey of Methods to Characterize Thin Absorbing Films with Spectroscopic Ellipsometry / J. Hilfiker, N. Singh, T. Tiwald, D. Convey, S.M. Smith, J.H. Baker,
H.G. Tompkins // Thin Solid Films. 2008. No. 516. P. 7979-7989.
4. Use of Molecular Vibrations to Analyze Very Thin Films with Infrared Ellipsometry / H.G. Tompkins, T. Tiwald, C. Bungay, A.E. Hooper // J. Phys. Chem. B. 2004. Vol. 108, I. 12. P. 3777-3780.
5. Макеев М.О., Жукова Е.А. Исследование алмазоподобных покрытий методами ИК-спектральной эллипсометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 7. С. 229-240. URL: http://technomag.edu.ru/doc/597996.html
6. Application of IR ellipsometry to determination of the film thickness of a polytetrafluoroethylene sample modified in direct-current discharge / M.O. Makeev, Yu.A. Ivanov, S.A. Meshkov, A.B. Gil'man and M.Yu. Yablokov // High Energy Chemistry. 2011. Vol. 45., No. 6. P. 536-538.
500
S 450
и
8 400
3
а к 350
s
В
§ 300
н
250
_i_i_i_i_i_i_
2000 3000 4000 5000 6000 v, см"1
Рис. 6. Зависимость толщины слоя резиста Ultra-i 123-0.35 от скорости вращения центрифуги
7. Исследование физико-химических свойств поверхности политетрафторэтилена методом ИК-спектроэллипсометрии / М.О. Макеев, Ю.А. Иванов, С.А. Мешков, А.Б. Гильман, М.Ю. Яблоков // Нанотехника. 2011. № 3. C. 27-32.
8. Исследование металлоорганических гетероструктур методами широкополосной ИК эллипсометрии-спектроскопии / М.О. Макеев, Ю.А. Иванов, Н.А. Ветрова, С.А. Козубняк // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. Спец. вып. "Наноинженерия". 2010. С. 80-91. URL: http://baumanpress.ru/vestnik/2/151.pdf
9. Исследование деградационных явлений в наноразмерных AlAs/GaAs гетеро-структурах методом ИК-спектроэллипсометрии // Наноинженерия. 2011. № 10. С. 44-48.
10. Макеев М.О., Иванов Ю.А., Мешков С.А. Исследования термической деградации резонансно-туннельных диодов на базе AlAs/GaAs наногетероструктур // Нано-и микросистемная техника. 2014. № 12. С. 23-29.
11. Исследования деградации резонансно-туннельных диодов на базе AlAs/GaAs наногетероструктур / М.О. Макеев, Ю.А. Иванов, С.А. Мешков, Ю.Н. Литвак, Н.А. Ветрова // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 6 (18). URL: http://engjournal.ru/catalog/nano/hidden/811.html
12. IR-VASE User's Manual / J.A. Woollam Co., Inc., 2006.
13. Handbook of ellipsometry / Ed. by H.G. Tompkins, E.A. Irene. William Andrew Publishing, Springer, 2005. 870 p.
14. Wooten F. Optical Properties of Solids. N.Y.: Academic Press, 1972.
15. PalikE.D. Handbook of optical constants of solids. Vol. 1. N.Y.: Academic Press, 1985. 785 р.
16. Weber M.J. Handbook of Optical Materials. CRC Press, 2002. 536 p.
17. SEMI MF1618-1110 — Practice for Determination of Uniformity of Thin Films on Silicon Wafers, 2004.
18. Родионов И.А. Разработка литографических процессов изготовления СБИС с размерами элементов меньше длины волны экспонирующего излучения. Дисс.... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
REFERENCES
[1] Moreau Wayne M. Semiconductor Lithography: Principles, Practices, and Materials. Springer; Softcover reprint of the original 1st ed., 1988.
[2] Hilfiker J., Bungay C., Synowicki R., Tiwald T., Herzinger C., Johs B., Pribil G., Woollam J.A. Progress in Spectroscopic Ellipsometry: Applications from Vacuum Ultraviolet to Infrared. J. Vac. Sci. Technol. A., 2003, vol. 21, iss. 4, pp. 1103-1108.
[3] Hilfiker J., Singh N., Tiwald T., Convey D., Smith S.M., Baker J.H., Tompkins H.G. Survey of Methods to Characterize Thin Absorbing Films with Spectroscopic Ellipsometry. Thin Solid Films, 2008, no. 516, pp. 7979-7989.
[4] Tompkins H.G., Tiwald T., Bungay C., Hooper A.E. Use of Molecular Vibrations to Analyze Very Thin Films with Infrared Ellipsometry. J. Phys. Chem. B., 2004, vol. 108, iss. 12, pp. 3777-3780.
[5] Makeev M.O., Zhukova E.A. Study of diamond-like coatings by IR-spectral ellipsometry and Raman spectroscopy. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU. Electronic Journal], 2013, no. 7, pp. 229-240. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/597996.html
[6] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Gil'man A.B., Yablokov M.Yu. Application of IR ellipsometry to determination of the film thickness of a polytetrafluoroethylene sample modified in direct-current discharge. High Energy Chemistry, 2011, vol. 45, no. 6, pp. 536-538.
[7] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Gil'man A.B., Yablokov M.Yu. The investigation of physico-chemical properties of ptfe surface by ir spectral ellipsometry. Nanotekhnika [Nanotechnics], 2011, no. 3, pp. 27-32 (in Russ.).
[8] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Vetrova N.A., Kozubnyak S.A. Infrared Spectroscopic Ellipsometry Investigation in Organometallic Heterostructures. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Priborostr., Spetsvyp "Nanoinzheneriya" [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Instrum. Eng., Spec. Issue Nano Ingineering], 2010, pp. 80-91 (in Russ.). Available at: http://baumanpress.ru/vestnik72/151.pdf
[9] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Meshkov S.A. The investigation of degradation phenomena of nanoscale AlAs/GaAs heterostructures by IR-spectral ellipsometry. Nanoinzheneriya [Nano Ingineering], 2011, no. 10, pp. 44-48 (in Russ.).
[10] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Sinyakin V.Yu. Journal of Nano and Microsystem Technique, 2014, no. 12, pp. 23-29.
[11] Makeev M.O., Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Litvak Yu.N., Vetrova N.A. Investigation of degradation of resonant tunneling diodes based on nanoscale AlAs/GaAs heterostructures. Jelektr. nauchno-tekh. izd. "Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovacii" [El. Sc.-Tech. Publ. "Eng. J.: Science and Innovation", 2013, no. 6 (18). Available at: http://engjournal.ru/catalog/nano/hidden/811.html
[12] IR-VASE User's Manual. J.A. Woollam Co., Inc., 2006.
[13] Tompkins H.G., Irene E.A., eds. Handbook of ellipsometry. William Andrew Publishing, Springer, 2005. 870 p.
[14] Wooten F. Optical Properties of Solids. N.Y., Academic Press, 1972.
[15] Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Vol. 1. N.Y., Academic Press, 1985. 785 р.
[16] Weber M.J. Handbook of Optical Materials. CRC Press, 2002. 536 p.
[17] SEMI MF1618-1110 — Practice for Determination of Uniformity of Thin Films on Silicon Wafers, 2004.
[18] Rodionov I.A. Razrabotka litograficheskikh protsessov izgotovleniya SBIS s razmerami elementov men'she dliny volny eksponiruyushchego izlucheniya. Diss. kand. tekhn. nauk [The development of lithographic manufacturing processes for VLSI circuits with element dimensions smaller than the exposing radiation wavelength. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, MGTU im.N.E. Baumana, 2010.
Статья поступила в редакцию 23.09.2015 Макеев Мстислав Олегович — канд. техн. наук, инженер 1-й категории МГТУ им. Н.Э. Баумана.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
Makeev M.O. — Ph.D.(Eng.), engineer, Bauman Moscow State Technical University. Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
Родионов Илья Анатольевич — канд. техн. наук, доцент, директор НОЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
Rodionov I.A. — Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Director of Scientific and Educational Center, Bauman Moscow State Technical University.
Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
Зверев Александр Вячеславович — инженер 2-й категории МГТУ им. Н.Э. Баумана. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
Zverev A.V. — engineer, Bauman Moscow State Technical University.
Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005
Russian Federation.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Макеев М.О., Зверев А.В., Родионов И.А. Исследование характеристик и методов нанесения резиста с применением ИК-спектральной эллипсометрии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2015. № 6. C. 125-134.
Please cite this article in English as:
Makeev М.О., Zverev A.V., Rodionov I.A. Research into characteristics and methods of resist coating by infrared spectral ellipsometry. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Priborostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Instrum. Eng.], 2015, no. 6, pp. 125-134.
