CC BY
78
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ И ТРАВЛЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ДОЭ
А.В. Волков, Н.Л. Казанский, О.Ю. Моисеев Институт систем обработки изображений РАН
При изготовлении микрорельефа дифракционных оптических элементов (ДОЭ) широко применяются методы микроэлектронной технологии, позволяющие получать ступенчатый рельеф, аппроксимирующий требуемую форму поверхности оптического элемента. В работах [1, 2] был предложен относительно простой и малотрудоемкий метод изготовления микрорельефов послойным наращиванием фоторезиста, исключающий процесс травления подложки. Суть его заключалась в том, что ступенчатый рельеф дифракционного оптического элемента формируется путем многократного нанесения фото-резистивных слоев, слой на слой, прошедших этапы засветки через соответствующие фотошаблоны и все процессы обработки, включая глубокое задубли-вание. Исключение из общего процесса этапов травления подложки позволяет значительно улучшить точность воспроизведения размеров зон ДОЭ. Однако при изготовлении широкоапертурных дифракционных структур с необходимыми параметрами микрорельефа сохраняются проблемы обеспечения:
- заданной толщины, наносимого слоя;
- равномерности распределения его по подложке;
- высокой точности совмещения при изготовлении многоуровневых структур;
- стабильности технологических режимов фотолитографии.
Основополагающей операцией в данном методе является нанесение фоторезистивных слоев. От точности воспроизведения толщин каждого слоя и равномерности распределения его по подложке зависит, в конечном счете, качество работы ДОЭ. В случае, когда наносятся большое количество слоев, для обеспечения совмещения, особенно при автоматизации процесса, при формировании субмикронного изображения оптическим степпером требуется, чтобы неравномерность толщины резиста не превышала ±10 нм [3].
Толщина слоя, получаемая в результате длительного центрифугирования, соизмерима с толщиной пограничного слоя, вычисляется из выражения:
Б = 2,79 VV /ю ; где: ю - угловая скорость вращения центрифуги, V - кинематическая вязкость фоторезиста,
Необходимо так же для получения воспроизводимых результатов необходимо жестко стабилизировать время от момента нанесения капель фоторезиста до начала центрифугирования (около 3 сек) и время разгона центрифуги до полной скорости (40 -50 мсек.) [4]. Эти режимы были обеспечены благодаря изготовлению центрифуги с массивным маховиком, к которому в нужный момент подсоединялся
подложкодержатель посредством электромагнитной фрикционной муфты.
В качестве исходного основания для формирования микрорельефа ДОЭ, была использована ситал-ловая подложка СТ-50-1, как материал относительно дешевый и широко используемый в микроэлектронике.
Сравнение качества поверхностей исходной подложки (рис.1) и с нанесенным слоем фоторезиста (рис. 2), изображения фрагментов которых были получены с помощью сканирующего зондового микроскопа, показало, что качество поверхности подложки с фоторезистом значительно лучше исходной подложки. Шероховатость (чистота) фоторе-зистивного слоя составляет ±7нм, (у исходной подложки ±12нм), и отражательные ДОЭ оказываются работоспособными в ИК и видимом диапазонах.
SCALE К:100О пИ ¥=1000 пИ Z:10 пИ
Рис.1. Фрагмент поверхности ситалловой подложки СТ-50-1.
SCALE X : 1000 Tin V: 1000 пП Z : 10 ntl
Рис. 2. Фрагмент поверхности фоторезистивного слоя
о 15 016 17 О
012 013 014
О 7 О 8 О 9 010 11 О
О 4 О 5 Об
О1 О2 5о
Рис. 3. Распределение контрольных точек на фотошаблоне.
Перед нанесением фоторезиста исходная подложка, после предварительной жидкостной обработки подвергалась очистке в установке плазменного травления ПХО-008. Контроль химической чистоты подложек осуществлялся с помощью изготовленного в ИСОИ РАН прибора экспресс-контроля чистоты поверхности подложек [5,6]. Для оценки толщины нанесенного на подложку слоя фоторезиста, использовался фотошаблон, эскиз которого представлен на рис.3.
Он представляет собой темное поле с 17-ю прозрачными окнами, координаты которых представлены в таблице 1. Диаметр всех окон равнялся, примерно, одному миллиметру.
Таблица 1. Координаты контрольных точек на стандартной ситалловой подложке 60х48.
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
X, мм 2 30 58 15 30 45 2 15 30 45 58 15 30 45 2 30 58
У, мм 2 2 2 12 12 12 24 24 24 24 24 36 36 36 46 46 46
Для экспериментов использовался позитивный фоторезист на основе диазосоединений СК-151. Необходимо отметить, что для минимизации сжатия нанесенной пленки во время сушки желательно использовать резист с высоким содержанием твердого вещества - до 40%, и малым содержанием растворителя [7]. Это позволило в значительной степени повысить планаризирующие свойства резиста, нанесенного поверх ступенек. После осуществления
процессов нанесения фоторезиста и его сушки, производилась засветка последнего через контрольный фотошаблон. После проявления слоя и его задубли-вания измерялась толщина Б интерферометром МИИ-4, обеспечивающего измерения толщин 0,51,5 мкм с точностью ±300нм. Распределение толщины фоторезистивного слоя для различных режимов центрифугирования представлено в таблице 2.
Таблица 2. Распределение толщин фоторезиста по контрольным точкам для разных режимов центрифугирования.
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
X 2 30 58 15 30 45 2 15 30 45 58 15 30 45 2 30 58
У 2 2 2 12 12 12 24 24 24 24 24 36 36 36 46 46 46
Б1, мкм 0,81 1,08 1,08 0,81 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35 1,45 1,35 1,35 1,35 1,35 1,08 1,35 1,35
Б2, мкм 1,08 0,81 0,81 1,08 1,35 1,35 1,35 1,35 1,35 1,08 1,08 0,81 0,81 1,08 1,08 1,08 1,08
Б3, мкм 1,08 1,35 1,35 1,08 0,81 0,81 0,81 1,08 0,81 1,08 1,08 1,08 1,08 0,81 0,81 0,81 1,35
Б4, мкм 1,35 1,35 1,35 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 1,08 1,08 0,81 1,08 1,08 1,08
Здесь Б1- толщина фоторезиста при центрифугировании со скоростью 2000 об/мин., Б2- 3000 об/мин., Б3- 3500 об/мин. и Б4- 4000 об/мин. Вязкость композиции во всех опытах оставалась неизменной.
Для исследования скоростей протекания технологических операций, в частности скорости проявления, исследуемая тест-структура, описанная выше, подвергалась общей засветке УФ - излучением и дальнейшему проявлению в стандартном щелочном проявителе. В данном случае проявление осуществлялось без интенсивного перемешивания. По мере снятия массы фоторезиста проводились замеры толщины пленки в контрольных точках и, соответственно, вычислялась скорость реакции. Графики распределения относительных скоростей удаления фоторезиста по контрольным точкам представлены на рис. 4, а фотография промежуточного результата проявления - на рис. 5.
а
с —
10 20 30 40 50 60 мм
Рис. 4. Распределение скоростей обработки по контрольным точкам подложки: а - по диагонали подложки (точки 1-4-9-14-17), Ь - по ширине подложки (точки 2-5-9-13-16),
с - по длине подложки (точки 7-8-9-10-11) Из приведенных данных ясно видно, что скорость обработки фоторезиста на краях подложки в
4-5 раз выше, чем в центре, а точность в одно кольцо Ньютона достижима только в центре, на 10-15% общей площади подложки. Это объясняется затрудненным доступом проявителя к центральным зонам и требует применения специальной организации потоков обработки - перемешивание, барботирова-ние, проявление поливом на центрифуге и т.п. (рис. 5).
Рис. 5. Неравномерность проявления фоторезиста.
Для устранения этого эффекта была проведена модернизация центрифуги с целью получения возможности проявления поливом непосредственно в процессе центрифугирования. Это дало заметно лучшие результаты и неравномерность скорости обработки снизилась до 8 - 10%, (рис.6).
Г/Г ■
тт
а
с
10 20 30 40 50 60 мм
Рис. 6. Неравномерность проявления фоторезиста поливом. Скорость проявления: а - по диагонали подложки (точки 1-4-9-14-17), Ь - по ширине подложки (точки 2-5-9-13-16),
с - по длине подложки (точки 7-8-9-10-11) Используя полученные результаты, был изготовлен фокусатор в «кольцо», работающий под углом 450 со следующими расчетными параметрами:
- фокусное расстояние - 400 мм;
- рабочая длина волны - 10,6 мкм;
- диаметр освещающего пучка - 12 мм;
- диаметр «кольца» в фокальной плоскости - 20 мм.
Фрагмент профилограммы изготовленного фоку-сатора, снятой с использованием профилографа-профилометра 170311, представлен на рис. 7.
Рис. 7. Фрагмент профилограммы центральной зоны фокусатора в «кольцо», увеличение по вертикали - 1000, увеличение по горизонтали - 20, размер клетки 2х2мм.
После проведения фотолитографических операций на рельеф термовакуумным способом напылялись слои меди или серебра для повышения коэффициента отражения. Измерения интенсивности в фокальной плоскости проводились по известной методике (см. [2]), результирующий график распределения мощности представлен на рис. 8.
%
80 60 40 20 0
-20 -10 0 10 20
Ось фокусатора, мм
Рис. 8. Сечение распределения интенсивности в фокальной плоскости фокусатора в «кольцо».
По сравнению с фокусатором в «кольцо» [8], изготовленным методом отбеливания на фотопластинке «Микрат», представленный ДОЭ обладает заметно лучшими характеристиками: практически нет центрального пика излучения, области фокусировки явно выражены и по своим параметрам хорошо согласуются с теоретическими работами по моделированию [9]. Дальнейшая экспериментальная проверка показала, что представленный фокусатор практически не изменил своих характеристик при длительном воздействии лазерного излучения мощностью около 100 Вт.
Заключение
Предлагаемая технология изготовления ДОЭ послойным наращиванием фоторезиста позволяет получать относительно недорогие и высококачественные оптические элементы. Однако проведенный в настоящей работе анализ показал, что для получения качественного микрорельефа по рассматриваемой технологии необходимо выполнение следующих требований: применение насыщенных фоторезистов с малым содержанием растворителя, строгое
выдерживание параметров центрифугирования -особенно время разгона до номинальных оборотов, использование центральных зон подложки для устранения краевого эффекта.
Показано, что при соблюдении указанных требований возможно получение следующих параметров: неравномерность высоты ступеньки микрорельефа ±0,05 мкм; шероховатость отражающих поверхностей ±7 нм. Проведенные исследования позволили увеличить эффективность широкоапертурных ДОЭ, изготавливаемых по описанной технологии до 8590%.
Литература
1. Волков А.В., Казанский Н.Л., Моисеев О.Ю., Сойфер В. А. Метод формирования дифракционного микрорельефа на основе послойного наращивания фоторезиста // Компьютерная оптика. -М.: МЦНТИ, 1996. - Вып.16. С.12-14.
2. A.V. Volkov, N.L. Kazanskiy, O.Yu. Moiseev & V.A. Soifer. A Method for the Diffractive Microrelief Formatoin Using the Layered Photoresist Growth //Optics and Lasers in Engineering, vol. 29(1998). - Р.281-288.
3. D. Angel. Semicond. Int. April. 1983. - 72 P.
4. Ануфриенко В.В., Неустроев Е.М., Новикова Е. М. Влияние режимов центрифугирования на толщину и стабильность толщины пленок фоторезиста //Электронная техника, №1(33). 1970. -С.42-45.
5. Рафельсон Л.Л., Волков А.В., Бородин С.А., Иванова В. А. Устройство контроля чистоты поверхности подложек. А.с. №1741032 от 15 февраля 1992г.
6. Волков А.В., Колпаков А.И. Способ определения чистоты поверхности подложки. А.с. №1784868 от 1 сентября 1992г.
7. I Б1ес^осЫеш, Бос.т. 1983. 1543 Р.
8. Арефьев Е.Ю., Гилев В.А., Голуб М.А., Казанский Н.Л., Карпеев С.В., Сисакян И.Н., Сойфер В.А., Соловьев В.С., Тихонов Д.Н., Уваров Г.В. Экспериментальное исследование плоского оптического элемента, фокусирующего в кольцо. //Компьютерная оптика, вып. 5. -М.: МЦНТИ, 1989. -С.49 - 54.
9. Казанский Н.Л. Исследование дифракционных характеристик фокусатора в кольцо методом вычислительного эксперимента. //Компьютерная оптика, вып10-11. -М.: МЦНТИ, 1989. -С.128 -144.
