CC BY
59
УДК 621.7
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ ФОТОРЕЗИСТА
Валерия Валерьевна Котикова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, кафедра наносистем и оптотехники, тел. (906)909-93-89, e-mail: valerkotan@gmail.com
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, зав. кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (903)998-49-61, e-mail: d.v.chesnokov@ssga.ru
В статье рассмотрена методика контроля толщины пленки фоторезиста с помощью спектрального эллипсометра ЭЛЛИПС-1891.
Ключевые слова: фоторезист, метод центрифугирования, спектральный эллипсометр.
DEVELOPMENT CONTROL TECHNIQUES PHOTORESIST FILM THICKNESS
Valery V. Kotikova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate student, Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (906)909-93-89, e-mail: valerkotan@gmail.com
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Head of Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (903)998-49-61, e-mail: d.v.chesnokov@ssga.ru
The article describes the method of controlling the photoresist film thickness using a spectral ellipsometer ELLIPSE-1891.
Key words: photoresist, centrifugation method, spectral ellipsometry.
Актуальность работы: при изготовлении микросхем с линейными размерами, сравнимыми с диаметром пластины (wafer scale integration, WSI), наиболее сложным является вопрос о способе переноса топологического рисунка на пластину. Из трех основных видов фотолитографии: проекционной 1:1, проекционной с масштабированием и контактной, первая ограничена разрешением около 3 мкм, вторая имеет ограничения по максимальному размеру кристалла обычно на уровне10 мм, а последняя имеет неприемлемый для сверхбольших схем уровень дефектности. В последнем случае проблема отчасти может быть решена за счет экспонирования с микрозазором, однако при этом ухудшается разрешение.
Важными параметрами проекционных систем являются глубина резкости и разрешающая способность. Как известно, разрешающая способность определяется по формуле:
1.22Л¥ = Ах.
В то же время, глубина резкости определяется по формуле:
±2Л¥2 = ±Ла,
где Б - эффективное число проекционной системы;
Я - длина волны;
Аа - неравномерность толщины;
Ах - минимально разрешаемый размер.
Таким образом, при увеличении разрешения неизбежно уменьшается глубина резкости, что повышает требования к планарности экспонируемой поверхности. В частности, повышаются требования к однородности толщины слоя фоторезиста.
В фотолитографии используются фоторезисты, покрывающие тонкой пленкой поверхность пластины. Пленка экспонируется в синем или УФ свете. При проявлении происходит селективное удаление резиста в соответствии с полученной экспозицией. Оставшийся рисунок фоторезиста на поверхности пластины используется в качестве маски при проведении технологических операций. Основными функциональными компонентами фоторезиста являются: ингибитор, растворитель, краситель и т.п.
Ингибитор препятствует растворению резиста в водно-щелочном проявляющем растворе.
Растворитель позволяет наносить резист на пластину в жидком виде.
При экспонировании необходимо учитывать скорость разрушения ингибитора, которая зависит от интенсивности света.
Вследствие многократных отражений от границ раздела фоторезист-воздух и фоторезист-подложка, в плёнке фоторезиста возникают стоячие волны. Таким образом, изменение интенсивности света в слое резиста определяется соотношением:
где 1(г, ^ - интенсивность света;
А и В - коэффициенты, зависящие от типа фоторезиста;
М(г, ^ - относительная стойкость;
ъ - координата;
\ - время экспонирования [1].
Это означает, что засветка фоторезиста происходит неравномерно по глубине, и даже малое отклонение толщины плёнки приводит к значительному сдвигу необходимой дозы экспонирования, что иллюстрирует рис. 1.
Рис. 1. Зависимость дозы от глубины для фоторезиста S1813
Операция «нанесение адгезива» предназначена для нанесения на кремниевые пластины гексаметилдисилазана, используемого в качестве адгезива для улучшения адгезии фоторезиста к поверхности пластины.
Нанесение адгезива проводится в камере с герметичной дверцей из газовой фазы, полученной при пропускании азота через гексаметилдисилазан.
После нанесения адгезива следует операция «нанесение фоторезиста». Нанесение проводится методом центрифугирования на автомате «Рельеф-М». Данный метод является наиболее распространенным. Главным достоинством является то, что фоторезист наносится с высокой степенью равномерности по толщине.
Далее пластина с нанесенным на нее фоторезистом поступает на индивидуальную контактную термоплиту, где происходит термообработка фоторезиста при температуре 120 °С в течение 10 с.
Фоторезистивная пленка после нанесения на подложку и высушивания должна быть однородной и изотропной. Она должна иметь не только постоянную толщину, но и быть химически изотропной, чтобы ее реакция на экспонирование и проявление была однородной по всей поверхности. Особое внимание должно быть уделено устранению радиального изменения толщины, которое может возникать при нанесении резиста методом центрифугирования [2].
Таким образом, разработка методики нанесения пленки фоторезиста с заданной неравномерностью требует вначале разработать методику точного измерения толщины пленки и оценки ее неравномерности по поверхности пластины.
Из сказанного вытекают следующие задачи:
1. Разработка методики контроля толщины фоторезиста.
2. Проверка толщины и однородности слоя фоторезиста перед экспонированием.
Измерения толщины пленки фоторезиста проводились на спектральном эллипсометре ЭЛЛИПС-1891. Данные эллипсометра более информативны, чем фотометрические, т.к. одновременно измеряются сразу две величины: амплитудная и фазовая. Измерения имеют высокую чувствительность. Точность измерения толщины пленки составляет 0,3 нм.
Суть данного метода заключается в том, что на пластину с нанесенным на нее фоторезистом падает плоско поляризованная волна, которая, отражаясь, становится эллиптически поляризованной. Отраженный эллиптически поляризованный свет попадает в анализатор, служащий для анализа поляризации. Зная параметры зондирующего пучка, и измеряя параметры анализируемого пучка можно сделать выводы об оптических свойствах отражающей поверхности.
В спектральном эллипсометре эти измерения повторяются в диапазоне от 450 нм до 1000 нм с шагом 2,5 нм, за счет этого накапливается большая статистика, позволяющая определить кроме толщины и зависимость коэффициента преломления от длины волны. Теоретическая зависимость показателя преломления от длины волны описывается формулой Коши:
п(Я) = А + В*А2 + С*А4
Для определения толщины измеренная зависимость параметров амплитуды и поляризации сравнивалась с расчетной зависимостью.
В ходе эксперимента на пластины, диаметром 100 мм, КДБ20 (100) были центрифугированием нанесены разные марки фоторезистов: 81813, ФП9120-1, ФП383 (табл. 1). Измерения толщины на каждой пластине проводились в пяти точках: в центре пластины и по двум перпендикулярным направлениям. Нанесение проводилось при разных скоростях вращения. Для каждой марки фоторезиста и для каждого режима было измерено по несколько образцов.
Таблица 1
Марка Дозирование Сушка Обмыв ободка
Время, с Скорость, об/мин Время, с Скорость, об/мин Время, с Скорость, об/мин
ФП9120-1 1,0 2000 10,0 3000 5,0 1000
ФП9120-1 1,0 2000 10,0 2000 5,0 2000
ФП383 1,0 2000 10,0 2500 5,0 1000
81813 1,0 2000 10,0 3000 5,0 1000
81813 1,0 7000 10,0 2000 5,0 2000
81813 1,0 3000 10,0 2000 10,0 1000
Коэффициенты А, B и С, описывающие зависимость показателя преломления от длины волны были определены экспериментально, как наиболее оптимальные для согласования теоретической модели с экспериментом. Один и тот же набор коэффициентов использовался для всех толщин.
Результаты измерений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Фоторезист Номинальная толщина, нм Скорость, об/мин Полученная толщина, нм Среднее отклонение, нм Вязкость
ФП9120-1 1000 3000 1344 3,60 13-17
ФП9120-1 1400 2000 1336 4,04 13-17
ФП383 1400 2500 1504 15,48 13-17
S1813 1400 3000 1705 11,76 19,23
S1813 1000 7000 1129 4,85 19,23
S1813 2000 2000 2049 27,29 19,23
В ходе измерений было выявлено, что полученные пленки достаточно однородны по всей поверхности подложки, однако имеются значительные отклонения средних значений толщины плёнки от ожидаемых номиналов. Наилучшая однородность была достигнута для наиболее тонких слоёв.
Толщина фоторезиста была также независимо проверена на растровом электронном микроскопе. Результаты измерений совпали с результатами, полученными при измерении на эллипсометре (рис. 2).
SEM HV: 10 kV WD: 6 49 mm 4 1 1 1 1 1 1 1 VEGA3 TESCAN
View Held: 54.6 (im Del SE 10 pm
SEM MAG 4.94 kx Date(m/d/y): 02/2S/16
шшштшяшшш^щгттш^щ
чМмшйжммщяяШКмзм «•ШНакЩша
SEM HV: 10 kV WD: 4.60 mm llflflil VEGAS TESCAN
View field: 15.9 (im De1: SE 2 pm
SEM MAG: 16 9 k» Date[m/d/y): 02/26/16
Рис. 2. Фотографии, полученные с растрового электронного микроскопа
Нами разработана методика контроля толщины пленок разных марок фоторезиста. Были выявлены отклонения измеренной толщины пленки от ожидаемого номинала, при этом разброс толщин удовлетворяет потребностям текущего производства. Данный метод предлагается использовать для текущего контроля процесса нанесения фоторезиста.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии [Текст] : Пер. с англ.-М. : Мир, 1985. -496 с., ил.
2. Введение в фотолитографию [Текст] / под ред. В.П. Лаврищева ; [Ю.С. Боков, В.С. Корсаков, В.П. Лаврищев и др.]. - М. : Энергия, 1977. - 400
© В. В. Котикова, Д. В. Чесноков, 2016
