Komplexpraktikum Maskentechnik / Lithografie

Transkript

1 1. Zielstellung: Komplexpraktikum Maskentechnik / Lithografie Kennen lernen der verschiedenen Maskenherstellungsverfahren Praktische Durchführung eines lithografischen Prozesses in der Mikrotechnik Herstellung einer Lackstruktur zur Oxidstrukturierung für nachfolgende Ätzprozesse Kennen lernen eines Mask-A-ligners und dessen Einsatzmöglichkeiten 2. Grundlagen zur Maskentechnik, Herstellungsverfahren Der Kernpunkt der Mikrotechniken ist die Maskentechnik. Dabei werden vorher entworfene Strukturen auf Masken übertragen, die wiederum als Vorlage zur Strukturübertragung auf das Substrat dienen. Der Maskensatz, die Gesamtheit der für unterschiedliche Mikrosysteme benötigten Masken, enthält alle Daten, die zur Strukturerzeugung auf der Si Scheibe und für die Strukturierung unterschiedlichster funktioneller Schichten notwendig sind. Durch Justiermarken erfolgt im Belichtungsschritt die geometrische Zuordnung der einzelnen Masken des Maskensatzes. Man unterscheidet zwei Arten von Masken: a) Dunkelfeldmasken b) Hellfeldmasken Die Herstellungsverfahren in der Maskentechnik werden ständig weiterentwickelt. Das Interesse dabei gilt besonders: - Minimierung der Strukturgröße - Toleranzbreiten - Passungsgenauigkeit - Minimierung der Defektdichte Man unterscheidet demzufolge verschiedene Maskenherstellungsverfahren. Grundsätzlich werden bei der Maskenherstellung die entworfenen Layoutdaten eines geometrisch 2-D-Entwurfs durch verschiedene Verfahrensschritte auf einen Glaskörper übertragen, der über eine entsprechender Kontrastschicht verfügt, die nach der Strukturierung als Maskenschicht fungiert. Eigenschaften des Glaskörpers: - extrem hohe Ebenheit - Planparallelität - extrem niedrige Defektdichte im Innern - sehr geringe thermische Ausdehnung Verwendete Gläser: Krongläser, Borosilikatgläser, Quarzgläser Die Maskierungsschichten bestehen meist aus Chrom- oder Eisenoxidschichten mit einem Transmissionsgrad von 0% für Licht mit λ= 365nm {Bild Maskenherstellung aus der alten Versuchsanleitung} 1

2 3. Grundlagen zur Lithografie Die Lithografie ist der wesentlichste Prozessschritt in der Halbleiterfertigung und in der Mikrostrukturtechnik. Unter Lithografie ist die Übertragung einer vorgegebenen Maskenstruktur mit Hilfe von Licht und eines optischen Systems in eine fotoempfindliche Schicht zu verstehen. Die Lithografie ist ein zweistufiges Verfahren. Im ersten Schritt werden mehrfach verwendbare Masken erzeugt. Im zweiten Schritt erfolgt die Strukturübertragung in eine fotoempfindliche Schicht, die sich auf dem zu strukturierenden Substrat befindet. Wesentliche Forderungen an die Lithografie_ Hohe Übertragungstreue der lateralen Auflösung (pattern fidelety) Exakte Passung der Masken verschiedener Strukturierungsebenen zueinander Die Erstellung der Layoutdaten, die zur Steuerung der Anlagen (pattern-generator, Elektronenstrahlbelichtung, Laserbelichtung) benötigt werden ist unter 2. nachzulesen. 3.1 Fotolacke Die zu strukturierenden Substrate werden mit einer Fotolackschicht bedeckt. Dieser Fotolack definiert nach der Belichtung und Entwicklung die zu erzeugende Struktur im Substrat. Forderung an den Fotolack: große Lichtempfindlichkeit hohes Auflösungsvermögen gutes Haftvermögen zum Substrat hohe thermische Stabilität hohe Beständigkeit gegenüber Ätzlösungen angepasste Viskosität ausreichende Lagerfähigkeit Partikelfreiheit Unempfindlichkeit gegenüber Rot- bzw. Gelblicht Zusammensetzung der Fotolacke: Matrixmaterial einer fotoempfindlichen Komponente Lösungsmittel Man unterscheidet Positiv- und Negativ(fotokopier)lacke. Positivlacke sind zumeist Novolacke oder Formaldehydlacke. Eine weitere Einteilungsmöglichkeit bieten die verwendeten Strahlungsarten, nach Foto-, Röntgen-, Elektronen-, Ionenkopierlacke. 3.2 Belichtungsverfahren Proximityverfahren Sonderfall: Kontaktverfahren Maske Substrat 2

3 Merkmale des Proximityverfahrens: ~ ist die generelle Form der Lithografie bei der im optischen Strahlengang zwischen Maske und fotoempfindlicher Schicht kein optisches System angeordnet ist. Die minimale Strukturauflösung ergibt sich nach: A min = (g*λ) g ist im Normalfall einige µm groß. λ - Wellenlänge der Strahlung g Abstand Maske-Substrat(+Resist) Sonderfall: Kontaktverfahren: Es besteht ein direkter Kontakt zwischen Maske und Substrat. Der gegebenenfalls erforderliche Anpressdruck wird über ein Vakuum erzeugt. Vorteile: geringe Auswirkung der Lichtbeugung, -brechung, -reflexion Nachteile: aufgrund des direkten Kontakts besteht eine sehr große Wahrscheinlichkeit der Defektgeneration Notwendig und aufwendig in der Realisierung der Beleuchtung ist die gleichmäßige Beleuchtung großer Flächen sowie ein senkrechter und paralleler Strahlengang. Dies ist wichtig, um Lichtstreuung und Geometrieverzerrungen der Abbildung zu vermeiden. Projektionsverfahren Bei der Projektionslithografie befinden sich grundsätzlich abbildende Linsensysteme im optischen Strahlengang zwischen Maske und fotoempfindlicher Schicht. Diese sind speziell für die verwendete Lichtwellenlänge ausgelegt. Die minimale Strukturauflösung ergibt sich nach: A min = (k*λ) / NA λ - Wellenlänge der Strahlung k Konstante NA numerische Apertur der Linse Bei diesem Verfahren werden die vorgegebenen Strukturen der Masken bzw. Reticle gezielt verkleinert, wodurch im Fotolack kleinere Strukturbreiten erzielt werden können (Abbildungsmaßstäbe 1:1 bis 1:10). 3

4 Die Projektionslithografie wird mit Glas- und Spiegeloptiken im sichtbaren und UV Spektralbereich realisiert. Die meiste Anwendung findet die 1:5 Projektionslithografie mit holografischen Linsen und konventionellen Lichtquellen oder Laser. Größe der Belichtungsfelder: 14x14 mm², die eine Auflösung im Fotolack von weniger als 1 µm ermöglichen. 3.3 Lackprozesse Zur Vorbereitung der Substrate ist es oftmals notwendig, sogenannte Hilfsprozessschritte durchzuführen, um eine gute Haftung des Fotolacks auf der Oberfläche zu gewährleisten. Es kommen hierbei zwei Verfahren zum Tragen: 1. Tempern Beim Tempern werden die Wafer 30 Minuten lang einer Temperatur von 700 C??? ausgesetzt, um vorhandene Wasserschichten von der Oberfläche zu entfernen. 2. Primern Dieses Verfahren wird dann eingesetzt, wenn durch Tempern keine eindeutige Verbesserung der Lackhaftung erzielt wird. Hierbei wird vor der eigentlichen Beschichtung mit dem Lack ein Haftvermittler (Primer) aufgebracht. Für Siliziumsubstrate hat sich das Hexamethyldisilasan (HMDS) als sehr geeignet erwiesen. Die zum Primern verwendeten Technologien sind: Schleudern mit Zentrifuge Sprühen Lagern in einer HMDS-angereicherten Atmosphäre Üblicherweise werden Haftvermittlerdicken von einigen nm realisiert. Lackbeschichtung Der Auftrag des Lackes auf die Wafer kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Dabei bestehen Forderungen nach einer hohen Gleichmäßigkeit der Lackdicke über dem gesamten Substrat, einer homogenen Bedeckung sowie möglichst hoher Defektfreiheit. Die Belackung nach dem Schleuderverfahren ist gegenwärtiger Standard. Entsprechend der Materialeigenschaften des Lackes wie Viskosität, Haftung, Homogenität sowie der gewünschten Parameter der Fotolackschicht können an modernen Belackungsanlagen verschiedene Prozessparameter eingestellt werden. Dazu zählen: Position der Düse bzgl. der Substratoberfläche Lackvolumen Dauer des Lackauftrags Rotationsgeschwindigkeit während des Lackauftrags Formierdrehzahl Formierdauer Schleuderzeit Beschleunigungsverhalten 4

5 Vortempern der Lackschicht (prebake) Nach der Belackung erfolgt generell ein Tempervorgang. Dieser Prozessschritt hat folgende Aufgaben: Entfernen von Lösungsmittelresten Einstellung einer definierten Strahlungsempfindlichkeit Erhöhung der mechanischen Stabilität der Lackschicht Erhöhung der Lackhaftung auf dem Substrat Hierfür verwendet man üblicherweise: Hot-Plate-Tempern (kurze Bearbeitungszeit) IR-Temperung (homogene Behandlung, relativ kurze Bearbeitungszeit) Tempern im Konfektionsofen Justierung und Belichtung Zur Übertragung der Maskenstruktur in den Fotolack werden Projektionslithografieanlagen (Waferstepper) oder Justier- und Belichtungseinrichtungen (Mask-A-ligner) eingesetzt. Diese sind mit Lichtquellen, die auf die spektrale Empfindlichkeit des Fotolacks abgestimmt sind, ausgestattet. Üblicherweise werden bei der Fotolithografie Quecksilber Hochdruck oder Xenonlampen mit ausreichender Strahlungsintensität im UV Bereich verwendet. λ liegt im Bereich von 300 bis 450 nm. Der Wellenlängenbereich ist durch Filter einschränkbar. Eine Korrektur der Optik bzgl. der Wellenlänge wird in den Belichtungseinrichtungen realisiert, wodurch eine gute Übertragungsqualität bzgl. der Geometrie der Maskenbilder erzielt wird. Für die Belichtung der Fotoschichten ist die Lichtmenge Q = f(e,t) {E Lichtstrom, t Belichtungszeit} maßgebend. Um einen maximalen Kontrast der entwickelten Fotoschicht zu erhalten, wird t bei konstanter Intensität für verschiedene Lacke und Dicken optimiert. Unter Justierung versteht man das Ausrichten der Maske mittels aufgebrachten Justiermarken oder Strukturen zum Flat des Wafers (Orientierung zur [110] Richtung) oder zu bereits vorhandenen Strukturen. Derartige Justierungen können automatisch oder manuell vorgenommen werden. Die Justiergenauigkeit kann, je nach Verfahren im Bereich von weniger als 0,25µm liegen. Entwickeln Die Fotoentwicklung ist die Entfernung von unbelichtetem Negativlack oder belichtetem Positivlack. Bei Positivlacken erfolgt ein drastischer Anstieg der Löslichkeit belichteter Gebiete in wässrigen basischen Lösungen. Bei Negativentwicklung erfolgt eine Lösung der nichtpolymerisierten Gebiete in bestimmten organischen Lösungsmitteln z. B.: Trichlorethylen. Charakteristische Größen: K Wert (Entwickerkontrast) für Positivlack K = A unbelichtet / A belichtet Abtragungsgeschwindigkeit A beim Entwicklungsprozess A unbelichtet = 1..2nm/s A belichtet = nm/s 5

6 Übliche Verfahren: Tauchentwicklung (bei geringen Stückzahlen, erfordert geringen technischen Aufwand) Sprühentwicklung (meistverwendetes technisches Verfahren, bessere Reproduzierbarkeit, höherer Durchsatz) Nachtempern (postbake) Nach der Entwicklung wird ein Tempervorgang bei ca. 110 C 30 Minuten lang gefahren, um Lösungsmittelreste zu entfernen und eine bessere mechanische Stabilität, höhere Lackhaftung und bessere Ätzbeständigkeit und größere Lackhärte, sowie eine geringfügige Ausheilung von Löchern und Defekten zu erzielen. Für den Prozess werden Konvektionsöfen oder Hot-Plates verwendet. Problem der Nachtemperung sind die Abrundungen des Fotolackes an Kanten und die mögliche thermische Zerstörung der Lackschicht. Daraus folgt die Optimierung der Temperatur und Temperzeit nach Lacksorte und dicke. 3.4 Ätzen der Maskierungsschichten Als nächster Schritt wird nun das Substrat strukturiert. Beim Ätzen der Maskierungsschicht erfolgt der Abtrag an nicht durch Fotolack abgedeckten Stellen (Fenstern). Zu den wichtigsten Parametern des Ätzprozesses gehören die Selektivität und die Ätzgeschwindigkeit. Letztere ist von folgenden Parametern abhängig: Art und Zusammensetzung der Ätzlösung Temperatur der Ätzlösung Chemische Beschaffenheit und Löslichkeit der Ätzmaske gegenüber die Ätzlösung Generell wird vom Fotolack eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Ätzlösungen gefordert. Entfernung der Lackmaske (strippen) Nachdem die Maskenstruktur in die Maskierungsschicht übertragen wurde, wird die Fotolackschicht nicht mehr benötigt. Die Entfernung des ausgehärteten Fotolackes kann bei nasschemischen Verfahren wie Auflösen in Aceton oder in H 2 SO 4 bei 100 C zu Problemen führen. Daher wird gegenwärtig ein trockenchemisches Verfahren, das Veraschen im Sauerstoffplasma, bevorzugt. 6

7 4. Versuchsvorbereitung 1. Informieren Sie sich über die verschiedenen Maskenherstellungsverfahren. Betrachten Sie dabei die Unterschiede zwischen klassischen Verfahren und Verfahren mit der Laserdirektbelichtung. 2. Welche Lithografieverfahren gibt es und wie sind Vor und Nachteile? 3. Bewerten Sie diese Verfahren hinsichtlich Ihres effektiven Einsatzes in der Mikrotechnik. 4. Welche Arten von Lacken stehen für Lackprozesse zur Verfügung? Erarbeiten Sie sich die Eigenschaften und Einsatzgebiete der Positiv und Negativlacke. 5. Machen Sie sich allgemein mit den einzelnen Prozessschritten der Lithografie vertraut und erarbeiten Sie einen Prozessplan bezogen auf Ihre Versuchsdurchführung. 5. Versuchsdurchführung a) Bevor Sie mit den Wafern in die Belackungsanlage gehen, müssen Sie die Substratdicke mittels Messuhr, sowie die Oxiddicke mit dem Weißlichtmessgerät bestimmen und protokollieren. b) Belacken Sie die Wafer vorder und rückseitig. Führen Sie nach jeder Belackung einen Prebake durch. c) Lassen Sie die Wafer etwa eine halbe Stunde konditionieren bevor Sie sie weiterverarbeiten. d) Belichten und Entwickeln Sie die Wafer mittels Mask-A-ligner. Überprüfen Sie die Lack- und Oxidstrukturen mittels Mikroskop. e) Ätzen Sie das Oxid nach einem Postbake. 7