RU2096935C1

RU2096935C1 - Process of photolithography

Info

Publication number: RU2096935C1
Application number: RU96107191A
Authority: RU
Inventors: В.К. Смолин; М.М. Донина
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительных систем
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: first layer of positive photoresistors is deposited on substrate, is dried and exposed without mask. Then second layer of positive photoresistor is deposited, is dried and exposed through mask and pattern is developed in two-layer film. Value t1 of exposure of first layer of photoresistor is chosen equal to 2 t2, where t2 is value of exposure of second layer of photoresistors within range of exposure latitude. EFFECT: improved efficiency of process. 1 tbl

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к процессам формирования топологических элементов микроэлектронных устройств с двухслойным маскированием. The invention relates to electronic equipment, namely to processes for the formation of topological elements of microelectronic devices with two-layer masking.

Известен способ фотолитографии, включающий нанесение на подложку пленки металла, например вакуумным напылением, нанесением на металлическую пленку слоя фоторезиста, его сушку, экспонирование через шаблон, проявление изображения, задубливание фоторезистивной маски и травление металлической пленки с боковым подтравливанием [1] Способ обеспечивает высокое качество края формируемых элементов устройств при удалении обрабатываемой пленки "взрывной" фотолитографией, однако трудоемок из-за применения материалов, использующих принципиально различные методы для их нанесения и обработки. A known method of photolithography, including applying a film of metal to a substrate, for example by vacuum deposition, applying a photoresist layer to a metal film, drying it, exposing it through a template, developing an image, sinking a photoresist mask and etching a metal film with side etching [1] The method provides high quality edges formed elements of devices when removing the processed film by "explosive" photolithography, however, it is time-consuming due to the use of materials that use fundamentally Various methods for their application and handling.

Известен способ фотолитографии, включающий последовательное нанесение на подложку двух слоев негативных фоторезистов различной химической структуры и последующую совместную обработку [2] Данный способ обеспечивает снижение дефектности (проколы) фоторезистивной маски, однако при этом уменьшается ее разрывающая способность. A known method of photolithography, including the sequential application of two layers of negative photoresists of different chemical structures on a substrate and subsequent joint processing [2] This method provides a reduction in the imperfection (puncture) of the photoresist mask, however, its breaking ability decreases.

Наиболее близким к заявляемому является способ, включающий нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста, сушку, экспонирование без шаблона, термообработку при температуре выше температуры разложения светочувствительного компонента, но ниже температуры разложения продуктов фотохимических реакций, нанесение второго слоя фоторезиста, сушку, экспонирование через шаблон и проявление рисунка в двухслойной пленке [3] Этот способ позволяет получать отверстия в резистивной маске с большим отношением глубины к ширине. Недостатком известного технического решения является ограниченная разрешающая способность, связанная с недостаточной адгезией малоразмерных участков фоторезистивной маски из-за структурных различий материала первого и второго слоев резиста, а также трудностью удаления маски в процессе "взрывной" литографии. Closest to the claimed one is a method comprising applying a layer of positive photoresist to a substrate, drying, exposing without a template, heat treatment at a temperature above the decomposition temperature of the photosensitive component, but lower than the decomposition temperature of photochemical reaction products, applying a second photoresist layer, drying, exposing through a template and developing pattern in a two-layer film [3] This method allows to obtain holes in a resistive mask with a large ratio of depth to width. A disadvantage of the known technical solution is the limited resolution associated with insufficient adhesion of small sections of the photoresist mask due to structural differences in the material of the first and second layers of the resist, as well as the difficulty of removing the mask in the process of "explosive" lithography.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение разрешающей способности резистивной маски при "взрывной" фотолитографии. The technical result of the proposed solution is to increase the resolution of the resistive mask with "explosive" photolithography.

Технический результат достигается тем, что предложен способ фотолитографии, включающий нанесение на подложку слоя позитивного фоторезиста, его сушку, экспонирование без шаблона, нанесение второго слоя позитивного фоторезиста, сушку, экспонирование через шаблон и проявление рисунка в двухслойной пленке, отличающийся тем, что величину экспозиции первого слоя фоторезиста t_Э1 выбирают равной (0,5 0,6) • t_Э2, где t_Э2 значение величины экспозиции второго слоя в диапазоне фотографической широты применяемого фоторезиста.The technical result is achieved by the fact that the proposed method of photolithography, including applying a layer of positive photoresist to a substrate, drying it, exposing without a pattern, applying a second layer of positive photoresist, drying, exposing through a pattern and developing a pattern in a two-layer film, characterized in that the exposure value of the first the photoresist layer t _{E1 is} chosen equal to (0.5 0.6) • t _E2 , where t _E2 is the exposure value of the second layer in the photographic latitude range of the applied photoresist.

Технический результат достигается тем, что унифицируются процессы формирования фоторезистивных слоев, причем при термообработке второго слоя сохраняется способность первого слоя быть чувствительным к воздействию актиничного излучения. Позитивные фоторезисты состоят из таких компонентов, как пленкообразующий компонент (фенолформальдегидная смола или смеси на ее основе), растворитель (диоксан, диметилформамид, кетоны, эфиры и другие материалы, например, смесь летучих и труднолетучих растворителей), светочувствительный компонент (производные на основе о-нафтохинондиазидов). В результате фотолиза светочувствительного компонента образуется соль инденкарбоновой кислоты, растворимая в воде, которая переходит в раствор. Продукты фотолиза светочувствительного компонента, воздействуя с непрореагировавшими молекулами, образуют димер, чем предотвращается взаимодействие нефотолизованных молекул светочувствительного компонента с пленкообразователем и, следовательно, сохраняется линейная структура макромолекул в экспонированных областях фоторезиста. Однако в зависимости от дозы облучения изменяется степень растворимости фоторезиста в проявителе (фенолформальдегидные смолы, составляющие несущую "основу фоторезиста, являются растворимыми в водно-щелочных растворах). Недостаточная доза облучения, ввиду неравномерности поглощения слоем фоторезиста, приводит к образованию так называемой "вуали", а передержка к образованию под защитным (неэкспонированным) рельефом фоторезиста вне зоны максимальной плотности потока актиничного излучения поперечных связей за счет протекания побочных фотохимических процессов, также приводящих к возникновению в слое нерастворимых гидрофобных продуктов. Варьируя экспозицией, таким образом, можно изменять скорость растворения (удаления) слоя фоторезиста с экспонированных участков. The technical result is achieved by the fact that the formation of photoresistive layers is unified, and the heat treatment of the second layer retains the ability of the first layer to be sensitive to the effects of actinic radiation. Positive photoresists consist of components such as a film-forming component (phenol-formaldehyde resin or mixtures based on it), a solvent (dioxane, dimethylformamide, ketones, ethers and other materials, for example, a mixture of volatile and hardly volatile solvents), and a photosensitive component (derivatives based on o- naphthoquinondiazide). As a result of the photolysis of the photosensitive component, an indenocarboxylic acid salt is formed, which is soluble in water, which passes into the solution. The products of photolysis of the photosensitive component, acting with unreacted molecules, form a dimer, which prevents the interaction of non-photolyzed molecules of the photosensitive component with the film former and, therefore, the linear structure of macromolecules in the exposed regions of the photoresist is preserved. However, depending on the radiation dose, the degree of solubility of the photoresist in the developer varies (phenol-formaldehyde resins that make up the "backbone of the photoresist are soluble in aqueous alkaline solutions). An insufficient dose of radiation, due to the uneven absorption of the photoresist layer, leads to the formation of the so-called" veil " and overexposure to the formation under the protective (unexposed) relief of the photoresist outside the zone of maximum cross-link actinic radiation flux density due to the occurrence of collateral otohimicheskih processes, also lead to the appearance of a layer of insoluble hydrophobic products. Varying exposure thus possible to change the dissolution rate (removal) of the photoresist layer exposed portions.

При использовании двухслойной резистивной маски на основе позитивного фоторезиста участки первого слоя (при определенных суммарных дозах облучения), совпадающие с экспонированными через шаблон участками второго слоя имеют большую скорость растворения, чем примыкающие к ним участки, маскированные фотошаблоном. В процессе проявления в водно-щелочном проявителе происходит удаление экспонированных участков второго слоя, через маску которого происходит травление нижележащего первого слоя. В этом случае профиль отверстия формируемой фоторезистивной маски фактически приближается к профилю однослойной фоторезистивной маски с отрицательным клином проявления, однако в случае двухслойной маски (согласно процедуре формирования имеющей вдвое большую толщину и, следовательно, большее соотношение толщин обрабатываемой пленки и маски) при сохранении в пределе точности формирования элементов облегчается процедура удаления фоторезистивной маски вместе с обрабатываемой пленкой, а также снижается неровность края элементов, проявляющаяся как отслаивание обрабатываемой пленки от подложки в виде нерегулярных мелких фрагментов. Разрешающая способность фоторезистивной маски определяется в значительной мере ее адгезионной способностью. Сила, необходимая для отрыва элемента фоторезистивной маски, пропорциональна площади контакта с подложкой. Идеальным случаем фоторезистивной маски с этой точки зрения является ситуация, когда стенки маски вертикальны. Компромиссное решение в целом обеспечивает профиль формируемого элемента в виде равнобедренной трапеции с мало отличающимися размерами верхнего и нижнего оснований. When using a two-layer resistive mask based on positive photoresist, portions of the first layer (at certain total radiation doses) that coincide with the portions of the second layer exposed through the template have a higher dissolution rate than the adjacent areas masked by a photomask. In the process of development in the water-alkaline developer, the exposed areas of the second layer are removed, through the mask of which the underlying first layer is etched. In this case, the hole profile of the formed photoresist mask actually approaches the profile of a single-layer photoresist mask with a negative manifestation wedge, however, in the case of a two-layer mask (according to the formation procedure, it has twice as thick and, therefore, a greater ratio of thicknesses of the processed film and mask) while maintaining the accuracy limit the formation of elements facilitates the procedure for removing the photoresistive mask with the processed film, and also reduces the unevenness of the edges of the elements, those reflected as a processed film peeling from the substrate in the form of small irregular fragments. The resolution of the photoresist mask is determined to a large extent by its adhesive ability. The force required to tear off the element of the photoresist mask is proportional to the area of contact with the substrate. An ideal case of a photoresist mask from this point of view is when the walls of the mask are vertical. The compromise solution as a whole provides the profile of the formed element in the form of an isosceles trapezoid with slightly different sizes of the upper and lower bases.

Пример конкретного применения. An example of a specific application.

На обезжиренную подложку керамики ВК-100 (поликор) методом центрифугирования при скорости вращения 5000 об/мин наносили слой позитивного фоторезиста ФП-051 МК толщиной 0,8 0,9 мкм. Производили ИК-сушку нанесенного слоя при температуре 115 120^oC в течение 5 6 мин. Производили экспонирование слоя без фотошаблона на установке ЭМ-576 при освещенности (3,5 4)•10⁴ лк. Наносили второй слой фоторезиста и производили его сушку по режимам обработки для первого слоя. Производили экспонирование обоих слоев фоторезиста через фотошаблон. Скрытое изображение проявляли в стандартном проявителе данного фоторезиста или в 0,6% растворе KOH в течение 30 120 ч. Режимы экспонирования по заявляемому способу установлены авторами экспериментально на основании результатов исследований процессов. Оценку эффективности заявляемого технического решения осуществляли по результатам формирования тонкопленочных элементов. Для этого производили методом магнетронного распыления на постоянном токе на установке "Оратория 2М" осаждение на неподогреваемую подложку слоев Ti-Al (толщина подслоя Ti соответствовала удельному сопротивлению 70 100 Ом/квадрат, толщина слоя Al составляла 0,55 мкм). Толщина двухслойной фоторезистивной маски находилась в пределах 1,5 1,8 мкм.On a degreased ceramic substrate VK-100 (polycor) by centrifugation at a rotation speed of 5000 rpm, a layer of positive photoresist FP-051 MK with a thickness of 0.8 0.9 μm was applied. The applied layer was IR-dried at a temperature of 115-120 ^° C for 5-6 minutes. The layer was exposed without a photomask on the EM-576 installation under illumination (3.5 4) • 10 ⁴ lux. A second layer of photoresist was applied and it was dried according to the processing regimes for the first layer. We produced exposure of both layers of the photoresist through a photomask. A latent image was shown in a standard developer of this photoresist or in a 0.6% KOH solution for 30 to 120 hours. The exposure modes by the present method were established by the authors experimentally based on the results of process studies. Evaluation of the effectiveness of the proposed technical solution was carried out according to the formation of thin-film elements. To do this, direct current magnetron sputtering was performed on an Oratorio 2M installation to deposit Ti-Al layers on an unheated substrate (the thickness of the Ti sublayer corresponded to a specific resistance of 70 100 Ohm / square, the thickness of the Al layer was 0.55 μm). The thickness of the two-layer photoresist mask was in the range of 1.5 to 1.8 μm.

Удаление контактной маски из фоторезиста при формировании топологического рисунка производили методом погружения подложки в диметилформамид, в котором выдерживали ее до полного отслоения металла, лежащего на контактной маске. В качестве испытуемой структуры использовали плату микросборки, характерными особенностями которой являлись протяженные чередующиеся элементы (т. е. с большим отношением длины к ширине) с минимальными размерами 10 мкм, отстоящие друг от друга на таком же расстоянии. Контроль качества сформированной металлической разводки проводили на микроинтерферометре МИИ-4. The contact mask was removed from the photoresist during the formation of the topological pattern by immersing the substrate in dimethylformamide, in which it was held until the metal lying on the contact mask was completely detached. As the test structure, a microassembly board was used, the characteristic features of which were extended alternating elements (i.e., with a large ratio of length to width) with a minimum size of 10 μm, spaced at the same distance from each other. The quality control of the formed metal wiring was carried out on a MII-4 microinterferometer.

Время, необходимое для оптимальной засветки единичного слоя фоторезиста определяли экспериментально на пробных подложках. Установлено, что для экспонирования второго слоя при данных материалах и режимах пленкообразоания необходима величина экспозиции, равная 30 с. Исходя из этого, соответственно задавали продолжительность засветки первого слоя без фотошаблона. Контролируемыми параметрами, по которым оценивали эффективность предлагаемого способа фотолитографии, являлись размер элемента в его верхней части (l₁), в нижней части ( l₂) и величина неровности края (δ). В качестве обобщенного параметра оценивалась величина

, характеризующая зону нарушения контура элемента.The time required for optimal illumination of a single photoresist layer was determined experimentally on test substrates. It was found that for exposure of the second layer with these materials and film formation modes, an exposure value of 30 s is required. Based on this, the exposure time of the first layer without a photomask was set accordingly. The controlled parameters used to evaluate the effectiveness of the proposed photolithography method were the size of the element in its upper part (l ₁ ), in the lower part (l ₂ ) and the value of the edge roughness (δ). As a generalized parameter, the quantity

characterizing the zone of violation of the contour of the element.

Пример 1. На пробных пластинах в диапазоне фотографической широты фоторезиста ФП-051 МК (т.е. когда время экспонирования обеспечивает минимальное искажение геометрических размеров элементов скрытого изображения в слое фоторезиста) определяли величину экспозиции. При заданных исходных характеристиках раствора фотоматериала, скорости вращения центрифуги, находившейся в пределах 5000 + 10% освещенности создаваемой лампой установки ЭМ-576 (на уровне 3,5•10⁴ лк), при толщине слоя фоторезиста 0,8 - 0,9 мкм необходимая величина экспозиции второго (экспонируемого через фотошаблон) слоя составило 30 с. На основании этих данных варьировали величину экспозиции первого слоя. Температура ИК-сушки слоев составляла 115 - 120^oC, продолжительность 6 мин.Example 1. On the test plates in the photographic latitude range of the FP-051 MK photoresist (that is, when the exposure time provides minimal distortion of the geometric dimensions of the latent image elements in the photoresist layer), the exposure value was determined. For the given initial characteristics of the solution of the photographic material, the rotation speed of the centrifuge, which was within 5000 + 10% of the illumination created by the lamp of the EM-576 installation (at the level of 3.5 • 10 ⁴ lux), with a photoresist layer thickness of 0.8 - 0.9 μm required the exposure value of the second (exposed through a photomask) layer was 30 s. Based on these data, the exposure value of the first layer was varied. The temperature of the infrared drying of the layers was 115 - 120 ^o C, the duration of 6 minutes

Режимы обработки и результаты формирования металлических пленочных элементов представлены в таблице. Processing modes and the results of the formation of metal film elements are presented in the table.

Из таблицы видно, что наилучшие результаты изготовления элементов обеспечиваются при уровне экспонирования 0,5 0,6 от значения величины экспозиции второго слоя. The table shows that the best results of the manufacture of elements are provided at an exposure level of 0.5 to 0.6 of the value of the exposure of the second layer.

Пример 2. (прототип)
На подложку наносили слой фоторезиста ФП-051 МК толщиной 0,8 мкм, высушивали при температуре 115 120^oC в течение 6 мин. Производили экспонирование фоторезиста при освещенности 3,5•10⁴ лк в течение 30 с. После этого производили ИК -термообработку при температуре 180^oC в течение 2 мин, при которой происходило разложение светочувствительного компонента резиста. Наносили второй слой фоторезиста толщиной 0,8 мкм и производили его экспонирование через фотошаблон при освещенности 3,5•10⁴ лк в течение 30 с. Скрытое изображение проявляли 0,6% растворе KOH. Время проявления 5 мин. Края элементов маски четкие и ровные. После нанесения слоя металлизации при обработке в диметилформамиде рисунка разводки получить не удалось.Example 2. (prototype)
A layer of photoresist FP-051 MK with a thickness of 0.8 μm was applied to the substrate, dried at a temperature of 115-120 ^° C for 6 minutes. Photoresist was exposed under illumination of 3.5 • 10 ⁴ lux for 30 s. After that, IR heat treatment was performed at a temperature of 180 ^° C. for 2 minutes, at which the photosensitive component of the resist decomposed. A second layer of photoresist with a thickness of 0.8 μm was applied and exposed through a photomask at a light of 3.5 • 10 ⁴ lux for 30 s. The latent image showed a 0.6% KOH solution. Development time 5 min. The edges of the mask elements are clear and even. After applying a metallization layer during processing in dimethylformamide, wiring patterns could not be obtained.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более технологичное формирование резистивной маски для "взрывной" фотолитографии пленочных элементов. Thus, the claimed technical solution in comparison with the prototype provides a more technologically advanced formation of a resistive mask for "explosive" photolithography of film elements.

Claims

A photolithography method, including applying a photoresist layer to a substrate, drying it, exposing without a pattern, applying a second photoresist layer, drying, exposing through a pattern and developing a pattern in a two-layer film, characterized in that the exposure value of the first photoresist layer t _e _{1 is} chosen equal to (0 , 5 0.6) t _e ₂ , where t _e _{2 is the} value of the exposure of the second layer in the photographic latitude range of the applied photoresist.