Глава 5 

ФОТОЛИТОГРАФИЯ

5.1. Предназначение и същност на фотолитографията

      Заплануваният   в   технологичната   схема   фотолитографски   процес 
позволява селективно извършване на следващата операция. В най-общия 
случай   под  

фотолитография  

се   разбира   прехвърлянето   на   желаната 

топология,   възникнала   в   резултат   на   конструктивно   пресмятане   върху 
повърхността на полупроводниковата пластина. Като типичен фотографски 
процес фотолитографията служи за създаване на изображение в нанесения 
върху пластината фоточувствителен слой. Поради химичните свойства този 
слой служи като защитна маска за прехвърляне на полученото изображение 
в полупроводниковия материал или в метален слой, или в диелектрично 
покритие, разположено на повърхността на пластината. Покритието може 
да бъде например от силициев двуокис или силициев нитрид за получаване 
на отвори за по-нататъшна обработка чрез дифузия. Металните слоеве се 
използват   за   получаване   на   провеждащи   шини   и   контакти.   Основните 
предимства   на   фотолитографския   метод   се   определят   от   възможността, 
която той предлага за създаване на прибори с произволна конфигурация, от 
голяма   прецизност   на   размерите,   от   произволното   разположение   и   най-
важното   от   възможността   за   групова   обработка   на   структури   върху 
полупроводниковата пластина. 

5.2. Методи на фотолитография

5.2.1. Контактна и проекционна фотолитография

      Съвременната   полупроводникова   технология   разполага   с   различни 
методи за засветяване (експониране) на повърхност с нанесен върху нея 
фотолак.  

Контактната   фотолитография  

е по-стара.  Тя  удовлетворява 

все още до голяма степен изискванията на полупроводниковата технология, 
но   вече   се   явява   пречка   за   по   –   нататъшната   миниатюризация   на 
полупроводниковите   прибори.   Освен   това   тя   в   голяма   степен   влияе 
отрицателно върху рандемана на производство, тъй като по този метод е 
невъзможно   да   се   избегне   допирът   между   нанесения   върху 
полупроводниковата   повърхност   фотолак   и   шаблона.   При 
последователната обработка на пластините броят на дефектите нараства и 
след 10 до 20 експонирания шаблонът не може да бъде използван повече и 
трябва да бъде заменен. В резултат на това се оскъпява производството. 
    На фиг. 5.2 е показан принципът на контактната фотолитография. Преди 
засветяването шаблонът 2 се съвместява с полупроводниковата пластина 
3, като за целта се използват допълнителни репери. При съвместяването се 
взема под внимание чувствителността на човешкото око към паралелност 
на   прави.   Реперите   се   правят   с   подходяща   геометрия,   така   че   лесно   и 

удобно   да   може   да   се   осъществява   този   процес.   Съвместяването   се 
извършва   обикновено   на   минимално   разстояние,   примерно   10

÷

20  

µ

m, 

което   позволява   все   още   едновременно   фокусиране   на   шаблона   и   на 
повърхността   на   пластината   и   взаимното   им   движение   с   хоризонтална 
разрешаваща способност на площ до няколко квадратни милиметра. Това 
означава,   че   свързаните   с   тези   параметри   увеличение   V   и   апертура   A 
трябва   да   бъдат   подходящо   подбрани   [212,   223].   Хоризонталната 
разрешаваща   способност  

∆

min

  се   изчислява   по   следния   начин: 

∆

мin

=1,22

λ

/2A

≈

0,33  

µ

m/A   за  

λ

=0,5  

µ

m.   Вертикалната   разрешаваща 

способност   се   състои   от   три   съставки   –   вълнова   T

u

=

λ

/2A

2

,   геометрична 

Т

g

=150  

µ

m/AV   и   акомодираща,   която   се   изразява   чрез   T

a

=250   nm/v

2

.   За 

V=1000   A   и  

λ

=0,5  

µ

m   се   получават   T

общ

=0,65  

µ

m/A

2

≈

7(

∆

min

)

2

.   За 

съвместяването   на   структури   с   размери   от   5   до   10  

µ

m   е   необходима 

хоризонтална разрешаваща способност  

∆

min

  от около 1  

µ

m. Това означава 

апертура  А

≥

0,2  и  вертикална  разрешаваща  способност  Т

общ

≈

16  

µ

m.  При 

необходимост от 

∆

мin

<1 

µ

m трябва да се увеличи апертурата A, което води 

до   намаление   на   Т

общ

,   т.   е.   до   намаление   на   разстоянието   между 

пластината и шаблона по време на съвместяване. Поради съществуващата 
кривина на полупроводниковата повърхност не е възможно това разстояние 
да се намалява. Трябва да се прибави и допълнителното изкривяване и 
разместване,   което   се   получава   при   придвижването   за   прилепване   на 
пластината към шаблона по време на засветяване [4, 5].тези недостатъци 
се избягват при проекционното съвместяване (фиг. 5.1). при този метод с 
помощта   на   проекционен   обектив   3,   6   изображението   от   шаблона   2   се 
проектира върху полупроводниковата повърхност 4 т. е. пластината, която 
трябва   да   бъде   съвместена,   се   намира   винаги   в   равнината,   в   която   се 
проектира шаблонът. 

5.2.2. Технологична схема на фотолитографски процес

   На фиг. 5.3 е показан най-общият принцип на фотолитографския процес и 
на   изготвяне   на   фотошаблони.   Изходен   пункт   при   изготвяне   на 
фотошаблона е рисунката на желаната конфигурация. Този конструктивен 
чертеж се прави в необходимото увеличение, обикновено 200:1, снабдява 
се   с   необходимите   репери   и   се   подава   на   ръчен   координатограф   или   с 
помощта на перфоленти – направо на автоматичен координатограф. При 
съвременната   фотолитография   чрез   програмно   устройство   може   да   се 
управлява направо електронен лъч, както е при електронната литография. 
При нея чрез придвижване на електронен лъч изображението се “изписва” 
върху фоточувствителния слой.
      Традиционният   начин   за   създаване   на   фотошаблони   включва 
първоначално намаление (I редукция) на работния чертеж, обикновено 20:1 
(10:1),   последвано   от   мултипликация   с   помощта   на   репитер   върху 
емулсионна фотоплака, съпроводено с още едно намаление (II редукция) 
например 10:1 за случая когато работният чертеж е бил с увеличение 200:1. 

    Като пример за обработка на фотолаковете ще разгледаме обработката 
на   лаковете   AZ1350  

и   AZ1350H.   Това   са   позитивни   лакове   с   голяма 

разрешаваща   способност,   характеризираща   се   с   ясно   очертана 
конфигурация на ръба на покритието, леко проявяване и отстраняване след 
завършване   на   фотолитографския   процес   [221,   222,   237].   Лаковете   се 
използват по показаната на фиг. 5.3 технологична схема. Нанасянето на 
лака, изсушаването, засветяването и проявяването трябва да се извършат 
в   помещение   защитено   от   дневна   светлина.   На   фиг.   5.4   са   показани 
границите на използване в зависимост от дебелината на лаковото покритие. 
По-голяма   разрешаваща   способност   може   да   бъде   достигната   чрез 
използване на по-тънки покрития.
      За   да   се   постигне   оптимална   адхезия   на   лака   особено   важно 
повърхността върху,  която ще бъде нанасян да бъде чиста и суха.  Една 
примерна процедура е следната: потопяване в кипящ трихлоретилен за 2 
min, потопяване във втора баня от кипящ чист трихлоретилен, изсушаване с 
пречистен   въздух   или   азот,   изсушаване   при   120  

0

C   в   суха   атмосфера   и 

темпериране в ексикатор до нанасяне на лака.
      Използват   се   главно   два   метода   за   нанасяне   на   лак   –   нанасяне   с 
центрофуга и нанасяне чрез пулверизиране. В някои случаи се използва и 
нанасяне   чрез   потопяване.   В   табл.   5.1   е   показана   зависимостта   на 
дебелината   на   покритието   за   двата   лака   от   честотата   на   въртене   на 
центрофугата.   Най-добро   качество   на   фотолитографията   се   получава 
когато лаковете се нанасят без допълнително разреждане при равномерно 
разтичане по повърхността.

Таблица 5.1

Честота на въртене, s

-1

Дебелина, 

µ

m

AZ 1350

AZ 1350H

33,3

0,74

1,87

50

0,6

1,51

66,7

0,51

1,32

83,3

0,42

1,19

   Нанасянето на лак чрез потопяване зависи до голяма степен от формата 
и големината на повърхността, върху която трябва да бъде нанесен лакът. 
При нанасянето на лака чрез пулверизиране се работи с пречистен въздух 
и с налягане от 20

÷

27.10

4

  Pa (2,1 до 2,8 at) нанесеният по този начин лак 

трябва веднага да бъде поставен в пещта за изсушаване, за да може да 
продължи неговата “обработка”. Както и при нанасянето с центрофуга, и тук 
не   се   препоръчват   разреждания   освен   в   случаите,   когато   трябва   да   се 
получат   по-тънки   слоеве.   Общо   за   всички   методи   е   необходимостта   от 
филтруване   на   лака.   При   дълго   съхраняване   или   продължително 
използване  в  резултат   на  вътрешна   полимеризация  в  него  се  получават 

твърди субстанции. При “стар” лак се препоръчва нанасяне чрез подходящи 
филтри, които позволяват отфилтрирането на частици, по-големи от 0,6 

µ

m.

      Най-широко   разпространен   метод   за   изсушаване   е   използването   на 
продухвана с азот пещ при температура 60 – 65

0

C. Времето за изсушаване 

зависи   от   дебелината   на   покритието.   По-тънките   слоеве,   които   се 
получават при нанасянето с центрофуга, изискват 5 – 10 min, по-дебелите 
до 30 min. Пещта трябва да работи с филтриран азот, за да може да се 
осигури отвеждане на летливите съставки на фотолака, каквито обикновено 
са   разтворителите.   Друга   възможност   за   изсушаване   на   лака   е 
използването   на   инфрачервена   лампа,   например   250   W,   с   дължина   на 
вълната 800 nm, насочена от около 30 cm към работната повърхност. За 
лабораторни условия се препоръчва такава лампа да се монтира директно 
над центрофугата, което облекчава работата и осигурява добри условия. 
Тънките покрития изискват при този начин време за изсушаване от 3 до 5 
мin,   а   дебелите   от   5   до   15   мin.   Оптималното   време   за   изсушаване 
независимо от това, какъв метод се използва се определя с помощта на 
серия   от   опити,   като   при   това   се   спазват   еднакви   условия   на 
предварителната обработка. От друга страна, критерий за оптимално време 
на   изсушаване   са   образците   с   най-голяма   разрешаваща   способност   и   с 
най-голяма рязкост на ръбовете на покритието. 
      В   зависимост   от   параметрите   на   използваната   апаратура   времето   за 
засветяване   може   да   бъде   от   няколко   секунди   до   няколко   минути. 
Оптималната чувствителност на фотолака обикновено е в границите 340 – 
450 nm. Засветяването зависи от различните параметри, които са свързани 
главно с фотохимичната реакция на покритието. Времето за засветяване 
зависи от спектъра на лампата, нейната интензивност, дебелината, цвета и 
отражателната   способност   на   покритието,   поглъщането   на   светлина   от 
самата оптична система, стъклото на шаблона, оптиката на микроскопа и т. 
н.   В   полупроводниковата   технология   обикновено   се   използват   живачни 
лампи от 200 W. За покритие, нанесено при 50 s

-1

, времето за засветяване е 

обикновено между 15 и 25 s. 
     Засветеният лак  се проявява по няколко различни  метода. Във всеки 
случай в резултат на засветяването и на протеклата фотохимична реакция 
се   изменят   химичните   свойства   на   покритието.   Това   е   същността   на 

проявяването

,   което   протича   в   течна   среда,   като   се   използват   или 

оригинален проявител, или разтвор, приготвен по рецепта. Важно условие 
за   осигуряване   на   добро   качество   на   фотолитографския   процес   е 
температурата на проявителя. Обикновено тя е в границите от 15 до 22

0

C. 

След проявяването за прекъсване на процеса пластината се измива с вода 
и   се   изсушава.   За   проявяване   в   оригинален   проявител   на   покрития, 
нанесени с центрофуга при 50 s

-1

, са необходими 4 до 5 s. При увеличаване 

на дебелината на покритието това време може да достигне и до 45  s (за 
покритие с дебелина до 2,5  

µ

m). Определянето на оптималното време за 

процеса   е   свързано   с   най-важните   параметри   на   фотолитографията   – 
разрешаващата способност и рязкостта на релефа. Гарантирането на тези 
параметри е критерий за правилно проявяване.