2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИЗУЧЕНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТА В ВЧ-РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 2.1. Цель работы Практическое изучение процесса удаления сплошной пленки фоторезиста с поверхности кремниевых пластин в кислородной плазме ВЧ-разряда низкого давления на установке «Плазма-600». 2.2. Теоретические сведения Фоторезист (ФР) представляет собой светочувствительное органическое вещество, используемое в планарной технологии микроэлектроники в качестве защитной маски при избирательном вытравливании окон (рис. 2.1) в диэлектрических пленках SiO2 или Si3N4 для проведения избирательной диффузии в полупроводниковую пластину, а также в пленке Al в процессе металлизации. 1 p 5 2 6 3 7 4 8 n p Рис. 2.1. Фотолитографический процесс при создании планарного p-n перехода: 1 – исходная полупроводниковая пластина; 2 – нанесение диэлектрической пленки SiO2; 3 – нанесение фоторезиста; 4 – экспонирование фоторезиста через фотошаблон; 5 – проявление фоторезиста; 6 – избирательное плазменное травление SiO2 через маску фоторезиста; 7 – диффузия примеси через маску SiO2; 8 – удаление пленки фоторезиста Роль фоторезиста в фотолитографическом процессе наглядно иллюстрируется последовательностью технологических операций при создании планарного p–n-перехода (рис. 2.1). Интересующий нас процесс удаления фоторезиста изображен операцией 8. Из рис. 2.1 следует, что защитная маска фоторезиста должна быть стойкой к реакционной среде, с помощью которой производится травление SiO2. Отме- тим, что фоторезист первоначально был разработан и использовался в жидкостно-химическом травлении. Он оказался стойким и в плазменной технологии травления. Структурная формула одного из фоторезистов ФП-РН-7 и его наполнителя (новолака) представлены на рис. 2.2. O O N2 N2 I I CH3 S O 2O O O 2S C CH3 I I OH OH CH2 Н о во л ак, напо л нител ь n Рис. 2.2. Структурная формула позитивного фоторезиста ФП-РН-7 Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивный фоторезист (ФП) удаляется с экспонированных ультрафиолетом участков в травителе, так как под действием света разрушаются связи между группами молекул бензольных колец. Негативный фоторезист (ФН) в экспонированных участках полимеризуется и при травлении с этих участков не удаляется. ФП дает позитивное изображение фотошаблона, а ФН – негативное. ФП обладает большим разрешением по сравнению с ФН; последний является более светочувствительным. В историческом плане важно отметить, что процесс «выжигания» пленки ФР в кислородной плазме был первым плазменным технологическим процессом в микроэлектронике (1968 г.). Первоначально этот процесс приводил к сильной деградации приборов из-за незнания механизма процесса. Поэтому, в период с 1972 по 1973 г. от него отказались. И только широкое применение плазменного процесса травления двуокиси кремния (SiО2) и особенно нитрида кремния (Si3N4), разработанных в 1973 – 1978 гг., заставило возвратиться к плазменной технологии, так как жидкостное удаление побывавшей в плазме пленки ФР оказалось невозможным. С 1976 г. большинство зарубежных фирм включило плазменный процесс удаления ФР в качестве базового технологического процесса микроэлектроники. 2 Сущность плазмохимического процесса удаления ФР заключается в следующем. При взаимодействии кислородной плазмы (содержащей в частности атомы кислорода молекулярные ионы кислорода и колебательно возбужденные молекулы кислорода) при температуре в несколько сот градусов происходит процесс окислительной деструкции ФР с образованием летучих компонентов продуктов реакции, которые непрерывно удаляются из реакционной камеры вакуумным насосом. В результате спектроскопических исследований эмиссионного излучения плазмы ВЧ разряда в процессе удаления фоторезиста в кислородно-азотной плазме было установлено наличие следующих компонент: СО, CN, CH, OH, Н, С2, N2, H2, которые затем при выходе из зоны разряда образуют конечные продукты реакции СО2, Н2О, N2. Полагая, что полимерные молекулы фоторезиста преимущественно состоят из фрагментов [–СН–], а СО, СО2 и Н2О являются единственными продуктами реакции, процесс деструкции фоторезиста можно записать следующим образом: [– CH –]n + О2 СО2 + CO + Н2О, (1) или 2[– CH –] + 2О2 = СО2 + CO + Н2О. (2) 2.3. Описание экспериментальной установки «Плазма-600» «Плазма-600», одна из первых отечественных плазменных установок заводского типа, представляет собой полуавтомат, предназначенный для плазмохимической обработки пластин: удаления фоторезиста, травления пленок SiO2, S3N4 и Al, а также для очистки поверхности перед основной операцией без разгерметизации реакционной камеры. Функциональная схема установки «Плазма600» представлена на рис. 2.3. Центральным блоком установки является реакционная камера, представляющая собой кварцевый цилиндр, в который помещаются обрабатываемые пластины. Затем в камеру напускается реактивный газ (О2) и путем непрерывной откачки форвакуумным насосом 2НВР-5Д устанавливается динамическое давление в пределах 50 – 140 Па. Давление в камере измеряется встроенным вакуумметром ВТБ-1. После включения ВЧ генератора в реакционной камере зажигается ВЧ разряд низкого давления и начинается процесс удаления фоторезиста. На передней панели установки размещены элементы индикации и управления: стрелочные приборы, кнопки и выключатели, световые индикаторы, позволяющие устанавливать и поддерживать заданный режим обработки. 3 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 2.3. Функциональная схема плазменной установки «Плазма-600»: 1 – блок управления; 2 – ВЧ генератор; 3 – реакционная разрядная камера; 4 – система напуска газа; 5 – вакуумметр; 6 – клапан вакуумной системы; 7 – вакуумный насос 2.4. Порядок работы на установке «Плазма-600» 2.4.1. Подготовительная работа Ознакомиться с теорией плазменного процесса удаления фоторезиста; изучить устройство и принцип работы плазменной установки «Плазма-600», особое внимание уделить изучению конструкции реакционно-разрядной камеры; определить параметры образца (площадь и толщину пленки фоторезиста). 2.4.2. Порядок включения установки Определить органы управления вакуумно-плазменной установки и порядок ввода установки в рабочий режим. Доложить о готовности начать плазменный процесс преподавателю и изложить предполагаемый порядок действий, с получением разрешения преступить к выполнению. Загрузить в реакционную камеру пластину с фоторезистом и закрыть камеру. Пластину установить на специальной кварцевой подставке с прорезями для ее посадки в центральной части камеры. Включить тумблер «сеть» на блоке управления. Включить тумблер «накал». Включить форвакуумный насос кнопкой «пуск». 4 Открыть клапан вакуумпровода (тумблер 7 перевести в верхнее положение), произойдет соединение насоса с камерой и начнется ее откачка. Через 20-30 секунд включить вакуумметр ВТБ-1 и зафиксировать показание вакуумметра. После 3-4 минутного прогрева накала лампы генератора произвести напуск плазмообразующего газа (кислорода или воздуха) в реакционную камеру через клапан 5. После установления динамического режима прокачки и стабилизации рабочего давления реакционного газа, снять показание вакуумметра (давления в рабочей камере). Зажечь разряд в реакционной камере, плавно поворачивая по часовой стрелке регулятор мощности «М» до упора и появления свечения плазмы. Зарегистрировать по показаниям стрелочных приборов значения анодного и сеточного токов. 2.4.3. Порядок выключения установки: * после проведения процесса удаления фоторезиста погасить разряд в реакционной камере, выведя регулятор «М» на минимум; * отключить напуск реакционного газа (тумблер 5); * выключить вакуумметр, выключить насос кнопкой «стоп»; * разгерметизировать камеру через специальный клапан, удерживая тумблер 7 в нижнем положении; * открыть реакционную камеру и пинцетом извлечь пластину; провести визуальный контроль качества удаления фоторезиста; в случае неполного удаления фоторезиста повторить техпроцесс в течение необходимого времени; * выключить накал; через 5 минут, необходимых для охлаждения генераторной лампы, выключить установку. 2.5. Требования к оформлению протокола Протокол должен содержать: * название работы, Ф.И.О. исполнителей; * химическое уравнение процесса с указанием конечных продуктов реакции и времени удаления, а также площади образца; * схему-чертеж (вид спереди и сбоку) реакционно-разрядной камеры, с указанием расположения обрабатываемой пластины, электродов и схемы протекания газоплазменной среды; * режим работы экспериментальной установки и параметры технологического процесса: давление в реакционной камере, частота колебаний генератора, состав газовой среды, мощность генератора, значения анодного и сеточного токов генераторной лампы; * вывод формулы и расчет плотности потока продуктов реакции (молекул CO, CO2, H2O) в процессе удаления фоторезиста, полагая, что его плотность составляет величину 0,8 г см3; * вывод формулы и расчет коэффициента использования кислорода, считая, что расход плазмообразующего газа был 0,5 см3/с. 5