автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Анализ и оптимизация фотолиграфических процессов при флуктуации параметров фоторезистной пленки

РГ6 од О 9 ФЕВ Ш8

На правах рукописи

ГЛЙНУДЛИНА НАТАЛЬЯ РОМАНОВНА

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФЛУКТУАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ФОТОРЕЗИСШОЙ ПЛЕНКИ

Специальность 05.12.21 Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1998

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

V-

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Н.З.Сафиуллин доктор технических наук, профессор И.К. Насыров ; кандидат физико - математических наук, с.н.с. И.Г. Замалеев Казанский научно - исследовательский радиотехнологический институт.

Защита состоится "_" 1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета ССК 063.09.02 Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент /В.А.Козлов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Состояние рынка продукции микроэлектроники на сегодняшний день свидетельствует о том, что уровень развития производства интегральных схем (ИС) постоянно изменяется, совершенствуется и определяется качеством литографического оборудования и уровнем развития технологии фотолитографии, которая сохраняет лидирующее положение в производстве.

Развитие литографии идет по пути как разработки новых , так и совершенствования традиционных методов оптической микролитографии. Детерминированный подход к методам литографии хорошо разработан и изучен. Следующий этап развитая связан со статистическим подходом.

Ключевым моментом современной фотолитографии, определяющим точность и процент выхода годных изделий, является качество фотошаблона.

Проведенный анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день практически отсутствуют сведения об использовании статистического подхода к анализу явлений, происходящих при переносе изображения с фотошаблона при флуктуации толщины светочувствительного слоя, с целью проведения оптимального синтеза фотошаблона, поэтому возрастает значение работ, связанных с этими вопросами.

Учитывая изложенное, направление исследований в области совершенствования традиционных методов фотолитографии с применением статистического анализа явлений, сопровождающих перенос рисунка фотошаблона при флуктуации параметров пленки

фоторезиста, с целью оптимального синтеза фотошаблона является актуальным.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является повышение точности переноса рисунка фотошаблона при флуктуации параметров пленки фоторезиста.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработка математической модели процесса пленкообра-зования фоторезиста и оптимизация процесса.

2. Разработка методики статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3. Построение экспериментально- аналитической модели плотности распределения толщины фоторезистной пленки по подложке.

4. Исследование процесса переноса рисунка фотошаблона через пленку фоторезиста в условиях флуктуации ее толщины.

5. Оптимальный синтез фотошаблона.

Основные методы исследования.

При решении поставленных задач использовались следующие методы: капиллярной вискозиметрии при определении вязкости фоторезиста; микроинтерферометрии для измерения толщины пленок фоторезиста; планирования эксперимента и математической статистики для построения математической модели и оптимизации процесса пленкообразования фоторезиста; электронно-микроскопический метод для определения геометрических размеров элементов микросхем.

Для получения плотности распределения толщины фоторе-зистной пленки и ширины элемента микросхем использовались методы теории вероятностей, математической статистики и полигауссовы модели. '

Научная новизна работы представлена следующими результатами, которые выносятся на защиту:

1. Разработана математическая модель процесса пленкообра-зования фоторезиста, осуществлена оптимизация этого процесса для конкренного технологического оборудования проблемной лабораторий КГТУ им. А.Н.Туполева.

2. Разработана методика статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3. Разработан экспериментально - аналитический метод описания плотности распределения толщины фоторезистной пленки по подложке на основе использования полигауссовых моделей.

4. Получена плотность распределения геометрических размеров рисунка микросхем , в частности, ширины, зависящая от параметров технологического процесса фотолитографии.

5. Предложен один из путей оптимального синтеза фотошаблона, заключающийся в изменении геометрических размеров рисунка фотошаблона для каждой зоны в зависимости от толщины пленки фоторезиста.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- определены оптимальные режимы процесса нанесения пленки фоторезиста центрифугированием для конкретного технологического оборудования;

- получены численные оценки параметров полигауссова распределения толщины фоторезисшой пленки и ширины элемента рисунка микросхемы;

- разработан и изготовлен оптимальный фотошаблон, отличающийся от стандартного тем, что заданные геометрические размеры рисунка фотошаблона предискажены в соответствии с флуктуацией толщины пленки фоторезиста;

- представлен сравнительный анализ цифровых данных, свидетельствующий о сокращении на 20 % величины разброса сопро-

' тивлений тонкопленочного терморезистора (ТТР) при использовании оптимального фотошаблона.

Реализация результатов.

Теоретические и практические результаты работы внедрены в КПКБ ( г. Казань ), в ЦПКБ "Тёплоприбор" ( г.Казань ), где разработаны техпроцессы изготовления ТТ?, тензодатчиков, использующие предложенный оптимальный синтез фотошаблона; в АООТ Казанский институт фотоматериалов ( г. Казань ) и в учебном процессе кафедры ТРЭС КГТУ им. А.Н. Туполева.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно - технической конференции "Модель -проект 95" ( г. Казань, . 1995 г. ), на международном научно - техническом семинаре "Новые технологии - 96" ( г. Казань, 1996 г. ), на юбилейной научной и научно - методической конференции, посвященной 65 - летию КГТУ им. А.Н.Туполева "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования", ( г. Казань, 1997 г.).

Публикации. "

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, полу, чено 2 авторских свидетельства СССР на изобретения и 1 решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и приложений, содержит 114 страниц машинописного текста, в том числе 34 рисунка. Общий объем работы составляет 132 страницы машинописного текста.

• /

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований: статистический анализ процесса фотолитографии с целью оптимального синтеза фотошаблона, определена цель и основные задачи исследования, приводится структура работы.

В первой главе приводится анализ состояния рынка продукции микроэлектроники, который постоянно изменяется и определяется развитием производства, зависящего от уровня развития технологии фотолитографии и качества литографического оборудования. По мнению специалистов, особое внимание, уделяемое ведущими фирмами оборудованию для фотолитографии, объясняется тем, что стоимость литографических операций достигает 35% от общей стоимости ИС. Показано, что фотолитография до настоящего времени остается ведущей технологией изготовления микросхем.

Рассмотрен технологический процесс фотолитографии: технологическая схема, материалы, оборудование , их перспективные пути развития. На основе анализа литературных данных показано, что точность воспроизведения конфигурации тонкопленочных эле-

ментов не всегда отвечает требованиям, предъявляемым к их качеству. Это зависит от различных факторов, из которых наибольшее значение имеют параметры пленки фоторезиста, условия экспонирования и режимы травления. На стадии нанесения фоторезиста важную роль играют его толщина и равномерность распределения ее по поверхности подложки. Однако анализ литературных источников показал, что к настоящему времени известно мало работ по исследованию влияния отклонений по толщине фоторезист-ной пленки на точность передачи микроизображения в фотолитографическом процессе; о применении статического подхода к анализу этих явлений; об оптимальном синтезе фотошаблона, позволяющего повысить процент выхода годных изделий. Впервые идея использования статистического анализа явлений, сопровождающих процесс переноса рисунка фотошаблона при изготовлении микросхем в части оптимального синтеза фотошаблона, была предложена в работах Н.З. Сафиуллина.

На основании проведенного анализа формулируются задачи диссертационной работы.

Вторая глава, " Математическое моделирование и оптимизация процесса пленкообразования фоторезиста", включает исследование процесса нанесения фоторезиста методом центрифугирования, разработку математической модели с целью оптимизации процесса. Проведено обоснование выбора методики измерения толщины пленок фоторезиста, показано, что оптический метод измерения с использованием микроинтерферометра МИИ - 4 характеризуется простотой обслуживания и высокой точностью .

Разработка математической модели процесса пленкообразования фоторезиста осуществлялась с применением полного факторного эксперимента. Первоначально для математического описания

было использовано уравнение регрессии, содержащее линейные члены.

На основе априорных сведений о технологическом процессе и предварительных экспериментов в качестве независимых переменных были выбраны следующие факторы:

(

Х: - вязкость фоторезиста,

Х2 - скорость вращения центрифуги,

Х3 - температура в зоне пленкообразования,

Х4 - время центрифугирования.

Основные характеристики плана эксперимента представлены

в таблице 1.

1 Таблица I

Уровни варьирования Вязкость, соотношение ф/р : растворитель Скорость вращения центрифуги, об/мин Температура, град. С Время вращения центрифуги, с

Основной уровень 3:1 2500 25 40

Шаг варьирования 1 мл ф/р 500 - . '5 10

Нижний уровень 2:1 2000 20 30

Верхний уровень 4: 1 3000 30 50

В качестве выходного параметра принималась разнотол-щинносгь пленки фоторезиста у, определяемая как разность между толщинами пленки в центре подложки у0 и по краям у*

У = У*-Уо.

Значения толщин в четырех точках по краям подложки усреднялись.

Математическое описание процесса пленкообразования фоторезиста в виде многочлена первой степени оказалось неадекватным. Для адекватного математического описания в этом случае был

использован отрезок ряда Тейлора , содержащий члены с квадратами переменных:

у='Ьо + 2Ь!Х| + 2Ь^х^ , (1)---------

где у - разность между толщинами пленки в центре подложки и по краям; XI - независимые факторы.

Для определения коэффициентов регрессии использовалось ротатабельное центральное композиционное планирование.

Полученное уравнение регрессии второго порядка, которое является математической моделью процесса пленкообразования, имеет вид:

у = 0,0394 + 0,02x1 - 0,0183x2 + 0,012х* + 0,0262x1 х2+ 0,0187x1 х4 + 0,0112x2 х4+ 0,0222х12 +0,0179х2г +0,0095хзг . (2)

На основе анализа уравнения (2) определены оптимальные параметры процесса пленкообразования фоторезиста:

XI = 4,0 мм7с (2,5 : 1); Х2 = 2900 об/мин; Хз = 23°С; Хд = 35с. В третьей главе 'Экспериментально •• аналитический метод определения вероятностных характеристик толщины фоторезист-ных пленок" представлены результаты использования этого метода. На основании анализа распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки сделан вывод о том, что процесс пленкообразования методом центрифугирования на участках подложки, находящихся на различных расстояниях от центра, происходит при разных условиях. Согласно теории смесей гауссовских распределений разброс толщины пленки фоторезиста по всей поверхности подложки, то есть , по всем вместе взятым условным зонам, можно описать смесью гауссовских распределений в дискретной форме:

где q11 - взвешивающие сомножители, имеющие смысл дискретных распределений вероятности и удовлетворяющие условиям нормировки

N и-!

М/Сс^т^ст,,) - гауссовские плотности вероятностей, различающиеся значениями параметров;

N - число гауссовских распределений, соответствующее числу зон на подложке.

Подробная запись выражения (3) представляется в виде

- «л2

2<г.

(4)

где тп, ст, - среднее значение и среднекв адратическое отклонение толщины пленки фоторезиста в п - й зоне.

После экспериментального нахождения оценок параметров распределения выражение (4) может быть использовано для определения разброса толщины пленок фоторезиста в условиях конкретного технологического процесса.

Для статистического исследования распределения толщины пленок фоторезиста по поверхности подложки была разработана методика, в соответствии с которой были получены оценки параметров полигауссова распределения (таб.2).

Таблица 2

N объед. зоны 1 зона 2 зона 3 зона 4 зона

т 0,766 0,807 0,824 0,853

о 0,079 0,084 0,109 "0,118

. . Я 1/6 1/3 1/6 1/3

С учетом полученных оценок выражение (4) запишется следующим образом:

(¿-0.766)2 (Л-0,807)г

= _-—^е 20'т2 +--—2ода2 +

6 • 0,079 • а/2яг 3-0,084-л/2*

(¿-0,824): (¿-0.833)2

1 с 20.1092 , , 1 с 2 0,1182

■ 6 0,1093-0,118 л/2^

Этб выражение характеризует полигауссову плотность распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки. -

В четвертой главе " Анализ процесса фотолитографии и оптимальный синтез фотошаблона" приводятся результаты статистического анализа процесса фотолитографии. Показаны функциональные преобразования размеров рисунка фотошаблона в процессах экспонирования, проявления и травления. Получены математические модели геометрических размеров рисунка, а также плотности их распределений, которые позволяют перейти к решению задачи оптимального синтеза фотошаблона. На основе предложенного механизма формирования фоторезистной пленки, изменения ее толщины при перемещении от центра подложки к периферии , был синтезирован оптимальный фотошаблон для фотолитографии. Сущность разработки заключается в следующем: геометрические размеры элемента микросхемы на фотошаблоне предварительно искажаются в соответствии с изменением толщины плешей фоторезиста по следующей зависимости:

где Ьц - ширина рисунка элемента на фотошаблоне;

Ьи - заданная ширина рисунка; k = 1 - для негативного фоторезиста; к = 2 - для позитивного фоторезиста; С - искажение геометрического размера рисунка,

а4(г)ЛiiaizVWI.M);

1 ämax b0i

d - толщина пленки фоторезиста; г -радиальная координата;

d(r) - функция зависимости толщины пленки фоторезиста от радиальной координаты, определяется экспериментально для конкретной установки нанесения фоторезиста;

dnux - максимальная толщина пленки фоторезиста; X - длина волны света;

ht - коэффициент, зависящий от типа фоторезиста, изменяется в пределах 0 < ht < i, корректируется по результатам эксперимента.

Предложенный синтез, фотошаблона в существенной мере решает задачу увеличения процента выхода годных микросхем с одной подложки за счет того, что в процессе фотолитографии перенос рисунка микросхемы осуществляется с учетом изменения толщины пленки фоторезиста при удалении рисунка элемента от центра подложки к периферии. На предложенный способ изготовления фотошаблона получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Для конкретного технологического процесса значение искажения ширины линии рисунка микросхемы С было определено экспериментально. На основании этих значений был синтезирован и изготовлен оптимальный фотошаблон.

Для определения влияния оптимизации фотошаблона на выходные параметры тонкопленочного терморезистора (ТТР) были изготовлены образцы микросхем с применением стандартного и оптимального фотошаблонов. Замеры сопротивлений ТТР производились с помощью двухзондового контактного устройства и вольтметра В7 - 21 с погрешностью при измерении по шкале сопротивлений 0,5%. Сравнительные результаты разброса параметров представлены в таблице 3.

Таблица 3

Параметры терморезистора Стандартный фотошаблон Оптимальный фотошаблон Разброс в абсол. ея. Разброс в относ, ед.

Ширина элемента ±1,5% ±1,0% ±0,5% 30%

Сопротивление ±3,0% ±2,4% ±0,6% 20%

В результате сравнения средних значений сопротивлений ТТР выяснилось, что применение оптимального фотошаблона позволило сократить разброс электрического параметра на 20% .

Предложенная методика для оптимального синтеза фотошаблона, учитывающего разнотолщинность фоторезиста по поверхности подложки,' может быть распространена для дальнейшего оптимального синтеза фотошаблона, учитывающего неревномер-ность резисгивных и проводящих слоев.

Заключение содержит основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы .

/

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель процесса пленкообра-зования фоторезиста методом центрифугирования для конкретного технологического оборудования. Определены оптимальные параметры процесса.

2. Разработана методика статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3. Разработан экспериментально - аналитический метод описания плотности распределения толщины фоторезистной пленки по подложке на основе использования полигауссовых моделей.

4. Получено описание плотности распределения ширины линии рисунка микросхемы в виде полигауссовой модели. Определены оценки параметров полигауссовой плотности распределения ширины линии элемента рисунка.

5. Предложен один из путей оптимального синтеза фотошаблона, заключающийся в изменении геометрических размеров ра-сунка фотошаблона для каждой зоны в зависимисти от толщины пленки фоторезиста.

ПЕРЕЧЕНЬ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гайнуллина Н.Р., Федорина И.А., Галеев P.A. и др. Исследование процесса пленкообразованйя из растворов триацетата целлюлозы повышенной концентрации. I Сб. научных трудов ГосНИ-Ихимфотопроекта. - М. - 1985. - с. 172.

2. И.П.Беккер, Н.Р.Гайнуллина, М.В.Римашевский. Исследование процесса перемешивания в статических смесителях. / Тезисы докладов научно - технической конференции КазНИИтехфотопро-ект "Исследования в области химико - фотографической науки и практики" . - Казань, 1984. - 106 с.

3. A.C. СССР N 1060620 МКИ С08 В 3 / 06 . Установка для получения пленкообразующего раствора триацетата целлюлозы. / Галеев P.A., Аюпов Р.Ш., Кудрявцев Н.М., Гайнуллина Н.Р. и др.// Б.И. N46,1983.

4. Д.С. СССР N 1191099 МКИ В01 F 5 / 00. Статический смеситель. / Беккер И.П., Гайнуллина Н.Р., Римашевский М.В., Гу-салов В.Д.//Б.И. N42 , 1985.

5. Сафиуллин Н.З., Гайнуллина Н.Р., Федосеева Н.Я. Математическая модель процесса переноса рисунка фотошаблона на светочувствительный слой. Тезисы докладов научно-технической конференции " Модель : проект 95". - Казань, 1995.

6. Сафиуллин Н.З., Гайнуллина Н.Р., Федосеева Н.Я. Моделирование технологического процесса получения рисунка микросхемы с фотошаблона на пленках фоторезиста. Тезисы докладов международного научно - технического семинара "Новые технологии - 96". - Казань, 1996.

7. Гайнуллина Н.Р., Сафиуллин Н.З., Федосеева Н.Я. Анализ технологического процесса фотолитографии. Тезисы докладов юбилейной науч. и научно - метод, конференции, посвященной 65 -летию Kl ТУ им. А.Н.Туполева "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования". - Казань, Казанск. гос. техн. ун - т, 1997.

8. Гайнуллина Н.Р. Математическая модель процесса плен-кообразования фоторезиста. Тезисы докладов юбилейной науч. и

научно - метод, конференции, посвященной 65 - летию КГТУ им. А.Н.Туполёва "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования". - Казань, Казанск. гос. техн. ун - т, 1997. .'

9. Гайнуллина Н.Р., Сафиуллин Н.З., Федосеева Н.Я., Вали-това Ф.К. Анализ процесса фотолитографии в условиях флуктуации толщины светочувствительного слоя. / Препринт 97П2. - Казань, Казанск. гос. техн. ун- т, 1997. - 24 с.

Формат 60x64 1/16. Бумага7офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Уся.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,93. Уч.-изд.л.О,#

Тираж 100. Заказ 24]Р2.6

Издательство Казанского государственного технического университета

Типографии Издательства Казанского государственного . технического университета. 420111, Казань, К.Маркса,10.