автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения прозрачных и непрозрачных дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом производстве

Овчинников Вячеслав Алексеевич

Разработка и исследование технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения прозрачных и непрозрачных дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом

производстве

Специальность: 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 НОЯ 2009

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный институт электронной техники (технический университет)» на кафедре "Микроэлектроника".

Научный руководитель:

доктор технических наук В.А.Беспалов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор М.А.Королев

кандидат технических наук Д.Б.Ломоносов

Ведущее предприятие: ОАО «Научно - исследовательский институт молекулярной электроники и завод "Микрон"» (ОАО «НИИМЭ и завод "Микрон"»), г. Москва.

Защита диссертации состоится « /0 »^¿А^суЗ А 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.03 в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, г.Зеленоград, проезд 4806, д.5,

МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан « ^ г » ■гЛлА 2009 г.

Ученый секретарь дисс д.ф.-м.н., профессор

.Б.Яковлев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие электронной техники, в особенности наиболее развивающейся ее части - микроэлектроники, требует неуклонного улучшения технических параметров интегральных микросхем и других изделий, в частности уменьшения проектных топологических норм, которые в настоящее время достигли суб-100 - нм диапазона. Например, зарубежные фабрики Intel, AMD, Infineon, Texas Instruments, Renesas производят интегральные микросхемы (ИС) с проектными нормами до 45 нм.

При производстве указанного класса СБИС важнейшим компонентом технологического оснащения кристального производства является основной инструмент литографического процесса - фотошаблон, представляющий собой металлизированную фотомаску, содержащую топологический рисунок интегральной микросхемы, и используемый для проекционного переноса этого изображения на кремниевую пластину.

Выдающийся вклад в развитие теории изготовления фотошаблонов для полупроводникового производства внесли такие отечественные и зарубежные ученые, как Валиев К.А., Мартынов В.В., Докучаев Ю.П., Алферов Ж.И., Черняев В.Н., Лаврищев В.П., Моро У и др.

В настоящее время вопросами производства фотошаблонов заняты ОАО «НИИМЭ и Микрон», ОАО «Ангстрем-Т», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова». Наиболее известными производителями специального технологического оборудования для производства фотошаблонов являются компании ОМО-КБТЭМ, KLA-Tencor, HamaTech, Applied Materials, Vistee.

Несмотря на значительное число публикаций, некоторые аспекты теории и практики изготовления фотошаблонов остаются не до конца решенными. Так, одновременно с уменьшением проектных норм интегральных микросхем и увеличением количества элементов топологии ужесточаются технические требования к фотошаблону, технологическому процессу формирования изображения топологического рисунка в маскирующем слое, процессу поиска и устранения недопустимых дефектов. При кратности переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину, равной четырем, минимальный размер топологического элемента на фотошаблоне при проектной норме интегральной микросхемы, равной 350 и 180 нм составляет 1400 и 720 нм, точность воспроизведения 60 и 35 нм, размер недопустимых дефектов маскирующего слоя 500 и 280 нм соответственно. Очевидно, что в процессе изготовления фотошаблонов должны обнаруживаться и устра-

няться все типы недопустимых дефектов, так как наличие всего лишь одного пропущенного дефекта на фотошаблоне делает большую партию изготавливаемых приборов неработоспособной.

Вместе с тем существующие стандартные технологические линейки и процессы имеют ряд недостатков, которые при изготовлении фотошаблонов приводят к таким негативным явлениям, как нарушение геометрической формы элементов топологического рисунка фотошаблонов; наличие вероятности повреждения поверхности стекла фотошаблона и изменение размера элементов топологического рисунка при устранении непрозрачных дефектов в месте воздействия импульсным лазером; неконтролируемый процесс формирования «заплатки» нужного размера на прозрачный дефект; несовершенная методика настройки комплекса оборудования и реализованного на нем технологического процесса. Указанные недостатки еще больше влияют на качество фотошаблонов при уменьшении размеров топологических элементов.

Кроме того, при уменьшении проектных норм ИС для обеспечения качества изображения элементов топологического рисунка, возникает необходимость применения структур коррекции - ОРС (Optical Proximity Correction) и техники повышения разрешения - RET (Resolution Enhancement Technique). При этом вспомогательные структуры ОРС и PSM (Phase Shift Mask), которые обеспечивают повышение разрешающей способности оптической системы установок проекционной литографии при переносе изображения на кремниевую пластину, могут быть существенно меньше проектной нормы интегральной микросхемы. Все это требует разработки методов компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне с целью улучшения его качества и максимального приближения геометрического рисунка топологического элемента к проектным данным.

В силу вышесказанного, российские производители интегральных микросхем с проектными нормами уровня до 180 нм необходимые фотошаблоны были вынуждены изготавливать на зарубежных фабриках, например, таких как Toppan Photomasks Inc, Photronics Inc, Dai Nippon Printing. При этом возникает проблема защиты авторских прав разработчиков и созданных ими продуктов от несанкционированного доступа и копирования. Становится очевидным, что гарантировать изготовление информационно защищенных фотошаблонов можно только в условиях отечественного производства, например на технологической линии Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и элементная компонентная база (ЦКП «МСТ и ЭКБ») МИЭТ.

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на разработку технологического процесса формирования изображения рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона для максимального приближения геометрического рисунка топологического элемента проектным данным и методик устранения недопустимых прозрачных и непрозрачных дефектов фотошаблонов для обеспечения производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка технологических процессов формирования изображения топологического рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона, режимов оборудования, методик устранения недопустимых дефектов фотошаблонов, изготовленных на технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ и предназначенных для производства интегральных микросхем уровня до 180 нм.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать последовательность операций формирования скрытого изображения топологического рисунка для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне для улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным, а также технологический процесс формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске с использованием алгоритмов коррекции геометрической формы элементов;

-разработать методику устранения недопустимых прозрачных дефектов фотошаблонов с использованием лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы на базе лазерной установки ретуши фотошаблонов;

- разработать оптимальные рекомендации по скорости перемещения координатного стола, плотности энергии непрерывного лазера, времени нагрева в заданной точке и определить зависимость параметров изображения элемента, формируемого путем осаждения вещества от технологических режимов оборудования;

-разработать методику устранения непрозрачных дефектов фотошаблонов, обеспечивающую отсутствие повреждения (травмирования) подложки фотошаблона и распыления остатков удаляемой металлизированной маски по полю подложки; исследовать зависимость степени повреждения стекла фотошаблона (травмирования подложки) при устранении непрозрачных дефектов от энергетических параметров наносе-

кундного лазера установки ретуши, длительности импульса воздействия на дефект фотошаблона;

- разработать методику аттестации комплекса оборудования и реализованного на нем технологического процесса, включая процесс генерации изображения и поиска недопустимых дефектов, с целью обеспечения точностных параметров фотошаблонов, достоверных результатов контроля и адекватного определения степени критичности дефектов.

Научная новизна работы определяется комплексом теоретических и экспериментальных результатов, отражающих специфические особенности формирования изображения топологического рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона, поиска и устранения недопустимых дефектов для обеспечения производства интегральных микросхем, разработанных с проектными нормами уровня до 180 нм.

При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены новые научные результаты:

-установлена зависимость изменения ширины линии осаждаемого элемента от скорости перемещения координатного стола установки лазерной ретуши (увеличивается с уменьшением скорости перемещении стола при постоянной энергии лазера), величины энергии непрерывного лазера (увеличивается с увеличением энергии лазера при постоянной скорости перемещении стола), времени нагрева в заданной точке, протяженности осажденной области, количества проходов лазерного луча, что позволило разработать методику устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанную на исследовании закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы;

- установлена зависимость степени повреждения стекла от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и от кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки и на ее основе разработана методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблона, исключающая катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером (травмирование подложки);

-установлена зависимость изменения геометрической формы элементов топологического рисунка от размера и местоположения структур коррекции, что позволило разработать метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображе-

ния и последовательность операций формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне, улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным;

- разработана методика аттестации лазерного генератора изображения, которая заключается в точной настройке координатной сетки стола, обеспечивающей совместимость с генераторами изображения стратегических партнеров, путем введения поправочных коэффициентов;

- разработана методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения дефектов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработаны технологические маршрут и процесс изготовления бинарных фотошаблонов на модернизированной технологической линии для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм, включая экспонирование на лазерных генераторах изображения (ЭМ-5189, Б\УЬ-200), физико-химический процесс обработки, финишную бесконтактную отмывку поверхности фотошаблонов, контрольно-измерительные операции, поиск и устранение недопустимых дефектов на установках ЭМ-6029М, ЭМ-5001Б, монтаж пелликлов;

- на основе разработанного процесса изготовлены сотни фотошаблонов с рабочим полем 100 х 100 мм, с размерами топологических элементов на фотошаблоне до 800 нм, на щелочных и кварцевых фотошаблонных заготовках размером 127 х 127 х 2.24 мм, 152,4 х 152,4 х 6,35 мм для установок проекционной и контактной литографии с кратностью переноса изображения на кремниевую пластину 10 и 5; а также 4 и 1 для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС на предприятиях ОАО «НИИМЭ и Микрон» (249П от 16.04.09), ФГУП «РНИИРС» (3/26.09), ООО «КронТех» (1-М-2805/205 от 05.05.08), ОАО «САТУРН», ЯФ ФТИ РАН;

- разработаны технические требования к инфраструктуре, комплекту специального технологического оборудования, включая электроннолучевой генератор изображения, контрольно-измерительное оборудование, ионно- лучевую установку устранения дефектов, установку плаз-мохимического травления для изготовления фотошаблонов с применением техники повышения разрешения для обеспечения производства

интегральных микросхем с проектными нормами до 130 нм, программно-аппаратным средствам проектирования дизайна фотошаблона, включая проектирование вспомогательных структур ОРС (Optical Proximity Correction - коррекции оптической близости) и PSM (Phase Shift Mask -фазосдвигающих шаблонов), в рамках государственной программы «Реконструкция и техническое перевооружение "Центра проектирования, каталогизации и изготовления фотошаблонов"»;

- разработана новая схема газораспределения металлоорганического соединения для установки лазерной ретуши, отличающаяся отсутствием «зарастания» микроканала сопла и трубопроводов при проведении операции устранения прозрачных дефектов методом лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, которая была реализована на предприятии ОМО-КБТЭМ (Беларусь, г. Минск) при разработке лазерной установки устранения дефектов (БРАС 442174.030);

- результаты работы использованы при выполнении НИОКР:

- «Разработка технологического процесса изготовления фотошаблонов для субмикронной электронной компонентной базы с топологическими нормами 0,35 мкм» (открытый конкурс № 2006-Н-002: «Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области электроники, микроэлектроники и информационно-телекоммуникационных технологий, реализуемых в интересах предприятий-резидентов особой экономической зоны технико-внедренческого типа «Зеленоград)»;

- «Выполнение работ по развитию центра коллективного пользования "Микросистемная техника и электронная компонентная база" научным оборудованием (Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»);

- «Научно-методическое, организационное и материально-техническое обеспечение развития Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» научным оборудованием для проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по приоритетным направлениям Программы» (Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы).

Внедрение результатов.

1. Результаты диссертационной работы в виде технологического маршрута, технологических процессов и технологических карт

(АЕСН.60275.00001; АЕСН.60201.00004; АЕСН.60202.00034; АЕСН.60255.00020; АЕСН.60255.00021, АЕСН.60202.00035), включая технологию формирования скрытого изображения топологического рисунка и методы устранения недопустимых прозрачных, непрозрачных дефектов маскирующего покрытия, внедрены и используются в качестве базовой технологии изготовления фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм на модернизированной технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ.

2. Разработанные технические требования к инфраструктуре, комплекту специального технологического оборудования, включая программно-аппаратный комплекс проектирования дизайна фотошаблона, электронно-лучевой генератор изображения, установку плазмохимиче-ского травления для изготовления фотошаблонов с применением техники повышения разрешения использованы в ОАО "Российская электроника" в рамках государственной программы «Реконструкция и техническое перевооружение "Центра проектирования, каталогизации и изготовления фотошаблонов " в обеспечение производства интегральных микросхем с проектными нормами до 130 нм » (государственный контракт № ГК-1283 от 20.12.2008).

3. Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций и методик, включая методику устранения прозрачных и непрозрачных дефектов на установке ЭМ-5001Б, методику контроля соответствия топологического рисунка проектным данным и поиска дефектов на установке ЭМ-6029М, методику измерения контролируемых элементов в ультрафиолетовом диапазоне на измерительной станции Ь\¥М-250иУ, переданы в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова» для использования при изготовлении фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 350 нм (договор №0801-2238/20-359 от 10.02.08 г.).

На защиту выносятся:

- методика устранения недопустимых прозрачных дефектов на установке лазерной ретуши ЭМ-5001Б, основанная на исследовании эмпирических закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы и установленной зависимости изменения ширины линии осаждаемого элемента от скорости перемещения координатного стола установки лазерной ретуши (увеличивается с уменьшением скорости перемещении стола при постоянной энергии лазера), величины энергии непрерывного лазера (увеличивается с увеличением энергии лазера при постоянной скорости перемещении стола), времени нагрева в заданной точке, про-

тяженности осажденной области, количества проходов лазерного луча; разработанные технологический процесс и режимы оборудования, позволяющие устранять функционально полный набор прозрачных дефектов любой геометрической формы размером от 500 нм и больше, восстанавливать топологические элементы шириной до 30 мкм, устранять разрывы дорожек слоя «металлизация»;

- методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблона на установке лазерной ретуши ЭМ-5001Б, основанная на исследовании процесса испарения маскирующего покрытия, исключающая катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером и установленной зависимости степени повреждения стекла от энергетических параметров наносе-кундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и от кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки; разработанный технологический процесс и режимы оборудования, позволяющие устранять полный набор непрозрачных дефектов размером от 500 нм до 20 мкм за один цикл;

-метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображения и последовательность операций формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка типа «контактные окна», элементов с произвольным углом наклона, затворы транзисторов размером 800 нм и менее непосредственно на фотошаблоне для улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным;

- методика аттестации лазерного генератора изображения ЭМ-5189, которая заключается в точной настройке координатной сетки стола, обеспечивающей совместимость с генераторами изображения стратегических партнеров, путем введения поправочных коэффициентов;

- методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов ЭМ-6029М, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения недопустимых дефектов.

Достоверность полученных результатов подтверждается данными экспериментальных исследований, корректностью разработанных моделей, результатами внедрения разработанных технологических процессов на технологической линии производства фотошаблонов ЦКП «МСТ

и ЭКБ» МИЭТ и производственной линии в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова».

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

- разработка метода моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображения ЭМ-5189, технологического процесса экспонирования с использованием структур коррекции типа «сериф» для компенсации ошибок изображения геометрической формы элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне;

- разработка методики устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанной на исследовании эмпирических закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, режимов оборудования, позволяющие устранять функционально полный набор прозрачных дефектов размером от 500 нм и более;

-разработка методики и технологических режимов устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов, исключающих катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером;

- разработка технологических режимов оборудования для обнаружения дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов с установленной степенью критичности;

- разработка методики аттестации комплекта оборудования, включая лазерный генератор изображения и установку контроля топологии и поиска дефектов;

- автор диссертации принимал активное участие в создании модернизированной технологической линии изготовления фотошаблонов в ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ, разработке схем газораспределения установки лазерной ретуши и проведении пусконаладочных работ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Школа-семинар «Проектирование и технология изготовления БИС, БМК и ПЛИС», г. Гурзуф, НИИ Молекулярной электроники, 1990;

VIII научно-практический семинар «Проблемы создания радиацион-но- стойких СБИС на основе гетероструктур», Нижний Новгород, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова», 2008;

Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМТ-2008» МАТИ-РГГУ им. Циолковского, Москва, 2008;

Information and Brokerage Conference on Information and Communication Technologies in the EU's 7th Framework Programme, Moscow, 2008;

IX научно-практический семинар «Проблемы создания радиацион-но- стойких СБИС на основе гетероструктур», Нижний Новгород, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова», 2009.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 тезис доклада конференции, 5 статей в научных сборниках, 4 авторских свидетельства, 1 патент на полезную модель. Без соавторов опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 242 страницы, в том числе 181 страница основного текста, 61 страница приложения, 89 рисунков, 45 таблиц и список литературы из 75 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и приводится ее краткая характеристика. Определены основные направления исследований технологических процессов изготовления фотошаблонов для производства интегральных структур изделий микроэлектроники. Формулируются цель работы и задачи исследования и представляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор и анализ состояния проблемы изготовления фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 45 нм. Показано, что 66.8% изготавливаемых фотошаблонов - бинарные. На основе анализа спецификации фотошаблонов определены технические требования к фотошаблонам и технологическому оборудованию.

Определены принципы построения структуры базовой системы технологического процесса изготовления фотошаблонов. Базовая система основывается на информационно увязанных базовых подсистемах, которые можно подразделить на две группы. Первая группа состоит из относительно простых, отработанных и унифицированных подсистем с высоким уровнем автоматизации, к которой относятся следующие подсистемы: подсистема физико-химических процессов формирования топологического рисунка фотошаблона в маскирующем слое, подсистема

снятия фоторезистивной маски, межоперационной и финишной отмывки поверхности фотошаблона, подсистема измерения микроразмеров, подсистема контроля совмещаемости элементов, подсистема закрытия поверхности фотошаблона пелликлами. Ко второй группе относятся подсистемы, которые являются основополагающими в процессе изготовления фотошаблонов. Эти подсистемы являются сложными, требуют постоянного мониторинга технологического процесса и, как следствие, требуют разработки технологических процессов, специальных методик, моделей, алгоритмов и режимов оборудования для выполнения поставленных задач. Соответственно ко второй группе относятся следующие подсистемы: подсистема экспонирования фоторезиста (генерация изображения); подсистема контроля рисунка фотошаблона на соответствие проектным данным и поиска дефектов; подсистема устранения недопустимых дефектов маскирующего покрытия.

Показано, что для решения задачи генерации изображения топологического рисунка интегральной микросхемы в зависимости от технических требований, предъявляемых к фотошаблонам, необходимо использовать соответствующие системы экспонирования и методы выполнения операций экспонирования резистов (табл.1).

Установлено, что электронно-лучевые методы экспонирования, с одной стороны, обеспечивают высокое разрешение процесса фотолитографии, но с другой - характеризуются невысокой производительностью, более высокой сложностью технологического процесса и более высоким уровнем стоимости оборудования и затрат на его эксплуатацию.

Табл.1. Системы генерации изображения топологического рисунка

интегральной микросхемы на фотошаблоне

Проектные нормы на интегральных микросхемах, нм Размер элемента на фотошаблоне, увеличение 4*, нм Лазерные генераторы изображения Электронно-лучевые генераторы изображения

350 1400 DWL-200; CORE 2564 Vistee SB250

250 1000 ЭМ-5189 Vistee SB250

180 720 ALTA 3900 Visteo SB251;

130 520 ALTA 4700 Vistee SB251;Mebes 4500

90 360 Sigma 7500 Vistee SB350

65 260 Sigma 7500 11 JBX-3040+

45 180 - JBX-3040+

Оптические методы, напротив, характеризуются высокой производительностью и относительной простотой технологического процесса и более низкой стоимостью оборудования, но при этом обеспечивают менее высокое фотолитографическое разрешение, которое можно повысить, применяя технику повышения разрешения.

Показано, что методы определения дефектов, основанные на визуальном контроле при помощи микроскопа с увеличением не менее 200х,

телевизионной микроскопии, оптическом наложении изображений, не обеспечивают установленной вероятности обнаружения недопустимых дефектов. Установлено, что основным методом обнаружения дефектов при изготовлении фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами от 350 нм и ниже является метод сравнения топологического рисунка фотошаблона с проектными данными (система контроля "die to database"). Существенно уменьшить количество исправляемых дефектов возможно при применении моделирования процессов проекционного переноса изображения с фотошаблона на полупроводниковую пластину. В этом случае на смену технологии «обнаруживать все дефекты, исправлять все дефекты» приходит технология «обнаруживать все дефекты - исправлять те дефекты, которые прорабо-таются при последующем проекционном переносе на пластину».

Определено, что в связи с высокой стоимостью установок контроля топологии и поиска дефектов нужно оптимизировать выбор оборудования исходя из положения, что при избыточной оценке критичности дефектов при контроле имеет место существенное удорожание технологического процесса, а при недостаточной оценке степени критичности обнаруженных дефектов - пропуск недопустимых дефектов.

Проведен анализ причин образования прозрачных и непрозрачных дефектов на поверхности фотошаблонов и анализ недостатков технологического процесса изготовления фотошаблонов.

С точки зрения ремонта фотошаблонов все контролируемые дефекты можно подразделить на два больших класса - прозрачные дефекты, исправление которых осуществляется путем формирования фрагментов металлизированной фотомаски, и непрозрачные дефекты, исправление которых выполняется путем удаления лишних фрагментов. Процесс исправления прозрачных дефектов характеризуется необходимостью обеспечения двух основных параметров, которые определяют качество технологического процесса: степень адгезии осаждаемого вещества к подложке фотошаблона и высота осаждаемого фрагмента топологии. Технологический процесс исправления непрозрачных дефектов характеризуется необходимостью обеспечения отсутствия травмирования подложки фотошаблона и распыления остатков удаляемой металлизированной маски (эти явления приводят к ухудшению прозрачности фрагментов прозрачных участков фотомаски, что недопустимо).

Определено, что при выборе базового технологического процесса устранения дефектов на фотошаблонах для интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм наиболее предпочтительным оказывается лазерное оборудование, на котором возможно одновременно уст-

ранить как прозрачные, так и непрозрачные дефекты в едином технологическом цикле.

В табл.2 показаны методы устранения и их доля в технологическом процессе устранения дефектов.

Табл.2. Доля методов устранения дефектов в технологическом процес-

се

Лазерный метод Ионно-лучевой метод Электроннолучевой метод Механический метод Без ретуши

36,0% 19.4% 1.5% 2.5% 40.6%

Проведен анализ недостатков стандартного технологического процесса изготовления фотошаблонов. С учетом вышесказанного определены цели и задачи диссертационной работы, заключающиеся в разработке технологического процесса формирования изображения топологического рисунка фотошаблона в резистивной маске, технологических режимов оборудования, методик устранения недопустимых дефектов.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке технологического процесса коррекции геометрической формы топологических элементов фотошаблонов в процессе лазерной литографии непосредственно на фотошаблоне с целью улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы топологического элемента проектным данным. Установлено, что необходимость улучшения качества геометрического рисунка топологического элемента, формируемого в светочувствительном слое, возникает, когда на поверхности фотошаблона надо сформировать топологические элементы типа «контактные окна» размером от 0.6 до 2.5 мкм и элементы сложной конфигурации, в том числе с произвольным углом наклона, которые при формировании изображения в маскирующем слое могут существенно отличаться от проектных данных.

Для решения проблемы улучшения качества воспроизведения геометрической формы элементов на фотошаблоне разработана последовательность операций формирования топологического рисунка фотошаблона в фоторезистивной маске (рис.1) и метод моделирования процесса экспонирования.

Реализованный метод моделирования процесса экспонирования непосредственно на генераторе изображения ЭМ-5189 в режиме реального времени до формирования скрытого изображения в фоторезисте пластины состоит в следующем:

- выполняется построение модели изображения элемента топологического рисунка в фоторезисте без элементов коррекции формы, определяется зона экспонирования резиста;

Рис.1. Последовательность операций формирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезнстивной маске

- выполняется построение модели изображения элемента топологического рисунка в фоторезисте с элементами коррекции формы, например, типа «сериф»; определяется размер и местоположение элемента коррекции, обеспечивающие наиболее точное соответствие геометрии элемента проектным данным;

- выбранный элемент коррекции формы используется при проектировании дизайна фотошаблона и подготовке управляющей информации для генератора изображения.

Для построения модели изображения экспонируемого элемента топологического рисунка в фоторезисте автором была использована новая программа компилятора лазерного генератора.

Экспериментальное подтверждение достоверности предложенного метода получено при изготовлении фотошаблона с элементами топологического рисунка в форме равностороннего треугольника со стороной равной 2.5 мкм. При моделировании процесса экспонирования было ус-

тановлено, что размер топологического элемента в форме треугольника на фотошаблоне будет, за счет распределения энергии в зоне экспонирования, меньше закодированного значения на 300 нм с каждой стороны элемента (рис.2). Соответственно реальный размер топологического элемента будет составлять всего 1.9 мкм вместо закодированного значения 2.5 мкм.

В результате исследования экспериментальных данных моделирования процесса экспонирования и влияния структур коррекции на формирование геометрического размера и формы элементов топологии были определены группы топологических элементов, для которых необходимо вводить структуры коррекции при формировании скрытого изображения оригиналов топологии интегральных микросхем на фотошаблонах. Также разработана библиотека данных элементов типа «сериф» для коррекции и улучшения качества формирования геометрических элементов топологического рисунка на фотошаблоне. На рис.3 показаны примеры влияния структур коррекции на геометрическую форму элемента топологии при моделировании процесса экспонирования.

Установленные размеры и местоположение структур коррекции формы элементов топологии были использованы при подготовке управляющей информации для генерации изображения топологического ри-

Рис.2. Модель изображения элемента в виде треугольника со сторон ой 2.5 мкм без коррекции геометрической формы

Рис.3 Модель изображения элемента: а) «сериф» размером 0.45x0.40 мкм с перекрытием вершины треугольника размером 110 нм; б) «сериф» размером 0.45x0.40 мкм с перекрытием вершины треугольника 160 нм

На рис.4 и 5 представлены фрагменты топологического рисунка с топологическими элементами типа «треугольник», сформированные в маскирующем слое фотошаблона. Кодировочное значение стороны треугольника составляет 2.5 мкм.

Рис.4. Изображение топологи- Рис.5. Изображение топологиче-

ческих элементов без структур, ских элементов с применением

улучшающих качество формы структур улучшающих качество

элементов топологии. Изме- формы элементов топологии,

ренное значение стороны тре- Измеренное значение стороны

угольника равно 1.8840 мкм треугольника равно 2.5 мкм

Полученные результаты измерений топологических элементов фотошаблона без применения структур, улучшающих качество геометрической формы и с применением структур коррекции подтвердили корректность разработанного метода моделирования процесса улучшения качества геометрической формы элементов топологического рисунка при формировании скрытого изображения в фоторезистивной маске на лазерном генераторе изображения ЭМ-5189.

В третьей главе представлены результаты исследований, разработок технологического процесса, режимов оборудования для устранения недопустимых прозрачных и непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов на установке лазерной ретуши, основанные на предложенных автором эмпирических закономерностях процесса лазер-но-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы и испарения маскирующего покрытия в месте воздействия импульсным лазером.

В ходе выполнения работы установлено, что ширина осаждаемой линии меняется в зависимости от технологических параметров установки лазерной ретуши, а именно от скорости и шага перемещения координатного стола, плотности энергии непрерывного лазера, времени нагрева в заданной точке (ширина линии увеличивается с уменьшением скорости перемещении стола при постоянной энергии лазера и увеличивается с увеличением энергии лазера при постоянной скорости перемещении стола). Это связано с тем, что металл на прозрачный дефект наносится путем лазерно-стимулированного осаждения из газообразной

фазы. При этом в зоне осаждения происходит местный разогрев стекла лазерным лучом до 400 °С, в результате которого происходит разложение металлоорганического вещества, например гексакарбонила молибдена с выделением окиси углерода и мелкодисперсного молибдена: Мо (СО)б —>Мо+6 сот Результаты экспериментального исследования зависимости ширины линии осаждённого материала от энергии лазерного излучения и зависимости ширины линии осаждённого материала от скорости перемещения координатного стола представлены на рис.6.

О, мкм

35 30 25 20 15 10 5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Е.мДж 0 0,2 0,4 0,6 0,0 1 1,2 у.мхм/с

а б

Рис.б.Зависгшость ширины линии осаждённого материала: а) от энергии лазерного излучения; б) от скорости перемещения координатного стола (•- кварцевое стекло; м- щелочное стекло) Температура стекла по мере удаления от центра нагрева уменьшается. В этом случае, в области пониженной температуры происходит осаждение вещества низкой плотности - подпыл. Установлено, что наличие подпыла вещества на поверхности фотошаблона не имеет значения при устранении прозрачных дефектов, расположенных на темном поле вдали от края элемента. Напротив, устранение краевых дефектов и дефектов типа «разрыв», «вырыв» характеризуется необходимостью минимизировать величину подпыла, так как впоследствии он должен быть устранен путем испарения импульсным лазером. Автором установлено, что для обеспечения качества фотошаблонов области «ремонтируемых» элементов фотошаблонов должны находиться в установленных пределах. Так, дефект типа «разрыв дорожки» устраняется за один технологический цикл (проход), а размер осаждаемой «заплатки» должен быть: 5/ -А <БХ< Б1+А; Бу > 52+0,2x52, где 5,,,, - размер «заплатки»; 5/ -ширина ремонтируемого элемента; 52 - длина ремонтируемого элемента; А - допуск на размер элемента. Размер «заплатки» для устранения дефекта типа «вырыв»: 5* > 57+0,2x57; 5У = 52+0,2x52, где - размер «заплатки»; 57 - ширина «вырыва»; 52 - глубина «вырыва».

Таким образом, устранения краевых дефектов типа «неровность края», «вырыв», «разрыв» характеризуются необходимостью формирования осаждаемого элемента постоянной ширины для адекватного воспроизведения критичных размеров элемента фотошаблона по всей длине ремонтируемого участка трассы - Ь^.

Экспериментальные результаты исследования формирования области осаждения постоянной ширины (например, размером бмкм), как функции от длины трассы показаны на рис.7, где Ьтах- длина участка осажденной линии шириной 6 мкм. На рис. 8 показана область измерения длины трассы.

о 5 ю к го 25 зо 35 Рис.8. Область измерения

Рис. 7. Зависимость длины участка А л Т д

С длины трассы, где Ьтр - длина

осажденной линии ширинои 6 мкм , А

г трассы, мкм (задаваемое зна-

от длины трассы , Т л

г чение), Ь„юх, - длина участка

осажденной линии шириной 6

мкм (измеренное значение)

Практическая значимость результатов исследования выражается в

реализации технологических режимов устранения краевых дефектов.

Пример устранения дефекта типа «вырыв» показан на рис.9.

а) б) в)

Рис.9. Осаждение материала на прозрачный дефект: а) - выход в координату устраняемого дефекта фотошаблона; б) - осаждение металла в область дефекта из газовой фазы метаплоорганического вещества, отступ от края линии Ь~5 мкм, длина трассы Ьтр =16 мкм; в) -удачение распыленного материала на краю элемента методом испарения импульсным лазером

Определена зависимость высоты осажденного материала от режимов осаждения, кратности проходов и длины осажденной линии. Измерение высоты осажденного материала производилось на установке Alpha Step 200 (фирмы KLA Tencor). Результаты измерения представлены в табл.3.

Таблица 3. Режимы осаждения и результаты измерений высоты

осажденного материла

Энергия/скорость, Число Длина осаждён- Высота осаждённо-

мДж/ мкм/с проходов ной линии, мкм го материала, мкм

136/0,3 1 30 3

136/0,3 2 30 10

136/0,3 3 30 18

136/0,3 1 40 4

136/0,3 1 45 5.5

Результаты исследования степени адгезии осаждаемого материала к поверхности маскирующего покрытия показали, что осажденный на дефект фотошаблона материал выдерживает не менее 30 "жестких отмывок" механическими щетками и воздействие мегазвуковой обработки на специализированных системах отмывки. При этом определено, что наилучшую адгезию имеют «ремонтируемые» участки с минимальной высотой осажденного материала.

Установлено, что технологический процесс устранения непрозрачных дефектов характеризуется степенью повреждения (травмирования) стекла фотошаблонов и распыления остатков удаляемой металлизированной маски по полю подложки. Кроме того, при удалении непрозрачных дефектов существует вероятность уменьшения размера элемента на величину превышающую допуск на размер, что приводит к недопустимому изменению параметров ИС. Некорректные режимы оборудования могут привести к катастрофическому повреждению ремонтируемых фотошаблонов. Поэтому, как установлено, размер диафрагмы установки лазерной ретуши при удалении дефекта типа «остаток хрома» должен быть & > 31+0,2 х 57; > 82+0,2 х 52, где - размер диафрагмы установки лазерной ретуши. Устранение дефекта типа «перемычка»: 5*= Б1 ± А/2; 5), > 52+0,2 х 52, где 5/ - ширина зазора (ремонтируемый элемент); 52 - высота «перемычки»; Л - допуск на размер элемента.

Автором проведено исследование процесса устранения непрозрачных дефектов и разработаны технологические режимы их устранения на установке ретуши с наносекундным лазером (ЭМ-5001Б) для разной кратности увеличения объективов оптической системы. Технологические режимы испарения и результаты измерений представлены в табл.4.

Табл.4. Режимы испарения и результаты измерений

№п/п. Кратность объектива Энергия лазера /задержка, мДж/мкс Ослабление, % Количество импульсов на фрагмент Глубина повреждение стекла, нм

1 2 3 4 5 6

1 30х 10/120 -15 1 4.5

2 30 х 10/120 -15 2 9

3 30 х 10/120 -15 4 18

4 75х 10/88 -50 1 63

5 75х 10/88 -50 2 63.5

6 75х 10/88 -50 4 64.5

7 115х 10/80 -50 1 20

8 115х 10/80 -50 2 24

9 115х 10/80 -50 4 38

В результате исследований установлена степень травмирования подложки от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и от кратности увеличения объектива оптической системы установки. Глубина и профиль повреждения подложки измерялись на установке Alpha Step 200 (фирмы KLA Tencor).

Анализ полученных результатов показал, что оптимальное количество импульсов испарения на фрагмент равно двум. При этом степень повреждения стекла для объектива 30х составляет 9 нм, а для объектива 115х составляет 24 нм. Устранение дефектов с использованием объектива 75х целесообразно для фотошаблонов некритичных слоев (например, «пассивация»).

Таким образом, на основе результатов исследований были определены технологические режимы и разработаны методы устранения прозрачных и непрозрачных дефектов фотошаблона. При этом режимы осаждения материала из газообразной фазы на прозрачный дефект обеспечивают максимальную плотность осаждаемого материала по всей площади ремонтируемого участка, минимальную высоту и минимальный подпыл на краях топологических элементов, а технологические режимы устранения непрозрачных дефектов обеспечивают отсутствие недопустимой величины травмирования подложки фотошаблона и распыления остатков удаляемой металлизированной маски по полю подложки.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования и практической реализации технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом производстве. Показано, что

предложенный автором диссертации состав модернизированной технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» обеспечивает замкнутый цикл изготовления фотошаблонов, включая финишную бесконтактную отмывку поверхности фотошаблонов и монтаж защитных рамок с органической пленкой (пелликлов). Установлено, что технические параметры технологического оборудования, предложенной автором модернизированной технологической линии, обеспечивают изготовление фотошаблонов заданного уровня.

Автором диссертации предложены методики настройки специального технологического оборудования для обеспечения установленных точностных параметров фотошаблонов. Разработанная методика аттестации лазерного генератора изображения (ГИ) ЭМ-5189 основана на определении (измерения проводились на станции 1РЯО) реального местоположения контрольных точек координатной сетки, сравнении координат с проектными данными, вычислении коэффициентов компенсации погрешности, что обеспечивает совместимость координатных систем ГИ с генераторами изображения зарубежных и российских стратегических партнеров при изготовлении смешанных комплектов фотошаблонов. Разработанная методика определения состояния и уровня настройки установки ЭМ-6029М основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения недопустимых дефектов.

Неадекватное определение степени критичности дефектов влечет за собой либо существенное удорожание технологического процесса в целом (при избыточной оценке критичности дефектов при контроле), либо пропуск критичных дефектов (при недостаточной оценке степени критичности обнаруженных дефектов). Экспериментальная проверка предложенных автором режимов технологического оборудования (табл.5) подтвердила, что степень критичности дефектов зависит от параметров установки (режима): «маскирование» и «фильтрация». «Маскирование» позволяет при контроле фотошаблона отсеивать краевые дефекты элементов топологии как ложные, если они имеют размер менее установленного значения, заданного для контроля. «Фильтрация» позволяет при контроле фотошаблона отсеивать любые дефекты как ложные, если они имеют размер менее установленного значения, заданного для контроля. Используя данные параметры можно принять адекватное решение для определения степени критичности дефектов в процессе его изготовления.

Табл.5. Технологические режимы установки контроля топологии и поиска дефектов

Маскирование, дискрет 0 0 1 1 1 2 2 >2

Фильтрация, дискрет 0 1 0 1 2 1 2 >2

Минимальный размер краевые 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 1 1 от 1.5

обнаруживаемых дефек- на 0.4 0.5 04 0.5 1 0.5 1 от 1.5

тов, мкм топологии

В табл.6 представлены практические результаты поиска и оценки степени критичности, обнаруживаемых дефектов маскирующего покрытия на рабочем фотошаблоне, из которых видно влияние режимов оборудования на количество обнаруженных дефектов.

Табл.6. Оценка степени критичности обнаруживаемых дефектов фотошаблонов

Режим Количество обнаружен-

Маскирование, дискрет Фильтрация, дискрет ных дефектов

1 1 38

1 2 27

2 1 30

2 2 22

2 4 11

Из табл.5 и 6 видно, что если величина допустимого дефекта составляет 1 мкм, то режимы «маскирование 2» и «фильтрация 2» являются достаточными, режимы «маскирование 1» и «фильтрация 1» являются избыточными, а режимы «маскирование 2» и «фильтрация 4» являются недостаточными.

Показано, что проектная мощность модернизированной технологической линии ЦКП « МСТ и ЭКБ » на сегодняшний день составляет 1400 фотошаблонов в год. В соответствии с модернизированным технологическим процессом были изготовлены сотни фотошаблонов на щелочном и кварцевом стекле размером 152,4x152,4x6,35 мм и 127х127х2.24 мм с минимальным размером топологического элемента на фотошаблоне 800 нм. Фотошаблоны были использованы для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС. Экспонирование фоторезистивной маски осуществлялось методом лазерной литографии, и выход годных составил 95.9 % (табл.7).

Табл. 7. Результаты операции генерации изображения

Запуск ЭМ-5189 Ошибка информации Сбой при экспонировании Выход годных

705 шт. 11 шт. 18 шт. 676 шт.

100% 1.56% 2.55% 95.9%

В табл.8 показаны результаты контроля 384 фотошаблонов на соответствие топологического рисунка проектным данным. Все несовпадения классифицировались как дефекты. Проверенные фотошаблоны были объединены в 5 групп по количеству обнаруженных дефектов. Анализ результатов показал, что количество бездефектных фотошаблонов по отношению к общему запуску составило только 2.3%. Все остальные фотошаблоны были переданы на операцию устранения недопустимых прозрачных и непрозрачных дефектов.

Табл.8. Экспериментальные данные контроля топологии и поиска дефектов

Фильтрация/маскирование, дискрет Количество дефектов

0 1-5 6-10 11-20 >20 брак

1/1 -обнаруживаемый дефект 0.5 мкм 7 33 1В 51 115 8

2/2 -обнаруживаемый дефект 1 мкм 2 36 23 30 55 6

Всего :384 9 69 41 81 170 14

С помощью созданной модернизированной технологической линии по режимам, предложенным автором, впервые изготовлены мультис-лойные фотошаблоны для производства ИС с проектными нормами 180 нм. При изготовлении вышеуказанных мультислойных фотошаблонов был достигнут 100%-ный выход годных.

Результаты измерения контролируемых размеров элементов (табл.9) на фотошаблонах полностью подтвердили корректность предложенных технологических режимов.

Табл.9. Результаты измерения размеров контролируемых элементов __топологического рисунка__

Тип ФШЗ Проявле- Травле- Стабилизи- Размер Ркпо Фактический

ние, с ние, с рущий ТТ, Д±мкм размер Р„,

раствор, с мкм

Кварц QZ2CIP3600-4500А. 45 50 20 0.80*0.1 0.79-0.85

1.12±0.1 1.03-1.17

1.204 0.1 1.15-1.3

1.20± 0.1 1.1-1.2

1.44 ±0.1 1.52-167

Масштаб изображения топологического рисунка ИС на фотошаблоне составил 4:1. Мультислойные фотошаблонов изготовлены на фотошаблонных заготовках (ФШЗ) компании Schott lithotec из синтетического кварца с низкоотражающим маскирующим покрытием и габаритами стекла 152.4 х 152.4 х 6.35 мм.

Предложенный автором модернизированный технологический процесс, базирующийся на составе оборудования модернизированной технологической линии, позволил за счет введения операции финишной отмывки на бесконтактной установке снизить количество ложных дефектов при контроле в разы (табл.10). Таким образом, снижается трудоемкость на операции устранения дефектов и тем самым сокращаются сроки изготовления фотошаблонов.

Табл.10. Результаты контроля поиска дефектов после отмывки поверхности мулыпислойных фотошаблонов на стандартной и модерни-

зированной технологических линиях

Номер слоя Количество обнаруженных дефектов после отмывка фотошаблонов на стандартной технологической линии Количество обнаруженных дефектов после отмывки фотошаблонов на модернизированной технологической линии Количество ложных дефектов, %

105А 1030 29 97.2

505А 459 18 96

800А 85 15 82.4

Впервые в составе модернизированной технологической линии использована полуавтоматическая установка монтажа пелликлов. Установлено, что фотошаблон, закрытый пелликлом, имеет более высокие эксплуатационные свойства. В этом случае отпадает необходимость отмывки фотошаблона перед установкой в степпер для переноса изображения фотошаблона на кремниевую пластину в кристальном производстве, тем самым исключается вероятность повреждения маскирующего покрытия и привнесения дефектов, дорогостоящего литографического инструмента, стоимость которого может исчисляться десятками тысяч рублей за один фотошаблон. Срок службы фотошаблона закрытого пелликлами до момента разрыва защитной пленки не ограничен.

Автором определены технологические режимы монтажа металлических защитных рамок с пелликлами на фотошаблоны с размерами заготовки 127x127x2.24 мм (с двух сторон) и с размерами 152,4x152,4x6.35 мм (с одной стороны): скорость перемещения держателя рамки с пелликлом 0,5 мм/с; время контакта фотошаблона и рамки с пелликлом для

обеспечения надежного соединения 15-20 с. Кроме того, был предложен режим отмывки обратной стороны фотошаблона без демонтажа пеллик-ла с рабочей стороны.

Повышение процента выхода годных фотошаблонов на модернизированной технологической линии по сравнению со стандартной линией на 10% при объемах изготовления сотен фотошаблонов дает существенный экономический эффект и снижение прямых затрат на материалы.

В приложении представлены документы, подтверждающие внедрение, практическую значимость диссертационной работы и личный творческий вклад соискателя.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработан модернизированный технологический маршрут изготовления фотошаблонов, отличающийся тем, что представленные в работе технологические процессы, методики устранения дефектов, режимы оборудования в совокупности позволили впервые в России создать производство фотошаблонов для изготовления интегральных схем технологического уровня до 180 нм.

2. Разработана методика устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанная на установленной автором диссертации закономерности, заключающейся в увеличении ширины линии осаждаемого вещества при уменьшении скорости перемещения координатного стола и увеличении энергии лазера установки ЭМ-5001Б, в процессе лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, которая позволяет устранять функционально полный набор прозрачных дефектов размером от 500 нм и более, включая восстановление геометрической формы топологических элементов.

3. Разработана методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов на установке ЭМ-5001Б, основанная на установленной зависимости степени повреждения стекла от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки. Разработанные режимы оборудования позволяют устранять функционально полный набор непрозрачных дефектов размером от 500 нм до 20 мкм за один цикл и исключают недопустимое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером.

4. Разработан метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения про-

цесса экспонирования и технологический процесс формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске с использованием структур коррекции типа «сериф» для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне с целью улучшения его качества и максимального приближения формы геометрического рисунка топологического элемента проектным данным.

5. Разработана методика аттестации лазерного генератора изображения ЭМ-5189, основанная на точном определении (измерения проводились на станции IPRO) реального местоположения контрольных точек координатной сетки, сравнении координат с проектными данными, вычислении коэффициентов компенсации погрешности, что обеспечивает совместимость с генераторами изображения зарубежных и российских стратегических партнеров при изготовлении смешанных комплектов фотошаблонов.

6. Разработана методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов ЭМ-6029М, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения дефектов и учитывает зависимость линейных размеров дефекта и их пространственное распределение.

7. В результате практической реализации предложенного автором модернизированного технологического процесса, режимов оборудования, методик устранения дефектов на модернизированной технологической линии в ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ, в состав которой включены две новые установки, а именно многофункциональная бесконтактная установка финишной отмывки фотошаблонов и полуавтоматическая установка монтажа пелликлов, было изготовлено несколько сотен фотошаблонов на кварцевом и щелочном стекле размером 152,4 х 152,4 * 6,35 мм и 127 х 127 х 2.24 мм с минимальным размером топологического элемента на фотошаблоне 800 нм для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС для ФГУП «РНИИРС» (3/26.09), ООО «КронТех» (1-М-2805/205 от 05.05.08), ОАО «САТУРН», ЯФ ФТИ РАН, НПК «Технологический центр» МИЭТ (28.04/112 от 30.12.08). Впервые изготовлены мультислойные фотошаблоны для производства ИС с проектными нормами 180 нм со 100%-ным выходом годных для ОАО «НИИМЭ и МИКРОН» г. Москва (договор №249П от 16.04.09 г.).

Список публикаций соискателя по теме диссертации.

1. Овчинников В.А. Исследование технологического процесса устранения прозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошабло-нов//Известия вузов. Электроника.-2008.-№5 .-С. 11-17.

2. Овчинников В.А Исследование технологического процесса устранения непрозрачных дефектов фотошаблонов на лазерном ретушере ЭМ-5001 Б.//Естественные и технические науки.-№3.-2009.-С.450-457.

3. Беспалов В.А., Овчинников В.А., Сидоренко Н.И., Безменов В.Н. Некоторые особенности организации специализированного производства фотошаблонов для изготовления интегральных микросхем с проектными нормами до 0.13 мкм//Новые материалы и технологии НМТ-2008.- Материалы Всероссийской научно-технической конференции. 11-12 ноября 2008 - Том 3,- С.29-30.

4. Кузин С.М., Овчинников В.А., Панасюк В.Н. Электрическое тестирование шаблонов // Микроэлектроника. Академия наук СССР.-Том 17,- Выпуск 2 .- 1988. - С. 162-164.

5. Овчинников В.А., Дацко С.Н., Калачев Б.В., Пермяков М.М., Талызин А.Н. Производство прецизионных промежуточных шаблонов для СБИС //Научно исследовательский институт Молекулярной электроники. Проектирование и технология изготовления БИС, БМК и ПЛИС.-Тезисы докладов (школа-семинар). -1990.

6. Овчинников В.А., Баюков В.Б., Калачев Б.В., Гончаренко Н.О. Способ контроля топологического рисунка шаблона интегральной микросхемы// Авторское свидетельство № 1547624.-1988.

7. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков М.М., Мишачева М.П., Юдин С.А. Способ изготовления фотошаблона//Авторское свидетельство № 1568759.-1988.

8. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков М.М., Мишачева М.П., Юдин С.А. Способ изготовления фотошаблона// Авторское свидетельство № 1561719 .-1988.

9. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков М.М., Мишачева М.П., Юдин С.А. Способ формирования рельефного микроизображения в слое хрома// Авторское свидетельство № 1674643-1989.

10. Коробов А.И., Овчинников В.А. Учет систематической погрешности оптической системы при изготовлении шаблонов СБИС// Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника.-Выпуск 1(107).-1984.

11. Овчинников В.А. Разработка технологии ретуши прозрачных дефектов фотошаблона на лазерной установке ЭМ-5001Б //Известия вузов. Электроника.-2009 №4(78)-С.25-28.

12. Беспалов В.А., Овчинников В.А., Рыгалин Д.Б., Лышенко A.B., Зайченко С.Е. Устройство для устранения дефектов фотошаблона// Патент на полезную модель № 80284, 01.07.2008.

13. Овчинников В.А., Аваков С.М. Карпович В.А., Титко Е,А. Операции контроля топологии в технологическом процессе изготовления фотошаблонов// Электроника инф0 .Ежемесячный журнал для специалистов,-№1,-2008.-С.43-49.

14. Овчинников В.А., Аваков С.М. Карпович В.А., Титко Е.А., Трапашко Г.А. Оптико-механические комплексы для бездефектного изготовления фотошаблонов 0.35 мкм и 90 нм // Фотоника. Научно-технический журнал. № 6.-2007.-С.35-39.

15. Беспалов В.А., Овчинников В.А., Базанов Д.В., Аваков С.М. Методы устранения дефектов топологии интегральных микросхем на фотошаблонах// Известия вузов. Электроника.-2008.-№6.-С.20-29.

16. Овчинников В.А Технологические режимы поиска дефектов маскирующего покрытия фотошаблона на установке контроля топологии ЭМ-6029М //Известия вузов. Электроника.-2009. №3(77).-С.85-87.

17. Овчинников В.А Коррекция геометрической формы топологического элемента фотошаблона на лазерном генераторе изображения ЭМ-5189 //Естественные и технические науки.-2009.-№4.-С.502-505.

Автореферат

Овчинников Вячеслав Алексеевич

Разработка и исследование технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения прозрачных и непрозрачных дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом производстве.

Подписано в печать 29.10.2009.

Формат 60><84 1/16. Уч.- изд. л. 1,5. Печ. л. 1,7. Тираж 100 экз. Заказ № 160.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы и задачи диссертационной работы

1.1. Классификация и спецификация фотошаблонов используемых в полупроводниковом производстве.

1.2. Принципы построения структуры базовой системы технологического процесса изготовления фотошаблонов в полупроводниковом производстве.

1.3. Обзор состояния технологического процесса производства фотошаблонов, методов поиска и устранения дефектов.

1.4. Анализ недостатков технологического процесса изготовления фотошаблонов, режимов оборудования и методик устранения недопустимых дефектов.

1.5. Цели и задачи диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование и разработка технологического процесса коррекции геометрической формы топологических элементов фотошаблонов в процессе лазерной литографии.

2.1. Структуры коррекции геометрической формы элементов топологического рисунка фотошаблона.

2.2. Методика и последовательность операций формирования изображения элемента топологического рисунка в фоторезистивной маске.

2.3. Исследование влияния размера и местоположения структур коррекции на геометрическую форму элементов топологического рисунка фотошаблона.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование и разработка технологического процесса, режимов оборудования, методик устранения дефектов на фотошаблонах.

3.1. Разработка технологического пооперационного маршрута устранения прозрачных и непрозрачных дефектов на фотошаблонах.

3.2. Исследование и разработка технологического процесса, режимов оборудования устранения прозрачных дефектов.

3.2.1.Исследование режимов осаждения металла из газовой фазы при неподвижном координатном столе.

3.2.2. Исследование зависимости параметров изображения элемента, формируемого путем осаждения вещества от скорости перемещения координатного стола, плотности энергии непрерывного лазера, времени нагрева в заданной точке.

3.2.3. Исследование влияния режимов осаждения металла из газовой фазы на высоту осаждаемого фрагмента.

3.3. Исследование и разработка технологического процесса, режимов устранения непрозрачных дефектов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Результаты экспериментального исследования и практической реализации технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом производстве.

4.1. Состав модернизированной технологической линии и описание нового технологического процесса изготовления фотошаблонов.

4.2. Разработка методик настройки специального технологического оборудования для обеспечения, установленных точностных параметров фотошаблонов.

4.2.1. Методика аттестации координатного стола многолучевого лазерного генератора изображения ЭМ 5189.

4.2.2. Методика компенсации погрешности воспроизведения размеров элементов топологического рисунка.

4.2.3. Методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов ЭМ-6029М.

4.2.4. Режимы оборудования и методика измерения элементов топологического рисунка в ультрафиолетовом диапазоне источника освещения.

4.3. Результаты экспериментальной проверки предложенных режимов технологического оборудования.

4.4. Результаты изготовления фотошаблонов в соответствии с модернизированным технологическим процессом.

Выводы по главе 4.•.

Актуальность проблемы. Развитие электронной техники, в особенности наиболее развивающейся ее части — микроэлектроники, требует неуклонного улучшения технических параметров интегральных микросхем и других изделий, в частности уменьшения проектных топологических норм, которые в настоящее время достигли суб-100 - нм диапазона. Например, зарубежные фабрики Intel, AMD, Infineon, Texas Instruments, Renesas производят интегральные микросхемы (ИС) с проектными нормами до 45 нм.

При производстве указанного класса СБИС важнейшим компонентом технологического оснащения кристального производства является основной инструмент литографического процесса - фотошаблон, представляющий собой металлизированную фотомаску, содержащую топологический рисунок интегральной микросхемы, и используемый для проекционного переноса этого изображения на кремниевую пластину.

Выдающийся вклад в развитие теории изготовления фотошаблонов для полупроводникового производства внесли такие отечественные и зарубежные ученые, как Валиев К.А., Мартынов В.В., Докучаев Ю.П., Алферов Ж.И., Черняев В.Н., Лаврищев В.П., Моро У и др.

В настоящее время вопросами производства фотошаблонов заняты ОАО «НИИМЭ и Микрон», ОАО «Ангстрем-Т», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова». Наиболее известными производителями специального технологического оборудования для производства фотошаблонов являются компании ОМО-КБТЭМ, KLA-Tencor, HamaTech, Applied Materials, Vistec.

Несмотря на значительное число публикаций, некоторые аспекты теории и практики изготовления фотошаблонов остаются не до конца решенными. Так, одновременно с уменьшением проектных норм интегральных микросхем и увеличением количества элементов топологии ужесточаются технические требования к фотошаблону, технологическому процессу формирования изображения топологического рисунка в маскирующем слое, процессу поиска и устранения недопустимых дефектов. При кратности переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину, равной четырем, минимальный размер топологического элемента на фотошаблоне при проектной норме интегральной микросхемы, равной 350 и 180 нм составляет 1400 и 720 нм, точность воспроизведения 60 и 35 нм, размер недопустимых дефектов маскирующего слоя 500 и 280 нм соответственно. Очевидно, что в процессе изготовления фотошаблонов должны обнаруживаться и устраняться все типы недопустимых дефектов, так как наличие всего лишь одного пропущенного дефекта на фотошаблоне делает большую партию изготавливаемых приборов неработоспособной.

Вместе с тем существующие стандартные технологические линейки и процессы имеют ряд недостатков, которые при изготовлении фотошаблонов приводят к таким негативным явлениям, как нарушение геометрической формы элементов топологического рисунка фотошаблонов; наличие вероятности повреждения поверхности стекла фотошаблона и изменение размера элементов топологического рисунка при устранении непрозрачных дефектов в месте воздействия импульсным лазером; неконтролируемый процесс формирования «заплатки» нужного размера на прозрачный дефект; несовершенная методика настройки комплекса оборудования и реализованного на нем технологического процесса. Указанные недостатки еще больше влияют на качество фотошаблонов при уменьшении размеров топологических элементов.

Кроме того, при уменьшении проектных норм ИС для обеспечения качества изображения элементов топологического рисунка, возникает необходимость применения структур коррекции - ОРС (Optical Proximity Correction) и техники повышения разрешения - RET (Resolution Enhancement Technique). При этом вспомогательные структуры ОРС и PSM (Phase Shift Mask), которые обеспечивают повышение разрешающей способности оптической системы установок проекционной литографии при переносе изображения на кремниевую пластину, могут быть существенно меньше проектной нормы интегральной микросхемы. Все это требует разработки методов компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне с целью улучшения его качества и максимального приближения геометрического рисунка топологического элемента к проектным данным.

В силу вышесказанного, российские производители интегральных микросхем с проектными нормами уровня до 180 нм необходимые фотошаблоны были вынуждены изготавливать на зарубежных фабриках, например, таких как Toppan Photomasks Inc, Photronics Inc, Dai Nippon Printing. При этом возникает проблема защиты авторских прав разработчиков и созданных ими продуктов от несанкционированного доступа и копирования. Становится очевидным, что гарантировать изготовление информационно защищенных фотошаблонов можно только в условиях отечественного производства, например на технологической линии Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и элементная компонентная база (ЦКП «МСТ и ЭКБ») МИЭТ.

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на разработку технологического процесса формирования изображения рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона для максимального приближения геометрического рисунка топологического элемента проектным данным и методик устранения недопустимых прозрачных и непрозрачных дефектов фотошаблонов для обеспечения производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка технологических процессов формирования изображения топологического рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона, режимов оборудования, методик устранения недопустимых дефектов фотошаблонов, изготовленных на технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ и предназначенных для производства интегральных микросхем уровня до 180 нм.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать последовательность операций формирования скрытого изображения топологического рисунка для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне для улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным, а также технологический процесс формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске с использованием алгоритмов коррекции геометрической формы элементов;

- разработать методику устранения недопустимых прозрачных дефектов фотошаблонов с использованием лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы на базе лазерной установки ретуши фотошаблонов;

- разработать оптимальные рекомендации по скорости перемещения координатного стола, плотности энергии непрерывного лазера, времени нагрева в заданной точке и определить зависимость параметров изображения элемента, формируемого путем осаждения вещества от технологических режимов оборудования; разработать методику устранения непрозрачных дефектов фотошаблонов, обеспечивающую отсутствие повреждения (травмирования) подложки фотошаблона и распыления остатков удаляемой металлизированной маски по полю подложки; исследовать зависимость степени повреждения стекла фотошаблона (травмирования подложки) при устранении непрозрачных дефектов от энергетических параметров наносекундного лазера установки ретуши, длительности импульса воздействия на дефект фотошаблона;

- разработать методику аттестации комплекса оборудования и реализованного на нем технологического процесса, включая процесс генерации изображения и поиска недопустимых дефектов, с целью обеспечения точностных параметров фотошаблонов, достоверных результатов контроля и адекватного определения степени критичности дефектов.

Научная новизна работы определяется комплексом теоретических и экспериментальных результатов, отражающих специфические особенности формирования изображения топологического рисунка интегральной микросхемы в маскирующем слое фотошаблона, поиска и устранения недопустимых дефектов для обеспечения производства интегральных микросхем, разработанных с проектными нормами уровня до 180 нм.

При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены новые научные результаты:

- установлена зависимость изменения ширины линии осаждаемого элемента от скорости перемещения координатного стола установки лазерной ретуши (увеличивается с уменьшением скорости перемещении стола при постоянной энергии лазера), величины энергии непрерывного лазера (увеличивается с увеличением энергии лазера при постоянной скорости перемещении стола), времени нагрева в заданной точке, протяженности осажденной области, количества проходов лазерного луча, что позволило разработать методику устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанную на исследовании закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы; установлена зависимость степени повреждения стекла от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и от кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки и на ее основе разработана методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблона, исключающая катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером (травмирование подложки);

- установлена зависимость изменения геометрической формы элементов топологического рисунка от размера и местоположения структур коррекции, что позволило разработать метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображения и последовательность операций формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне, улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным;

- разработана методика аттестации лазерного генератора изображения, которая заключается в точной настройке координатной сетки стола, обеспечивающей совместимость с генераторами изображения стратегических партнеров, путем введения поправочных коэффициентов;

- разработана методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения дефектов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработаны технологические маршрут и процесс изготовления бинарных фотошаблонов на модернизированной технологической линии для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм, включая экспонирование на лазерных генераторах изображения (ЭМ-5189, DWL-200), физико-химический процесс обработки, финишную бесконтактную отмывку поверхности фотошаблонов, контрольно-измерительные операции, поиск и устранение недопустимых дефектов на установках ЭМ-6029М, ЭМ-5001Б, монтаж пелликлов;

- на основе разработанного процесса изготовлены сотни фотошаблонов с рабочим полем 100 х 100 мм, с размерами топологических элементов на фотошаблоне до 800 нм, на щелочных и кварцевых фотошаблонных заготовках размером 127 * 127 х 2.24 мм, 152,4 х 152,4 х 6,35 мм для установок проекционной и контактной литографии с кратностью переноса изображения на кремниевую пластину 10 и 5; а также 4 и 1 для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС на предприятиях ОАО «НИИМЭ и Микрон» (249П от 16.04.09), ФГУП «РНИИРС» (3/26.09), ООО «КронТех» (1-М-2805/205 от 05.05.08), ОАО «САТУРН», ЯФ ФТИ РАН;

- разработаны технические требования к инфраструктуре, комплекту специального технологического оборудования, включая электронно-лучевой генератор изображения, контрольно-измерительное оборудование, ионно-лучевую установку устранения дефектов, установку плазмохимического травления для изготовления фотошаблонов с применением техники повышения разрешения для обеспечения производства интегральных микросхем с проектными нормами до 130 нм, программно-аппаратным средствам проектирования дизайна фотошаблона, включая проектирование вспомогательных структур ОРС (Optical Proximity Correction - коррекции оптической близости) и PSM (Phase Shift Mask — фазосдвигающих шаблонов), в рамках государственной программы «Реконструкция и техническое перевооружение "Центра проектирования, каталогизации и изготовления фотошаблонов"»;

- разработана новая схема газораспределения металлоорганического соединения для установки лазерной ретуши, отличающаяся отсутствием «зарастания» микроканала сопла и трубопроводов при проведении операции устранения прозрачных дефектов методом лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, которая была реализована на предприятии ОМО-КБТЭМ (Беларусь, г. Минск) при разработке лазерной установки устранения дефектов (БРАС 442174.030);

- результаты работы использованы при выполнении НИОКР:

- «Разработка технологического процесса изготовления фотошаблонов для субмикронной электронной компонентной базы с топологическими нормами 0,35 мкм» (открытый конкурс № 2006-Н-002: «Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области электроники, микроэлектроники и информационно-телекоммуникационных технологий, реализуемых в интересах предприятий-резидентов особой экономической зоны технико-внедренческого типа «Зеленоград)»;

- «Выполнение работ по развитию центра коллективного пользования "Микросистемная техника и электронная компонентная база" научным оборудованием (Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»);

- «Научно-методическое, организационное и материально-техническое обеспечение развития Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» научным оборудованием для проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по приоритетным направлениям Программы» (Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы).

Внедрение результатов.

1. Результаты диссертационной работы в виде технологического маршрута, технологических процессов и технологических карт (АЕСН.60275.00001; АЕСН.60201.00004; АЕСН.60202.00034;

АЕСН.60255.00020; АЕСН.60255.00021, АЕСН.60202.00035), включая технологию формирования скрытого изображения топологического рисунка и методы устранения недопустимых прозрачных, непрозрачных дефектов маскирующего покрытия, внедрены и используются в качестве базовой технологии изготовления фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм на модернизированной технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ.

2. Разработанные технические требования к инфраструктуре, комплекту специального технологического оборудования, включая программно-аппаратный комплекс проектирования дизайна фотошаблона, электроннолучевой генератор изображения, установку плазмохимического травления для изготовления фотошаблонов с применением техники повышения разрешения использованы в ОАО "Российская электроника" в рамках государственной программы «Реконструкция и техническое перевооружение "Центра проектирования, каталогизации и изготовления фотошаблонов " в обеспечение производства интегральных микросхем с проектными нормами до 130 нм » (государственный контракт № ГК-1283 от 20.12.2008).

3. Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций и методик, включая методику устранения прозрачных и непрозрачных дефектов на установке ЭМ-5001Б, методику контроля соответствия топологического рисунка проектным данным и поиска дефектов на установке ЭМ-6029М, методику измерения контролируемых элементов в ультрафиолетовом диапазоне на измерительной станции LWM-250UV, переданы в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова» для использования при изготовлении фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами до 350 нм (договор №0801-2238/20-359 от 10.02.08 г.).

На защиту выносятся:

- методика устранения недопустимых прозрачных дефектов на установке лазерной ретуши ЭМ-5001Б, основанная на исследовании эмпирических закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы и установленной зависимости изменения ширины линии осаждаемого элемента от скорости перемещения координатного стола установки лазерной ретуши (увеличивается с уменьшением скорости перемещении стола при постоянной энергии лазера), величины энергии непрерывного лазера (увеличивается с увеличением энергии лазера при постоянной скорости перемещении стола), времени нагрева в заданной точке, протяженности осажденной области, количества проходов лазерного луча; разработанные технологический процесс и режимы оборудования, позволяющие устранять функционально полный набор прозрачных дефектов любой геометрической формы размером от 500 нм и больше, восстанавливать топологические элементы шириной до 30 мкм, устранять разрывы дорожек слоя «металлизация»;

- методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблона на установке лазерной ретуши ЭМ-5001Б, основанная на исследовании процесса испарения маскирующего покрытия, исключающая катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером и установленной зависимости степени повреждения стекла от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и от кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки; разработанный технологический процесс и режимы оборудования, позволяющие устранять полный набор непрозрачных дефектов размером от 500 нм до 20 мкм за один цикл; метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображения и последовательность операций формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка типа «контактные окна», элементов с произвольным углом наклона, затворы транзисторов размером 800 нм и менее непосредственно на фотошаблоне для улучшения его качества и максимального приближения геометрической формы элементов проектным данным;

- методика аттестации лазерного генератора изображения ЭМ-5189, которая заключается в точной настройке координатной сетки стола, обеспечивающей совместимость с генераторами изображения стратегических партнеров, путем введения поправочных коэффициентов;

- методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов ЭМ-6029М, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения недопустимых дефектов.

Достоверность полученных результатов подтверждается данными экспериментальных исследований, корректностью разработанных моделей, результатами внедрения разработанных технологических процессов на технологической линии производства фотошаблонов ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ и производственной линии в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова».

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

- разработка метода моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования на генераторе изображения ЭМ-5189, технологического процесса экспонирования с использованием структур коррекции типа «сериф» для компенсации ошибок изображения геометрической формы элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне;

- разработка методики устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанной на исследовании эмпирических закономерностей процесса лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, режимов оборудования, позволяющие устранять функционально полный набор прозрачных дефектов размером от 500 нм и более;

- разработка методики и технологических режимов устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов, исключающих катастрофическое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером;

- разработка технологических режимов оборудования для обнаружения дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов с установленной степенью критичности;

- разработка методики аттестации комплекта оборудования, включая лазерный генератор изображения и установку контроля топологии и поиска дефектов;

- автор диссертации принимал активное участие в создании модернизированной технологической линии изготовления фотошаблонов в ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ, разработке схем газораспределения установки лазерной ретуши и проведении пусконаладочных работ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Школа-семинар «Проектирование и технология изготовления БИС, БМК и ПЛИС», г. Гурзуф, НИИ Молекулярной электроники, 1990;

VIII научно-практический семинар «Проблемы создания радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур», Нижний Новгород, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова», 2008;

Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМТ-2008» МАТИ-РГГУ им. Циолковского, Москва, 2008;

Information and Brokerage Conference on Information and Communication Technologies in the EU's 7th Framework Programme, Moscow, 2008;

IX научно-практический семинар «Проблемы создания радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур», Нижний Новгород, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова», 2009.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 тезис доклада конференции, 5 статей в научных сборниках, 4 авторских свидетельства, 1 патент на полезную модель. Без соавторов опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 242 страницы, в том числе 181 страница основного текста, 61 страница приложения, 89 рисунков, 45 таблиц и список литературы из 75 наименований.

Выводы по главе 4

1. На базе технологической линии ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ автором разработан состав модернизированной технологической линии и новый процесс изготовления фотошаблонов методом лазерной литографии, в том числе процессы бесконтактной финишной отмывки фотошаблонов и монтажа пелликлов.

2. Разработаны методики настройки специального технологического оборудования для обеспечения установленных точностных параметров фотошаблонов.

3. Разработаны режимы оборудования и методика измерения элементов топологического рисунка в УФ диапазоне источника освещения.

4. Экспериментально установлено, что вероятность появления ложных мягких дефектов становится близка нулю после бесконтактной финишной отмывки фотошаблонов на модернизированной технологической линии.

5. Результаты производственной проверки фотошаблонов, изготовленных для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС, на соответствие техническим требованиям заказчика показали, что разработанные технологический процесс, режимы оборудования и методики устранения дефектов обеспечивают высокие технические характеристики изделия.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработан модернизированный технологический маршрут изготовления фотошаблонов, отличающийся тем, что представленные в работе технологические процессы, методики устранения дефектов, режимы оборудования в совокупности позволили впервые в России создать производство фотошаблонов для изготовления интегральных схем технологического уровня до 180 нм.

2. Разработана методика устранения недопустимых прозрачных дефектов, основанная на установленной автором диссертации закономерности, заключающейся в увеличении ширины линии осаждаемого вещества при уменьшении скорости перемещения координатного стола и увеличении энергии лазера установки ЭМ-5001Б, в процессе лазерно-стимулированного осаждения металлоорганического вещества из газообразной фазы, которая позволяет устранять функционально полный набор прозрачных дефектов размером от 500 нм и более, включая восстановление геометрической формы топологических элементов.

3. Разработана методика устранения непрозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов на установке ЭМ-5001Б, основанная на установленной зависимости степени повреждения стекла от энергетических параметров наносекундного лазера, длительности импульса воздействия на поверхность стекла фотошаблона и кратности увеличения объектива оптической системы лазерной установки. Разработанные режимы оборудования позволяют устранять функционально полный набор непрозрачных дефектов размером от 500 нм до 20 мкм за один цикл и исключают недопустимое повреждение стекла фотошаблона в месте воздействия импульсным лазером.

4. Разработан метод моделирования изображения топологического рисунка фотошаблонов в фоторезистивной маске до проведения процесса экспонирования и технологический процесс формирования изображения топологического рисунка в фоторезистивной маске с использованием структур коррекции типа «сериф» для компенсации ошибок изображения элементов топологического рисунка непосредственно на фотошаблоне с целью улучшения его качества и максимального приближения формы геометрического рисунка топологического элемента проектным данным.

5. Разработана методика аттестации лазерного генератора изображения ЭМ-5189, основанная на точном определении (измерения проводились на станции IPRO) реального местоположения контрольных точек координатной сетки, сравнении координат с проектными данными, вычислении коэффициентов компенсации погрешности, что обеспечивает совместимость с генераторами изображения зарубежных и российских стратегических партнеров при изготовлении смешанных комплектов фотошаблонов.

6. Разработана методика настройки установки контроля топологии и поиска дефектов ЭМ-6029М, которая основана на точном расчете необходимого количества циклов считывания рисунка топологии фотошаблона для подтверждения установленной вероятности обнаружения дефектов и учитывает зависимость линейных размеров дефекта и их пространственное распределение.

7. В результате практической реализации предложенного автором модернизированного технологического процесса, режимов оборудования, методик устранения дефектов на модернизированной технологической линии в ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ, в состав которой включены две новые установки, а именно многофункциональная бесконтактная установка" финишной отмывки фотошаблонов и полуавтоматическая установка монтажа пелликлов, было изготовлено несколько сотен фотошаблонов на кварцевом и щелочном стекле размером 152,4 х 152,4 х 6,35 мм'и 127 х 127 х 2.24 мм с минимальным размером топологического элемента на фотошаблоне 800 нм для производства изделий микросистемной техники (микроакселерометров и гироскопов), многофункциональных интегральных оптических элементов, микросхем с туннельными диодами, СВЧ-транзисторов, заказных СБИС для ФГУП «РНИИРС» (3/26.09), ООО «КронТех» (1-М-2805/205 от 05.05.08), ОАО «САТУРН», ЯФ ФТИ РАН, НПК «Технологический центр» МИЭТ (28.04/112 от 30.12.08). Впервые изготовлены мультислойные фотошаблоны для производства ИС с проектными нормами 180 нм со 100%-ным выходом годных для ОАО «НИИМЭ и МИКРОН» г. Москва (договор №249П от 16.04.09 г.).

1. Alfred Kwok-Kit Wong. Resolution Enhancement Techniques in Optical Lithography. SPIE PRESS, USA 2001, pp. 1-213.

2. Uwe Behringer. Foreword of the 19th European Mask Conference on Mask Technology for Integrated Circuts and Micro-Components. Lectures held at the GMM-Conference. January 13-15, 2003 in Sonthofen, Germany, pp.1-2.

3. Аваков C.M., Карпович C.E., Овчинников B.A., Титко Е.А. Операции контроля топологии в технологическом процессе изготовления фотошаблонов// Электроника инфо.-2008.- №1.-С. 44.

4. Кузин С.М., Овчинников В.А., Панасюк В.Н. Электрическое тестирование шаблонов//Микроэлектроника.-1988.-изд. Наука-том 17-вып.2-С. 162

5. У.МОРО. Микролитография. Принципы, методы, материалы. Часть 1 Москва «Мир», 1990.- стр.112

6. Чехович Е.К. Оптико-электронные методы автоматизированного контроля топологии изделий микроэлектроники.- Минск: Наука и техника, 1989г. -213 с.

7. Беспалов В.А.,Овчинников В.А., Базанов Д.В., Аваков С.М. Методы устранения дефектов топологии интегральных микросхем на фотошаблонах// Известия вузов. Электроника.-2008.-№6.-С.20-29

8. Syarhei Avakaw. High productivity object-oriented defect detection algorithms for the new modular die-to-database reticle inspection platform.Proceedings of SPIE Vol. 5835, pp.290-299, Jun 2005.

9. Syarhei Avakaw, Aliaksandr Korneliuk, Alena Tsitko. A prospective modular platform of the mask pattern automatic inspection using the die-to-database method. SPIE Volume 5853, pp.965-976, Jun 2005.

10. W. Broadbent, et al., "Results from a new die-to-database reticle inspection platform", Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXI, Chas N.Archie, Ed., Proc. of SPIE, Vol.6518, p.651821, 1-14,2007.

11. SEMI P23 Guidelines for Programmed Defect Mask and Benchmark Procedures for Sensitivity Analysis of Mask Defect Inspection Systems.-SEMI 1993,1995.

12. Syarhei Avakaw, Aliaksandr Korneliuk, Alena Tsitko. A prospective modular platform of the mask pattern automatic inspection using the die-to-database method. SPIE Volume 5853, pp.965-976, Jun 2005

13. W. Broadbent, et al, "Results from a new reticle defect inspection platform", 23rd Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Kurt R. Kimmel, ed., Proc SPIE Vol 5256, p. 474-488, 2003

14. W. Broadbent, et al, "Results from a new die-to-database reticle defect inspection platform", Photomask and Next Generation Lithography XI, Hiroyoshi Tanabe, ed., Proc SPIE Vol 5446, p. 265-278, 2004

15. J. Heumann, et al, "Detailed comparison of inspection tools: capabilities and limitations of the KLA 576", 25th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, J. Tracy Weed, ed., Proc SPIE Vol 5992, p. 599246, 2005

16. A. Dayal, et al, "Optimized inspection of advanced reticles on the TeraScan reticle inspection tool", 25th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, J. Tracy Weed, ed., Proc SPIE Vol 5992, p. 599245, 2005

17. K. Bhattarcharyya, et al, "Process window impact of progressive mask defects, its inspection and disposition techniques (go / no-go criteria) via a lithographic detector", 25th Annual BACUS Symposium on Photomask

18. Technology, J. Tracy Weed, ed., Proc SPIE Vol 5992, p. 599206, 2005

19. S. Maelzer, et al, "High-resolution mask inspection in advanced fab", Photomask Technology 2006, Patrick M. Martin, Robert J. Naber, ed, Proc SPIE Vol 6349, p. 63490S, 2006

20. S. Teuber, et al, "Limitations of optical reticle inspection for 45nm node and beyond", Photomask Technology 2006,Patrick M. Martin, Robert J. Naber, ed, Proc SPIE Vol 6349, p. 63490T, 2006

21. W. Broadbent, et al., "Results from a new die-to-database reticle inspection platform", Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXI, ChasN. Archie, Ed., Proc. of SPIE, Vol. 6518, p. 651821, 2007

22. Vicky Philipsen, Rik Jonckheere. A Printability Study for Phase-Shift Masks at 193 run Lithography. Lectures held at the GMM-Conference. January 13-15, 2003 in Sonthofen, Germany, VDE Verlag. pp.67-77.

23. Franklin Kalk, Anthony Vacca, Peter Radcliff. Pinhole Defect Detection and Printability Prediction. SPIE Vol. 2884/104-112. September 1996.)

24. Voznesensky N.B., Belozubov A.V.Polarization effects on image quality of optical systems with high numerical apertures. Proc. SPIE, 1999,p.366-373.

25. Ионно-лучевая установка для ремонта фотошаблонов// Электроника.-№1.-1986.- том 59.- С.99-100.

26. Аваков С.М., Карпович С.Е., Овчинников В.А., Титко Е.А., Г.Трапашко. Оптико-механические комплексы для бездефектного изготовления фотошаблонов 0.35мкм и 90нм.// Фотоника.- Научно-технический журнал.-2007.-№ 6.-С.35-37.

27. Christian Ehrlichl, Klaus Edinger, Volker Boegli, Peter Kuschnerus. Application data of the electron beam based photomask repair tool MeRiT MG// Lectures Held at the GMM Conference. EMLC. 2005. - P.125-129.

28. V.A. Boegli, K. Edinger, M. Budach, T. Hofmann, and J. Oster, Latest performance results from Zeiss/Nawotec MeRIT MG electron-beam mask repair tool", in 24th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE Vol. 5567, paper 5567-165,2004.

29. T. Liang, E. Frendberg, D. Bald, M. Penn and A.R. Stivers. E-beam Mask Repair: Fundamental Capability and Applications, in 24th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE Vol. 5567, paper 556749,2004

30. R. White, M. Verbeek, R. Bozak, M. Klos. Use of Nanomachining as a Technique to Reduce Scrap of High-end Photomasks. // 21st Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Editors, G.T. Dao, B.J. Grenon,-2002. -Vol. 4562, pp. 213-224.

31. OPC Structures for Maskshops Qualification for the CMOS 65nm and CMOS 45 nm nodes. F. Sundermann, Y.Trouiller, J.C.Urbani, et. al./Proc. Of SPIE Vol.6533, OE, pp.1-13

32. Syarhei Avakaw. High productivity object-oriented defect detection algorithms for the new modular die-to-database reticle inspection platform.SPIE Vol. 5835, pp.290-299, Jun 2005.

33. Черняев B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров//Москва.- Радио и связь. 1987.-c.237

34. Ионно-лучевая установка для ремонта фотошаблонов// Электроника.-№1.-1986.-том 59.-С.98.

35. B.LoBianco et al. "Use of Nanomachining for 100 nm Nanometer Mask Repair", Proc. SPIE, Vol. 4889, pp.909 921 (2002).

36. Овчинников В.А. Исследование технологического процесса устранения прозрачных дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов//Известия вузов. Электроника.-2008.-№5.-С.11-17

37. S. Preuss, A. Demchuk, and М. Stuke, "Subpicosecond UV laser ablation of metals", Appl.Phys. A, 1995, 61, 1, pp. 33-37.

38. T. Gotz and M. Stuke, "Short-pulse UV laser ablation of solid and liquid metals: indium", Appl. Phys. A, 1997, 64, 6, pp. 539-543.

39. M. Feuerhake, J.H. Klein-Wiele, G. Marowsky, and P. Simon, "Dynamic ablation studies of submicron gratings on metals with sub-picosecond time resolution", Appl. Phys. A, 1998, 67, 5, pp. 603-606.

40. K. Furusawa, K. Takahashi, H. Kumagai, K.Midorikawa, and M. Obara, "Ablation characteristics of Au, Ag, and Cu metals using a femtosecond Ti:sapphire laser", Appl. Phys. A, 1999, 69, 7, pp. S359-S366.),

41. Овчинников B.A Исследование технологического процесса устранения непрозрачных дефектов фотошаблонов на лазерном ретушере ЭМ-5001Б.//Естественные и технические науки.-№3.-2009.-С.450-457.

42. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Москва, «Высшая школа», 2001.-575с.

43. Математическая энциклопедия, (в пяти томах). Под ред. И.М. Виноградова. Москва, "Советская энциклопедия", 1977г. 51.Alfred Kwok-Kit Wong.

44. Овчинников В. А Технологические режимы поиска дефектов маскирующего покрытия фотошаблона на установке контроля топологии ЭМ-6029М. //Известия вузов. Электроника.- 2009. №3(77).-С.85-87

45. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков M.M., и др. Способ изготовления фотошаблона//Авторское свидетельство № 1568759.-1988г.

46. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков М.М., и др. Способ изготовления фотошаблона// Авторское свидетельство № 1561719 .-1988г.

47. Овчинников В.А., Калачев Б.В., Пермяков М.М., Мишачева М.П., Юдин С.А. Способ формирования рельефного микроизображения в слое хрома.// Авторское свидетельство № 1674643-1989г.

48. G. Schlueter, G. Scheming, J. Helbing, S. Lehnigk, H.-J. Brueck, „А new 248 nm CD measurement system for future mask and reticle generation", Proc. SEMI, Semicon Korea Technical Symposium, pp. 203-208, 2001

49. Leica Deep-UV Technology High-resolution imaging & defect review, www.leica-microsystems.com

50. B.Bunday, W.Lipscomb, J. Allgair, K.Yang, S.Koshihara, H.Morokuma, L.Page, A.Danilevsky, Automated CD-SEM Recipe Creation — A New Paradigm in CD-SEM Utilization, SPIE Microlithography Conference 2006, Proc. SPIE 6152, p61521Bl (2006).

51. E.Solecky, K.Chin, G.Qu, H.Yang, G.Lorusso, A.Azordegan, Automated SEM tilt ready for primetime: a fast in-line methodology for differentiating lines vs. spaces, SPIE Microlithography Conference 2005, Proc. SPIE 5752, p.351,2005.

52. Leica LMS IPR04, www.kla-tencor.com/current-metrology/reticle.html

53. Vistec Semiconductor, "Leica LMS IPR03, LMSCORR Software Manual, Version 7.0," 2005.

54. Беспалов B.A., Овчинников B.A., Рыгалин Д.Б., Лышенко А.В., Зайченко С.Е., Устройство для устранения дефектов фотошаблона// Патент на полезную модель №> 80284, 01.07.2008г

55. Овчинников В.А., Коробов А.И., Никифорова Э.В. Тестовые схемы для оценки качества металлизации БИС.// Электронная техника. Микроэлектронные устройства,- Выпуск 2(50).-1985г.

56. Овчинников В.А., Баюков В.Б., Калачев Б.В., Гончаренко Н.О. Способ контроля топологического рисунка шаблона интегральной микросхемы.// Авторское свидетельство № 1547624.-1988г.

57. С. Аваков ., Е.Титко .,С.Русецкий.,Г.Ковальчук. Оборудование ГНПО «ПЛАНАР»-регионам России //ЭЛЕКТРОНИКА:Наука, Технология, Бизнес.-2009.-№3 .-С.52-54.

58. Овчинников В.А. Разработка технологии ретуши прозрачных дефектов фотошаблона на лазерной установке ЭМ-5001Б. //Известия вузов. Электроника.-2009 №4(78)-С.25-28

59. SEMI РЗ-0298 SPECIFICATION FOR PHOTORESIST/E-BEAM RESIST FOR HARD SURFACE PHOTOPLATES

60. SEMI Pl-1101 SPECIFICATION FOR HARD SURFACE PHOTOMASK SUBSTRATES

61. SEMI P2-0298 SPECIFICATION FOR CHROME THIN FILMS FOR HARD SURFACE PHOTOMASKS

62. Черняев B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров//Москва.- Радио и связь. 1987.-c.205

63. Овчинников В.А Коррекция геометрической формы топологического элемента фотошаблона на лазерном генераторе изображения ЭМ-5189//Естественные и технические науки.-№4.-2009.-С.502- 505

64. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров//Москва.- Радио и связь. 1987.-c.227