Brevet FR2358688A1 — publié le 19780210

La présence invention se rapporte au domaine de la microélectronique, et plus particulièrement, aux procédés de production des masques photographiques transparents utilisés en photolithographie pour fabriquer de microcircuits à couche mince et de microcircuits intdgrés par les procédés de la technologie planas. On utilise largement, à l'heure actuelle, au moins deux procédés principaux de fabrication de masques photographiques transparents. Chacun de ces procdaés de fabrication de masques photographiques transparents consiste en la formation d'une couche de masquage, transmettant en partie des rayons de lurnière actinique, dans une zone sous-jacente à la surface d'un substrat, cette zone étant transparente pour ce méme rayonnement et en la création eonsécutive, dans cette méme couche de masquage, d'un dessin topologique en relief. Dans le premier de ces procédés, la formation de la couche de masquage dans la zone sous-jacente à la surface du substrat prévoit une coloration de la surface du substrat (plaque de verre) en le dopant aux ions de cuivre par diffusion dlectrique et en réduisant ensuite lesdits ions. la couche mince de masquage obtenue est ensuite dépouillée aux endroits ndeessaires par la méthode de la photolithographie, par décapage:: chimique ou ionique, en vue d'obtenir le dessin topologique en relief. 1)'habitude, le décapage de la couche colorée se fait jusqu'à son élimination complète et la profondeur du relief géométrique créé correspond à l'épaisseur de la couche dopée, permettant ainsi d'obtenir ce qu'il est convenu d'appeler des"masques photogrq#ii~ques à diffusion". Conformément au deuxième desdits procédés, la couche de masquage est formée à la surface du substrat en déposant sur celui-ci (plaque de verre) une couche de masquage continue (le plus souvent en oxydes de fer) d'une épaisseur assurant une atténuation suffisante du rayonnement actinique. Puis, comme dans le premier cas, on forme dans cette couche de masquage, par photolithographie, un dessin topologique en relief, en dépouillant coRplètement la couche de masquage aux endroits appropriés. le relief géométrique que l'on peut obtenir sur un masque photographique de ce type est déterminé par l'épaisseur de la couche de masquage déposée. les masques photographiques transparents fabriqués par les procédés décrits plus haut présentent un niveau élevé non contrôlable et souvent inadmissible, de distorsions de diffraction liées à la présence d'un relief géométrique dont la valeur n'est pas prédéterminée, mais dépend uniquement de l'épaisseur de la couche de masquage. Comme il n'esiste pas, ordinairement, de limitations sévères en ce qui concerne l'épaisseur de la couche de masquage, et que, dans le cas des masques photographiques obtenus par diffusion, la notion meme d'épaisseur de la couche de masquage est assez conventionnelle, les deux types de masques photographiques se caractérisent par la non reproductibilité de leurs caractéristiques. De plus, ainsi qu'il sera exposé ci-dessous, un relief d'une valeur strictement constante mais mal choisie mène à un niveau élevé stable des distorsions dues à la diffraction et rend inaptes au fonctionnement de tels masques photographiques. Une analyse théorique des conditions provoquant l'apparition des distorsions dues à la diffraction permet d'établir une relation entre ces phénomènes et les caractéristiques optiques des masques photographiques, ainsi que de formuler à l'égard de ceut-ci des exigences garantissant, lors de leur utilisation, un niveau bas stable des distorsions dues à la diffraction. La présente invention vise un procédé de fabrication de masques photographiques transparents, selon lequel la formation d'un relief géométrique prédéterminé s'effectue de telle manière oue les masques photographiques obtenus présentent un bas niveau de distorsions dues à la diffraction, un grand intervalle des luminations différenciées, et de ce fait, une haute stabilité vis-à-vis de l'apparition de défauts types dus à la diffraction. Ce problème est résolu gracie à un procédé de fabrication de masques photographiques transparents, consistant à former une couche de masquage, transmettant partiellement les rayons d'une lumière actinique, dans la zone sous-jacente à la surface du substrat et transparente pour ce meme rayonnement, et à réaliser ensuite un relief géométrique prédéterminé, ledit procédé étant caractérisé selon l'invention, en ce que ledit relief géométrique prédéterminé est obtenu par dépouillement localisé et couche par couche du matériau du côté de la couche de masquage, avec mesure simultanée de la différence de phase optique entre les rayons de lumière actinique traversant les parties de masquage et transparente du masque photographique, jusqu'à l'obtention d'une profondeur de relief assurant une différence de phase optique multiple de 2 RI Le procédé proposé assure une haute stabilité de la photolithographie avec utilisation de masques photographiques transparents, une extension de l'intervalle des luminatiens différenciées admissibles, une diminution des exigences concernant la densité optique des revStements de masquage et une reproductibilité des caractéristiques optiques des masque. photographiques. L'invention va être expliquée dans ce qui suit par la description d'un mode de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une répartition typique d'éclairement, engendrée par un élément clair isolé d'un masque photographique transparent ; - la figure 2 eat un diagramme des variations de l'intervalle utile des niveaux d'éclairement en fonction des caractéristiques du masque photographique, ctest-à-dire du contraste K et de la différence de phase initiale - la figure 3 représente la répartition des niveaux d'éclairement au voisinage du bord d'un grand élément topologique du masque photographique transparent ;; - les figures 4 et 5 représentent la répartition de l'éclairement sous l'angle de masquage d'un masque photographique à contraste K-~1 et à phases X = O et ç = 7ç respectivement - la figure 6 illustre la formation de la différence de phase initiale (déphasage) lors du passage d'une lumière actinique à travers le masque photographique transparent ; - la figure 7 illustre une des réalisations constructives possibles du masque photographique obtenu par le procédé proposé (le masque photographique est montré en coupe). Le procédé de fabrication de masques photographiques transparents selon l'invention comprend la formation d'une couche de masquage transmettant partiellement les rayons d'une lumière actinique dans la zone sous-åacente à la surface d'un substrat (ordinairement, d'une plaque de verre) et transparente pour ce meme rayonnement. La couche de masquage peut être forée de deux manières: premièrement, par coloration de la surface du substrat, en la dopant, par électrodifusion, aux-ions de cuivre et en réduisant ensuite ceux-ci ; les masques photographiques obtenus par coloration de la couche de masquage seront appelés dans ce qui suit "masques photographiques obtenus par diffusion" ; deuxièmement, en déposant sur le substrat une couche de masquage continue (le plus souvent en oxydes de fer) d'une épaisseur assurant une atténuation suffisante du rayonnement actinique; On réalise ensuite dans ces couches, par photolithogra- phie, un dessin topologique en relief prédzéterpiné. Dans ce but, par décapage chimique ou ionique, on dépouille localement et couche par couche le matériau du cOté de la couche de masquage. Ce matériau éliminé peut être celui de la couche de masquage obtenue et, au besoin, celui du substrat de verre. Le dépouillement localisé et couche par couche se fait avec mesure simultanée de la différence de phase optique entre les rayons de lumière actinique traversant les parties de masquage et transparente du masque photographique, jusqu'à ce que la profondeur du relief géométrique assure une différence de phase optique qui soit multiple de 2 W Les masques photographiques fabriqués par le procédé proposé présentent un bas niveau de distorsions dues à la diffraction, un grand intervalle de luminations différenciées, et donc une haute stabilité vis-à-vis des erreurs d'exposition et dans la conduite du développement et des irrégularités d'éclairement suivant le champ utile, ainsi que des exigences moins sévères en ce qui concerne la densité optique des revatements de masquage. Etant donné qu'à la base du procédé selon l'invention se trouve la diminution des effets de diffraction, on va examiner plus en détail ces effets, les conditions de leur apparition et les facteurs qui les influencent. Il est connu que ces effets sont dus, d'une part, aux propriétés particulières du faisceau d'éclairage, sa grande cohérence et son monochromatisme suffisant, et d'autre part, à la présence d'un espacement séparant les surfaces en contact (en photolithographie par contact), ou bien à une focalisation imprécise de l'image du masque photographique ur le récepteur de lumière (plaque d'impression utilisée pour la copie par projection). Les effets de fiffraction se manifestent surtout en photolithogfaphie avec emploi de masques photographiques transparents, ce qui s' explique par la transmission partielle de la lumière actinique par leurs revEtements de masquage. A cause de ce facteur, lors du transfert de l'image du masque photographique transparent sur la couche photosensible de la plaque d'impression, il se produit souvent un contour dédoublé de l'image dans la zone d' ombre (an cas de sureXposition) ou de lumière (en cas d'exposition insuffisante).Afin d'éviter l'apparition d'un contour dédoublé on doit effectuer l'exposition sans sortir des limites d'un intervalle de luminations prédéterminé, qui est fonction de l'intervalle de travail des niveaux d'éclairement (voir la figure 1) et dépend des caractéristiques optiques du masque photographique. La figure 1 est une représentation schématique de la répartition d'éclairement assurée par le masque photographique transparent, où sur l'axe des abscisses sont portées les coordonnées X dans le plan du récepteur de lumière, tandis que sur l'axe des ordonnées est porté l'éclairement Le repère 1 désigne ici la couche de masquage, "a" étant le point le moins éclairé de la plage claire, "b", le point le plus éclairé de la plage sombre, t 3 3 la différence des niveaux d'éclairement aux points "a" et "b" correspondant à l'intervalle utile d'd ment. La théorie de fiffraction de Kirchhoff permet de calculer la répartition de l'éclairement sur la plaque d'impression en fonction des caractéristiques optiques des masques photographiques utilisés et des conditions d'exposition. Il est connu que le contraste K et la différence initiale q des phases constituent-les caractéristiques optiques essentielles d'un masque photographique. Ces paramètres, en association avec la valeur de l'espacement, définissent de façon complète le tableau de diffraction, et en particulier, l'intervalle d'éclairement (voir la figure 2). Sur la figure 2, sur l'axe des ordonnées est porté l'éclairement j aux points caractéristiques "a" et tttr du tableau de diffraction en fonction du contraste K ou de la valeur # = 1 porte sur l'axe des abscisses. Les branches #K inférieures des familles de courbes représentent ici le niveau d'éclairement en fonction du contraste aux points les plus éclairés de la plage sombre (points caractéristiques du type "b" figure i), et les branches supérieures, le niveau d'éclairement en fonction du contraste aux points les moins éclairés de la plage claire (points caractéristiques du type "a", figure 1). Chaque famille de courbes représentée sur la figure 2 correspond à une valeur prédéterminée de déphasage, indiquée sur le diagramme. De la sorte, la différence des valeurs d'iclairement des branches supérieure et inférieure des courbes de chaque famille de courbes caractérise l'intervalle utile d'éclairement propre à un masque photographique ayant des valeurs K et # données. Une analyse des données théoriques met en évidence que l'intervalle de luminations différenciées et l'intervalle utile d'éclairement les plus élevés, et donc la plus grande tenue vis-à-vis des distorsions dues à la diffraction du type "contour dédoublé", sont ceux des masques photographiques ayant un contraste K maximal et un écart minimal de la valeur par rapport à zéro. Un contraste K élevé peut titre atteint en créant une couche de masquage de haute densité optique dans la partie actinique du spectre. Toutefois, la formation de couches de masquage suffisamment transparentes dans la partie du spectre visible et pratiquement opaques pour la lumière actinique, est liée à des difficultés considérables. Or, la figure 2 montre que, tout de mimez les Masques photographiques pour lesquels # = O présentent un intervalle de luminations différenciées plus grand que celui des masques photographiques pour lesqFels , même lorsque les premiers présentent un contraste notablement pins bas. On va examiner ci-après des exemples concrets illustrant l'influence exercée par le déphasage initial sur la valeur de l'intervalle utile d'éclairement. la figure 3 représente les répartitions d'éclairement 3 crées par une bande sombre isolée suivant l'axe X situé dans le plan d'un récepteur de lumière se trouvant à une distance Z = 5 @ du masque photographique, pour le cas de masques photographiques transparents d'un mEme contraste K = 11, mais à différents déphasages initiaux : t - O (courbe en pointillé correspondant à un masque photographique fabriqué selon la présente invention et # = q (le déphasage le plus défavorable résultant d'un mauvais choix de la profondeur du relief). La plage hachurée sur la figure 3 correspond à la zone sombre géométrique due à un élément topologique. Pour le cas où # = O, ## = 0,66 ; pour # = #, ## baisse jusqu'à 0,38. L'influence du déphasage initial devient encore plus évident, quand on compare les répartitions dues à la diffraction des éclairements sous des angles de masquage des masques photographiques transparents pour lesquels # = O et 9 (voir figures 4 et 5, respectivement). Les figures 4 et 5 représentent les champs numériques à deux dimensions traduisant les répartitions d'éclairement dues à la diffraction. Les points à méme éclairement sont reliés par des lignes continues (isoler) portant des chiffres qui indiquent le niveau d'éclairement en pourcentage de l'éclairage de la plage claire, loin de ses frontières. La ligne épaisse continue indique les frontières d'une ombre géométrique sous l'angle de masquage. ici ## = 0,61 pour f et devient infiniment petit (Ass = 0,06) quand # = #. Les figures de 2 à 5 mettent en évidence les avantages offerts par les masques photographiques pour lesquels 9 SJ O. rJ,' > De tels masques photographiques présentent un intervalle de luminations différenciées plus élevé que ceux des masques photographiques ayant d'autres valeurs de # , méme pour un contraste K sensiblement plus bas. Le mécanisme de formation du déphasage initial est expliqué ci-dessous d l'aide de la figure 6. Ici, le repère 2 désigne le substrat de verre (plaquette) du masque photographique, le repère 3, un récepteur de lumière, par exemple une couche de "photoresist", une émulsion photographique. L'examen qui va suivre est assez simplifié mais suffisamment précis. On suppose que le déphasase initial est uniquement dû au relief formé après le dépouillement de la couche de masquage. Les deux rayons 4 et 5 de lumière actinique, à longueur d'onde de A o dans le vide, traversent o le verre du masque photographique et sont de méme phase # 1 = # 2 lorsqu'ils atteignent le plan C.Puis, le faisceau 5 se propage dans le verre, où il est caractérisé par une longueur d'onde Â o/n. (n mitant l'indice de réfraction de la couche de masquage pour la longueur d'onde considéré), tandis que le rayon 4 se propage dans l'air où la longueur d'onde est égale à 2 O. En conséquence, les deux faisceaux atteignent le plan C avec une certaine différence de phase qui est fonction de la longueur de leur parcours optique dans les divers milieux, c'est-à-dire de la profondeur "d" du relief géométrique.Quantitativement, cette relation peut titre exprimée par la formule : il est évident que dans le cas d'un indice de réfraction n constant pour toute la couche de masquage, la formule (i) prend la forme : Le procédé proposé est basé sur le fait que les masques photographiques à déphasage initial t multiple de 2 c'est-à-dire à déphasage initial # = 2# ; 4 g ; 6 # ; etc, sont tout à fait identiques du point de vue optique à ceux sans relief, c1est-à-dire ceux pour lesquels # = O. il ressort des formules (1) et t2) que le déphasage nécessaire = 2Ç(; 4# , etc, peut etre obtenu par dépouillement contrôle' de la couche de masquage (et du substrat) jusqutà une profondeur déterminée. Ces mêmes formules permettent de calculer facilement cette profondeur. le relief géométrique obtenu lors de la formation d'un dessin dans la couche de masquage doit avoir une profondeur assurant une différence optique de phases multiple de 2Ç entre les rayons de lumière actinique qui ont traversé les parties de masquage et transparente du masque photographique. Dans ce qui suit, le procédé selon l'invention est expliqué à l'aide d'exemple de réalisation concrets mais non limitatifs. La description de la technologie de fabrication des masques photographiques ne sera pas répétée, étant donné qu'elle a été donnée en détail plus haut. EXEMPLE 1. Lors de la réalisation d'un masque photographique transparent par dépôt pyrolytique sur un substrat de verre d'une couche de masquage en oxydes de fer d'une épaisseur de :s 800 A, et par dépouillement localisé total de ceux-ci pour réaliser le dessin, le déphasage initial f sur le relief ainsi créé s'exprime par la formule : (Ici, pour la longueur d'onde A Os est dioisie une valeur de 0,49 utilisée ordinairement dans le procédé photolithographique). Un tel masque photographique est inapte au fonctionnement, car son intervalle de luminances différenciées est très petit (de l'ordre de quelques unités de pourcentage) et, compte tenu des erreurs d'exposition, de l'irrégularité d'éclairement suivant le champ utile et des erreurs de dSveloppement, on aura touJours des rebuts de reproduction. Pour pouvoir produire un masque photographique apte au #onctionnement à base d'un revêtement de masquage en oxydes de fer, on doit soit augmenter l'épaisseur de cette couche jusqu'a 1 330 A (alors # = 2#), soit, lorsque la couche est déjà forme et que son épaisseur est de 800 As décaper dans les "fenêtres" de la couche de masquage la substrat transparent jusqu'à une profondeur assurant un déphasage supplamentaire de 0,8# afin que la valeur totale du déphasage constitue # = 2#. EXEMPLE 2. On peut facilement calculer 1' épaisseur nécessaire de la couche de Si sur un masque photographique à rev4tement en silicium, pour obtenir # = 297. La formule (2) permet décrire -: EXEMPLE 3. il est un peu plus compliqué de calculer la profondeur d'un relief assurant # = 2# dans le cas d'un masque photographique à couche de masquage obtenue par diffusion, car, strictement parlant, on a dans ce cas : n = n(x), et la relation entre l'indice de réfraction et la profondeur n'est généralement pas connue au préalable. Néanmoins, en choisissant un indice de réfraction effectif moyen quelconque pour toute la couche, on peut déterminer la profondeur nécessaire du relief.Ainsi, pour un masque photographique ayant une couche de masquage déposée par électrodiffusion du cuivre à partir d'alliages de plomb et de bismuth, suivie d'une réduction des ions de cuivre dans le verre, l'indice de réfraction n peut être de # 2,1 à 2,5 En considérant cet indice comme étant constant dans la couche colorée et égale à 2,5, on trouve la profondeur de décapage recherchée :: d = ##### = 0,27# En mesurant par des méthodes optiques le déphasage initial sur le relief d'un tel masque photographique, on a trouve qu'en effet # correspondait à 21j;, Pour divers lots de verre à coloration par diffusion, la profondeur de décapage assurant l'égalité 9- 2Ifétait comprise entre 0,25 et 0,30# . EXEMPLE 4. La profondeur de décapage nécessaire peut etre évaluée par calcul préalable et déterminée de façon bien précise, en dépouillant couche par couche la couche de masquage et au besoin le substrat transparent du masque photographique (voir la figure 7), et en mesurant simultanément le déphasage, par exemple au moyen d'un réfractomètre de Jasmin. La figure 7 illustre une des réalisations constructives possibles d'un masque photographique à = 2 t exécuté par le procédé proposé. Ici, le repère 6 désigne une couche de masquage d'épaisseur "d". Le déphasage nécessaire (iP = est obtenu par dépouillement supplémentaire du matériau du substrat 2 jusqu'à une épaisseur h-d, où h est la profondeur du relief géométrique. De la sorte, les masques photographiques produits par le procédé de l'invention selon les exemples 1 à 4 sont caractérisés par un niveau bas et reproductible de distorsions dues à la diffraction, par un intervalle plus grand des luminations différenciées admissibles, par une qualité élevée des reproductions photolithographiques obtenues à l'aide de ces masques photographiques.La pratique de l'utilisation des masques photographiques de diffusion a' contraste K = 20 à 25, exécuté selon l'exemple 3 avec obtention de T = 2 montre que de tels masques photographiques assurent, dans les conditions industrielles, une haute qualité de photolithographie de dessins topologiques de dimensions minimales de 2 ! . Les erreurs des écarts de lumination de 2 à 3 fois ne provoquent pas l'apparition de "contours dédoublés, Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n1 ont été donnés outà titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. IZEVENDICAIIONS 1. Procédé de fabrication de masques photographiques transparents, du type consistant à former, dans la zone sous-jacente à la surface d'un substrat et tteznsparent à une lumière actinique, une couche de masquage laissant passer partiellement ladite lumière, et à réaliser ensuite un dessin topologique en relief prédéterminé, caractérisé en ce que ledit dessin topologique est créé en dépouillant localement, couche par couche, le matériau du c#té de la couche de masquage, et en mesurant simultanément la différence optique de phases entre les rayons de lumière actinique traversant les parties de masquage et transparente du masque photographique, juscu'à l'obtention d'une profondeur du relief géométrique assurant une différence optique de phases multiple de 2Ç'i-. 2. Masques photographiques transparents caractérises en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de la revendication le