Brevet FR2460496A1 — publié le 19810123

Description Domaine Technique La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des réticules sur plaques chromées directement par un générateur d'images sans passer par l'intermédiaire d'une plaque émulsion. Elle concerne plus particulièrement un procédé, mettant en oeuvre une plaque de verre recouverte par une couche de chrome, enduite d'une résine photosensible très mince, et un système d'illumination spécial par lampe flash Xénon facilement adaptable sur les équipements de générateurs d'images existants, permettant d'obtenir des réticules par exposition directe de cette plaque. La présente invention concerne à la fois un pro- cédé direct et un procédé inverse qui permet d'obtenir des réticules à contraste inversé. Etat de la technique antérieure Les masques (IX) jouent un rôle essentiel dans la fabri- cation des circuits intégrés à grande échelle (LSI). Ces masques sont obtenus à partir de réticules (1OX: cellule unitaire grossie 10 fois) constitués soit par une plaque photographique à la gélatine (procédé émulsion) soit par une plaque chromée. Les premiers sont très fragiles et vieillissent vite. Les seconds sont plus avantageux: durée de vie plus longue, transitions noir/blanc franches, etc. et sont en conséquence très largement utilisés. Un procédé classique pour fabriquer les réticules, consiste à utiliser une plaque photographique: (plaque de verre recouverte par une couche d'émulsion) et de l'exposer aux radiations d'une lampe flash Xénon par un générateur d'images. Cette plaque est ensuite développée et fixée par le procédé photographique conventionnel. Cette plaque photographique n'est pas utilisable directement pour la fabrication des masques par photoréduction et répétition, en raison du nombre de défauts inhérents aux plaques photographiques qui seraient reproduits sur toutes les cellules du masque. Il est donc nécessaire de transférer ce dessin sur une plaque de verre chromée sur laquelle il est plus facile de réparer les défauts par les procédés conventionnels de gravure chimique ou par laser. Cette opération de transfert se fait par reproduction par contact à l'exposition d'une lampe à vapeur de mercure. Ce procédé est résumé dans la figure 1. Les inconvénients du procédé conventionnel sont résumés ci-dessous: 1. Mauvaise qualité des plaques émulsion qui rend indispensable la retouche des défauts sur la copie chrome (opération longue et coûteuse). 2. Distorsion aléatoire du dessin par l'opération de reproduction par contact. Cette distorsion se carac- térise par une variation de la dimension hors tout (grand dimensionnel) du dessin de l'ordre de 2p ce qui peut entraîner des pertes en rendement de fabri- cation semi-conducteurs par désalignement de motifs. 3. Variation aléatoire de la taille des motifs (petit dimensionnel) liée à l'opération de reproduction par contact. Ces variations de dimension de l'ordre de 11 nécessite des corrections en jouant sur le temps d'expo- sition lors de la fabrication du masque final. 4. Le procédé est relativement long, 4 heures 30 environ pour le procédé inverse et 4 heures 15 environ pour le procédé direct. Exposé de l'invention Le procédé de l'art antérieur présente donc de nombreux inconvénients, notamment celui de nécessiter d'abord la préparation et le traitement d'une plaque émulsion, puis le transfert de son image sur une plaque chromée. Un premier objet de l'invention est d'abandonner les plaques "émulsion" et le procédé qui s'y rapporte, pour fournir un nouveau procédé capable de générer directement les réticules "positif" et "négatif" sur des plaques chromées par un générateur d'images, qui assure des avantages économiques (gain de temps,...) et techniques (meilleure définition des images). Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication de réticules qui met en oeuvre une couche très mince résonnante de résine sensible sur une plaque chromée, assurant une précision beaucoup plus grande que celle obtenue avec des couches de résine plus épaisses. Un autre objet de la présente invention consiste à indiquer les modifications à apporter aux équipements de génération d'images pour leur permettre d'exposer ces couches très minces de résines photosensibles. Un autre objet de l'invention est d'utiliser un procédé de gravure de type plasma pour améliorer encore la définition des images. La présente invention concerne donc en premier lieu un procédé de fabrication d'un réticule (1OX) à partir d'un substrat constitué par une plaque transparente recouverte par une couche opaque, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: A. Dépôt d'une couche ultra-mince d'une résine sensible aux radiations sur ce substrat, dont l'épaisseur corres- pond à la plus petite épaisseur résonnante sans présen- ter de défauts (trous d'épingle selon la relation e 4n o n est l'indice de la résine pour la longueur d'onde (A> des radiations choisies, et précuisson de la résine selon la technique standard, 4 2460496 B. Exposition de la plaque ainsi enduite aux radiations d'un générateur d'images selon la configuration désirée, puis développement de la résine pour éliminer les portions non désirées, C. Gravure de la couche opaque dans un plasma à travers les ouvertures ainsi produites dans la couche de résine développée et D. Elimination de la résine, qui laisse le réticule avec l'image désirée. Dans une réalisation préférée le substrat est une plaque de verre chromée, la résine utilisée est le photorésist positif AZ 1350J, la source de radiation est constituée par une lampe flash Xénon, de forte intensité, tandis que l'épaisseur choisie est de 1800A. La présente invention concerne également un procédé de - fabrication d'un réticule à contraste inversé par rapport au précédent, à partir d'un substrat constitué par une plaque transparente recouverte par une couche opaque, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: A. Dépôt d'une couche ultra-mince d'une résine sensible aux radiations sur ce substrat, dont l'épaisseur corres- pond à la plus petite épaisseur résonnante et compatible. avec l'absence de défauts selon la relation 3À e =4n o n est l'indice de la résine pour la longueur d'onde (À) des radiations choisies, et précuisson de la résine selon la technique standard, B. Exposition de la plaque ainsi-enduite aux radiations d'un générateur d'images selon la configuration désirée puis développement de la résine et élimination des por- tions non désirées, E. Dépôt d'une couche de métal sur la structure, -1 F. Elimination du métal recouvrant directement la résine par la technique de décollement,. G. Gravure de la couche opaque à travers les ouvertures pratiquées dans la couche de métal restant, qui laisse le réticule à contraste inversé. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux figures annexées à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Brave description des figures La figure 1 représente le diagramme du procédé classique de fabrication des réticules (direct et inverse) à partir d'une plaque recouverte par une émulsion photographique. -: - -..:' La figure 2 représente la courbe-de la vitesse de développement-_ o d'une résine sensible typique (en A/sec.) en fonction de l'épaisseur de la résine e -(en A) pour une longueur d'onde de radiation À donnée et pour un certain type de substrat (plaque de verre revêtue de chrome, 45% de réflectivité) - La figure 3 représente le diagramme du procédé de fabri- cation des réticules.(direct et inverse) de la présente invention, à partir de plaques chromées. Les figures 4 et 5 représentent respectivement les étapes détaillées de la fabrication de réticules à partir de plaques chromées, selon les techniques directe et inverse. Description de l'invention La figure 1 représente le procédé classique de l'art an- térieur pour obtenir des plaques chromées destinées à être utilisées comne réticules. Le détail du procédé a été donné ci-dessus ainsi que ses inconvénients. Il est donc apparu que la génération directe de réticules était souhaitable. Diverses approches étaient possibles. Changer la lampe flash Xénon classique montée sur les équipements de génération d'images par une lampe à arc à vapeur de mercure munie d'un obturateur, en utilisant des plaques de verre chromées enduites de résine photo-sensible. La lampe à arc à vapeur de mercure est de 500 à 1000 fois plus puissante, elle serait indispensable pour exposer des couches de résine sensibles épaisses, très lentes comparées aux émulsions photographiques (dans un rapport de 400). Ce procédé qui présenterait l'avantage d'être standard avec le procédé de plaques chromées, serait extrêmement long, donc de faible productivité et son intérêt industriel serait par conséquent très réduit. Une autre solution consisterait à utiliser des plaques chromées enduites d'une couche d'émulsion que l'on trouve dans le commerce. Ce procédé a l'avantage de ne pas nécessiter de modifications au générateur d'images, par contre, ces ' plaques sont très coûteuses et la qualité des réticules obtenus serait médiocre. -, Une autre solution qui est celle retenue, consiste à éliminer complètement le procédé émulsion, tout en gardant la même productivité, en utilisant une couché ultra-mince résonnante de résine sensible et en apportant des modifications mineures aux équipements de génération d'images ainsi qu'au procédé de fabrication de réticules. Mode de réalisation La présente invention implique donc des modifications du système d'illumination du générateur d'images (1) pour augmenter son intensité lumineuse, et un nouveau procédé de fabrication (2) basé sur l'utilisation d'une couche ultra- mince résonnante d'une résine sensible, et une étape par plasma pour fabriquer le réticule. 7 2460496 (1) Le Système d'Illumination: Un système standard d'illumination des générateurs d'images sur émulsion est composé d'une lampe flash aux Xénon d'une puissance de 20 Watts et d'une alimentation électrique délivrant 1 Joule maximum par flash. Cette énergie n'est pas suffisante pour exposer les épaisseurs habituelles (5000- o 15000A) des résines classiques telles 1'AZ 1350J, fabriquée par Shipley & Co., qui sont beaucoup moins sensibles que les émulsions photographiques (dans un rapport de 400 environ). Le système proposé dans cette invention vise à atteindre l'intensité maximum autorisée à ce jour. Il est composé en premier lieu d'une alimentation électrique perfectionnée délivrant 6,7 Joules maximum par flash à la cadence maximum de 50 flashes par seconde. En second lieu il comporte également une lampe flash plus puissante. Cependant, l'énergie maximum par flash est limitée par la puissance moyenne acceptable maximum des lampes flash au Xénon et aussi par la durée du flash (dans le cas d'une exposition à la volée). Les lampes flash Xénon à arc FX 193 (de 100 Watts) ou FX 193 U commerciali- sées par la Firme EG & G sont recommandées. Ces modifications peuvent être apportées sans difficulté aux générateurs d'images du commerce tel le Mann 3000. Il est également important de travailler sans aucun filtre entre la lampe et la plaque photosensible, la résine jouant son propre rôle de filtre. D'autres systèmes d'illumination tels que des faisceaux d'électrons ou des faisceaux de rayons X pourraient être égale- ment utilisés. (2) Le Procédé de Fabrication: La puissance délivrée par le système décrit plus haut ne permet cependant pas d'utiliser les procédés connus aujourd'hui en raison de leur trop faible photosensibilité. Le procédé utilisé pour cette invention ne pouvait être satisfaisant que dans la mesure, o des couches de résine très minces pouvaient être utilisées. Ce point a donc fait l'objet d'études théoriques et on a pu déterminer les épais- seurs auxquelles se produisaient un phénomène d'ondes 8 2460496 stationnaires constructives qui permettaient ainsi de tirer le maximum de rendement du faisceau incident de radiation (résonance). L'étude de ce phénomène d'interférences à ondes multiples fournit en effet une série d'épaisseurs de résine auxquelles se produit ce phénomène désiré de résonance. La vitesse de développement est maximum, si l'épaisseur est la plus réduite, si un phénomène d'absorption résonnante se produit, si la réflectivité du substrat (plaque chromée par exemple) est élevée et si la résine utilisée est sensible. Le résultat de ces calculs est montré sur la figure 2, pour la résine classique AZ 1350J. La figure 2 montre la vitesse O de développement V en A/sec. en fonction de l'épaisseur de ou la résine e en A, pour une longueur d'onde d'exposition O déterminée (À = 4050 A pour les lampes au xénon). Cette courbe est également valable pour un grand nombre de résines du commerce. On se rend compte que pour les couches minces de résine, o deux épaisseurs sont particulièrement intéressantes e = 600 A O et 1800 A. La première était difficile à utiliser dans la mesure o trop mince, elle présentait des lacunes (trous d'épingle après développement), sources de défauts ultérieurs dans le masque. L'épaisseur de 1800 A apparaît quant à elle optimum comparée aux autres épaisseurs résonnantes 3100 A, go 4300 A, ., qui pourraient être utilisées. En raison de la forme arrondie des pics, ces épaisseurs sont approximatives. De façon plus générale d'après un calcul classique d'ondes stationnaires dans les films minces, les épaisseurs choisies doivent obéir à la relation À o e = - (2k+1) k=0 correspond à 600A0et - 30 n k=1 correspond à 1800A dans laquelle À et n sont respectivement la longueur d'onde de la radiation utilisée et n l'indice de la résine pour cette longueur d'onde (pour PAZ 1350J la valeur approchée de..DTD: n est 1,63). Le procédé sera décrit en détail à l'aide de la figure 3 qui représente le diagramme des différentes étapes du procédé de fabrication (direct et inverse) et des figures 4 et 5 qui montrent respectivement l'évolution du substrat dans les procédés direct et inverse, les étapes correspondantes dans ces figures portent des références identiques. L'étape (A) consiste dans l'élaboration des substrats: plaques transpa- rentes recouvertes par une couche opaque. De préférence ces substrats seront constitués par des plaques chromées à haute réflectivité (R=60%) telles que celles fabriquées par Hoya. D'autres métaux, tels l'oxyde de fer, l'or, l'aluminium pour- raient être utilisés à la place du chrome. Les plaques chromées sont enduites d'une couche de résine ultra-mince résonnante, puis introduites dans un générateur d'images classique, par exemple le MANN 3000 modifié comme précisé ci-dessus pour fournir une intensité lumineuse suffisante. La résine photosensible utilisée est lAZ 1350J de Shipley & Co.. D'autres types de résine pourraient être utilisées. Les couches minces de résine sont obtenues par la dilution de 1'AZ 1350J par 1'AZ thinner (fabriqué également par Shipley) dans la proportion 25/75 en poids. Avant d'être exposés, les substrats sont pré-cuits de façon classique à 850C pendant ô 30mn. Après exposition (étape B3:les substrats sont développés pour éliminer les parties exposées. Le développeur peut être le développeur AZ fabriqué par Shipley associé à un agent mouillant tel que le FC 126 (0,5%) pour le type de résine mentionné. Le temps de développement est de 1 minute environ. On peut utiliser également un mélange de phosphate trisodique et de métasilicate de sodium. L'épaisseur de résine après le o développement est de 1200 A. Dans le procédé direct (figure 4), c'est-à-dire pour former les réticules de types négatif, les substrats, au cours de l'étape (C), sont soumis à une gravure du chrome à travers les ouvertures de la couche de masquage en résine. Pour obtenir une très grande précision dans la définition du réticule, il est important que ce soit une gravure par plasma (procédé sec), qui soit utilisé, par exemple dans un équipement LFE 501 pendant quatre minutes. En effet, la présence de la couche de résine interdit l'uti- lisation des procédés humides (attaque chimique) qui produisent une quantité importante de trous dans le chrome. La résine restante est enfin éliminée par un procédé classique, au cours de l'étape (D), par exemple, par pelage (stripping) pendant 10 minutes dans un plasma. Le substrat gravé selon la configuration désirée, constitue après contrôle et réparation éventuellement, le réticule portant l'image désirée. Dans le procédé inverse (figure 5), à l'étape (E), on dépose un métal sur le substrat à inverser, par exemple une couche de go 400 A d'aluminium déposée par évaporation ou par pulvérisa-* tion cathodique. D'autres métaux qui conviennent sont l'or, le cuivre et le platine. A l'étape (F), la résine est éliminée par trempage dans un bain ultrasonique de N méthyl pyrolidone, d'acétate d'éthyl, ou dans un mélange d'acides nitrique, chromique et sulfurique; l'aluminium qui recouvre la résine est également éliminé (technique du lift off). Le chrome non protégé est alors éliminé par attaque dans un plasma, ou éventuellement par gravure humide (étape G) . On peut de façon facultative (étape H) éliminer la couche d'aluminium par attaque chimique par trempage dans de la soude caustique, ou laisser cette couche qui constitue une protection supplémen- taire. Après contrôle et réparation, le-réticule est prêt pour être mis en service sur les lignes de fabrication. La mise en oeuvre de ce procédé est simple et permet d'obtenir des images de contraste inversé sans altération de la qualité et du dimensionnel. Le procédé est applicable aux opérations de génération de configurations de circuits intégrés lorsque celles-ci sont effectuées directement sur plaque chromée. Ce procédé est intéressant pour fabriquer des réticules (10X) par écriture directe par un générateur d'images (ou par faisceau électronique) ou même à la limite des masques (1X) par faisceau électronique ou rayons X.. Cette invention présente plusieurs types d'avantages: 30. avantages économiques: le gain économique est repré- senté par la suppression complète du procédé émulsion. Le gain porte donc sur la main d'oeuvre le coût des plaques, les temps de traitement et la surface occupée au sol par les équipements propres à ce procédé, 35. avantages techniques cette invention permet-de fabri- quer des réticules de meilleure qualité par la suppression il 2460496 de plusieurs étapes intermédiaires (procédé émulsion, copie par contact pour obtenir un réticule), ce dernier gain porte sur les paramètres suivants: définition des images: la suppression de l'opéra- tion de contact conduit à améliorer la définition des images c'est-à-dire moins d'arrondissement des angles et bords plus droits, reproductibilité des tailles d'images et du dimensionnel hors tout du dessin: le gain concer- nant ces paramètres est également lié à la suppres-- sion des opérations intermédiaires, procédé émulsion et copie par contact. Ces améliorations entraînent donc une réduction de la dispersion des résultats de l'ordre de 11 et de 2p respectivement sur la taille des images (petit dimensionnel) et les dimensions hors tout du dessin (grand dimensionnel), avantages industriels: cette invention autorise une transformation facile des générateurs d'images existants par remplacement de l'alimentation électrique et de la lampe flash, permettant ainsi la fabrication des réticu- les pour un coût d'investissement très faible par rapport au coût de la machine elle-même. Enfin les machines modifiées comme décrit plus haut ont une cadence de génération d'images inchangée par rapport au procédé avec émulsion. - Cette cadence d'exposition est de l'ordre de 10 images par seconde et peut dépendre du type de machine considérée. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'in- vention appliquées à un mode de réalisation préféré de 12 2460496 celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y ap- porter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite inven- tion. - REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réticule (1OX) à partir d'un substrat constitué par une plaque transparente recouverte par une couche opaque, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes A. dépôt d'une couche ultra-mince d'une résine sensible aux radiations sur ce substrat, dont l'épaisseur correspond à la plus petite épaisseur résonnante et compatible avec l'absence de défauts selon la relation e - o n est l'indice de la résine pour la longueur d'onde (X) des radiations - a. choisies, et précuisson de la résine selon la technique standard, B. exposition de la plaque aux radiations d'un - générateur d'images, selon la configuration désirée- puis développement de la résine et élimination des portions non désirées, C. gravure de la couche opaque dans un plasma à travers les ouvertures ainsi produites dans la couche de résine développée et D. élimination de la résine qui laisse le réticule avec l'image désirée. 2: Procédé de fabrication d'un réticule à contraste inversé par rapport à celui faisant l'objet de la revendication 1 à partir d'un substrat constitué par une plaque trans- parente recouverte par une couche opaque, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: gbrto a.. . A. dépôt d'une couche ultra-mince d'une résine sensible aux radiations sur ce substrat, dont l'épaisseur correspond à la plus petite épaisseur résonnante et compatible avec l'absence de défauts selon la relation e = 4n o n est l'indice de la résine pour la longueur d'onde (À) des radiations choisies, et précuisson de la résine selon la technique standard, B. exposition de la plaque ainsi enduite aux radiations d'un générateur d'images, selon la configuration désirée puis développement de la résine et élimina- tion des parties non désirées, E.- dépôt d'une couche de métal sur la structure, F. élimination du métal recouvrant directement la - t: résine par la technique de décollement, G. gravure de la couche opaque à travers les ouvertu-i ---. res pratiquées dans la couche de métal restant, qui laisse le réticule à contraste inverse. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2 caracté- risé en ce qu'il comporte en outre l'étape de- H. élimination de la couche de métal restante. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3 caracté- risé en ce que le métal est l'aluminium avec une épais- o seur de 400 A. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la couche opaque est une couche de chrome à forte réflectivité. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que la résine utilisée est 1'AZ 1350J. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6 caracté- risé en ce que la résine utilisée est de l'AZ 1350J diluée avec l'AZ thinner dans la proportion 25/75 en poids. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7 caracté- risé en ce que les radiations sont émises par une lampe flash Xénon à arc, à forte intensité (100W, 7J) et que l'épaisseur de la résine est 1800A.