Устройство для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом
DEVICE FOR CONTACT PHOTOLITHOGRAPHY ON SEMICONDUCTOR WAFER WITH BASE CUT

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для совмещения рисунков на фотошаблоне и полупроводниковой пластине в процессе ее фотолитографической обработки и может быть применено при изготовлении фотопреобразователей.
Известно устройство для совмещения фотошаблона и полупроводниковой пластины (см. а.с. РФ №344779, опубл. 20.12.1972 г.), содержащее: подвешенное на упругом элементе гнездо; установленный в гнезде шаровой сегмент с выводными каналами; координатный стол; фотошаблон, закрепленный с помощью вакуумного присоса, на координатном столе; подъемный шток с мембранным приводом и фиксатором; вакуумную линию; промежуточную опору, расположенную между фотошаблоном и шаровым сегментом и выполненную в виде плоской эластичной подвески, причем плоскость промежуточной опоры, обращенная к шаровому сегменту, контактирует с ним при подключении выводных каналов сегмента к вакуумной линии. Выравнивание полупроводниковой пластины относительно фотошаблона осуществляют при подъеме посадочного гнезда с помощью штока с мембранным приводом. После совмещения рисунков в зазоре осуществляют контакт пластины и фотошаблона и экспонируют светочувствительный слой, нанесенный на пластину.
Недостаток вышеизложенного устройства, применительно к изготовлению фотопреобразователей, заключается в том, что механический прижим фотошаблона к полупроводниковой пластине не обеспечивает равномерного и плотного контакта, в результате, при использовании высококонтрастного негативного фоторезиста Aznlof 2070, искажается рисунок маски, необходимой для «взрывного» метода формирования металлизации.
Признаки, общие с предлагаемым устройством для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом, следующие: посадочное гнездо с установочными элементами; отверстия для вакуумного присоса полупроводниковой пластины и фотошаблона; выводные каналы вакуумной линии.
Известно устройство для совмещения и экспонирования (см. а.с. РФ №1817659, опубл. 27.03.1996 г.), принятое за прототип, содержащее: осветитель; микроскоп для визуального контроля совмещения; столик для установки подложки, в котором выполнено углубление; эластичную резиновую или полимерную герметизирующую мембрану, натянутую над углублением столика. В дне полости, образованной между мембраной и дном углубления, выполнено отверстие, соединяющее полость с внешней средой. На эластичную мембрану столика устанавливается подложка так, чтобы ни одна точка подложки не была расположена от точки крепления мембраны ближе, чем на расстояние, равное двум толщинам мембраны. Столик связан с механизмом вертикального перемещения, который позволяет регулировать начальный зазор между подложкой, установленной на мембрану, и фотошаблоном. После совмещения рисунка фотошаблона с подложкой производится откачка воздуха из полости между фотошаблоном и мембраной через трубопровод.
В результате действия давления атмосферного воздуха эластичная мембрана равномерно и плотно прижимает подложку к фотошаблону, что улучшает качество экспонирования. Устройство некритично к плоскостности тыльной стороны подложки.
Недостаток устройства прототипа, применительно к изготовлению фотопреобразователей, заключается в низкой производительности, что обусловлено повышенными затратами времени на расположение фотолитографического рисунка по центру пластины и поиск знаков совмещения. Кроме того, устройство не позволяет выполнять фотолитографию лицевой и тыльной сторон полупроводниковой пластины.
Признаки, общие с предлагаемым устройством для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом, следующие: устройство содержит столик с посадочным гнездом для размещения полупроводниковой пластины; осветитель; микроскоп для визуального контроля совмещения; фотошаблон и трубопровод, связанный со средством откачки воздуха.
Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом, применительно к изготовлению фотопреобразователей, заключается в повышении производительности операций фотолитографии за счет уменьшения времени на совмещение рисунков на фотошаблоне и полупроводниковой пластине, а также в возможности выполнять совмещенную фотолитографию лицевой и тыльной сторон полупроводниковой пластины.
Отличительные признаки предлагаемого устройства для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом, обуславливающие его соответствие критерию «новизна», следующие: введение в устройство фотошаблонов верхнего и нижнего уровней; выполнение столика в виде опорной плиты с отверстием для засветки тыльной стороны полупроводниковой пластины; наличие посадочного гнезда, состоящего из фотошаблона нижнего уровня с уплотнительной рамкой и отверстиями для вакуумного присоса, а также тремя установочными элементами для фиксации расположения полупроводниковой пластины, кроме того, фотошаблон верхнего уровня снабжен углублениями для трех установочных элементов, фиксирующих расположение полупроводниковой пластины; введены три пары механически и электрически контактируемых установочных элементов, закрепленных на фотошаблоне верхнего уровня и на опорной плите, служащих для фиксации расположения фотошаблона верхнего уровня, а фотошаблон нижнего уровня, боковые стенки отверстия в опорной плите, разделительная перегородка и прозрачная для экспонирующего излучения нижняя стенка, образуют полости для вакуумного присоса полупроводниковой пластины и фотошаблона верхнего уровня.
Для обоснования соответствия предлагаемого устройства для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих вышеперечисленные отличительные признаки и дающих вышеуказанный технический результат, поэтому, по мнению авторов, предлагаемое устройство для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом соответствует критерию « изобретательский уровень».
Конструкция предлагаемого устройства для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом иллюстрирована на чертежах, где схематично изображены: 1 - опорная плита, в которой выполнено отверстие 2, дающее возможность засветки тыльной стороны полупроводниковой пластины 3, над которым расположен фотошаблон нижнего уровня 4, снабженный отверстиями 5 и 6 для вакуумного присоса, а также тремя установочными элементами 7 в виде металлических дисков, выполненных с возможностью фиксации расположения полупроводниковой пластины 3, для которых выполнены углубления 9 в фотошаблоне верхнего уровня 10 и уплотнительной рамкой 11; при этом на фотошаблоне верхнего уровня 10 и на опорной плите 1 закреплены установочные элементы 12 и 13, выполненные в виде металлических брусков с котировочными винтами 14 с возможностью фиксации расположения фотошаблона верхнего уровня 10; причем механический и электрический контакты между установочными элементами 12, 13 и 14 контролируются с помощью светодиодного индикатора 15 (для последующей фотолитографии на лицевой стороне полупроводниковой пластины используются, аналогичным образом, установочные элементы на фотошаблоне верхнего уровня 10 и установочные элементы 16, 17 на опорной плите 1).
Пример 1. В качестве конкретного применения предлагаемое устройство для контактной фотолитографии на полупроводниковой подложке с базовым срезом используется при изготовлении фотопреобразователей размером 40×80 мм со встроенным диодом на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке диаметром ∅ 100 мм, толщиной 140±160 мкм.
Полупроводниковую пластину 3 с нанесенным фоторезистивным слоем 20 Aznlof 2070 укладывают на фотошаблон (127×127 мм) нижнего уровня 4 базовым срезом 8 (протяженность среза 30 мм) в стык на два установочных элемента 7, расположенных по горизонтали, и смещают до упора с установочным элементом 7, расположенным по вертикали. Три точки касания обеспечивают воспроизводимое позиционирование полупроводниковой пластины 3 с базовым срезом 8. Установочные элементы 7 выполнены в виде дисков прямоугольного сечения с диаметром ∅ 3 мм, толщиной 200 мкм из нержавеющей стали. После расположения полупроводниковой пластины 3 посредством упора к установочным элементам 7, осуществляют ее вакуумное присасывание через отверстия 5 в фотошаблоне нижнего уровня 4.
На полупроводниковую пластину 3 накладывают фотошаблон верхнего уровня 10, в котором для установочных элементов 7 выполнены углубления 9. Расположение фотошаблона верхнего уровня 10 относительно полупроводниковой пластины 3 задается путем упора его установочных элементов 12, выполненных в виде металлических брусков с плоской полированной гранью, к стержням котировочных винтов 14 опорной плиты 1, изготовленной из листа оргстекла толщиной 10 мм. Три точки касания установочных элементов 12 к стержням котировочных винтов 14 обеспечивают воспроизводимое позиционирование фотошаблона верхнего уровня 10. Фотолитографический рисунок лицевых контактов двух фотопреобразователей располагают при этом по центру полупроводниковой пластины 3, что необходимо, так как краевые участки нетехнологичны.
Механический и электрический контакты между установочными элементами 12 и 14 контролируют посредством светодиодного индикатора 15. Вакуумное присасывание фотошаблона верхнего уровня 10 к полупроводниковой пластине 3 осуществляется посредством откачки воздуха через отверстия 6, при этом уплотнительная рамка 11 (из листа «изофлекса» толщиной 150 мкм) используется для уменьшения вакуумного зазора между фотошаблонами верхнего 10 и нижнего 4 уровней. Отверстия 5, 6 (по 4 шт. ) в фотошаблоне нижнего уровня 4 соединены с соответствующими вакуумными полостями, образованными фотошаблоном нижнего уровня 4, боковыми стенками отверстия в опорной плите 1, разделительной перегородкой 22, прозрачной для экспонирующего излучения нижней стенкой 21 и выводными трубопроводами 23.
Экспонируют фоторезистивный слой 20 полупроводниковой пластины 3 с помощью лампы ДРТ-1000, затем создают фоторезистивную маску с последующим напылением и «взрывом» лицевых контактов фотопреобразователя и встроенного диода.
Далее на полупроводниковую пластину 3 наносят слой 20 фоторезиста ФП-9120-2 и, аналогичным образом, выполняют экспонирова-вание через фотошаблон верхнего уровня 10 с рисунком «мезы», при этом для задания начального расположения полупроводниковой пластины 3 и фотошаблона верхнего уровня 10, используют установочные элементы 7 и 12, 14, резиновые тяги 18 и 19.
Величина начального рассовмещения рисунков лицевых контактов и «мезы» на полупроводниковой пластине 3 определяется погрешностью ее позиционирования на установочных элементах 7 и составляет ±20 мкм, что обеспечивает сокращение времени на последующее прецизионное досовмещение рисунков под микроскопом с необходимой точностью ±5 мкм.
После формирования фоторезистивной маски вытравливают «меза»-изолирующие канавки.
Пример 2. На лицевую сторону полупроводниковой пластины 3 наносят защитный слой фоторезиста ФП 2550. Травлением на глубину ~5 мкм очищают тыльную сторону Ge- подложки от эпитаксиальных наростов и дефектов поверхностной обработки. Удаляют фоторезист. Наносят негативный фоторезист Aznlof 2070 последовательно на тыльную и лицевую стороны полупроводниковой пластины 3. Совмещают рисунки фотошаблонов верхнего 10 и нижнего 4 уровней с помощью микроскопа, используя установочные элементы 12 и 13 с котировочными винтами 14. Укладывают полупроводниковую подложку 3 на фотошаблон нижнего уровня 4 с упором к установочным элементам 7. Фиксируют положение полупроводниковой пластины 3 посредством вакуумного присоса через отверстия 5. На полупроводниковую пластину 3 укладывают фотошаблон верхнего уровня 10 с упором установочных элементов 12 к котировочным винтам 14, при этом обеспечивается совмещение рисунков фотошаблона верхнего уровня 10 и фотошаблона нижнего уровня 4 с точностью±1 мкм.
Выполняют вакуумное прижатие фотошаблона верхнего уровня 10 к полупроводниковой пластине 3 путем откачки воздуха через отверстия 6 фотошаблона нижнего уровня 4. Экспонируют лицевую и тыльную стороны полупроводниковой пластины 3 с помощью верхней и нижней ламп ДРТ-1000. Проявляют рисунки лицевой и тыльной металлизации фотопреобразователя, напыляют последовательно контактную металлизацию на лицо и тыл полупроводниковой пластины 3, «взрывом» удаляют пленку металла. Участки тыльной стороны полупроводниковой пластины 3, свободные от металлизации, используют в дальнейшем для дискового реза. Затем на полупроводниковую пластину 3 наносят слой 20 фоторезиста ФП-9120-2. Для задания начального расположения полупроводниковой пластины 3 и фотошаблона верхнего уровня 10 используют установочные элементы 7 и 12, 14, резиновые тяги 18 и 19. Окончательное совмещение рисунков выполняют под микроскопом. Выполняют экспонирование через фотошаблон верхнего уровня 10 с рисунком «мезы». После формирования фоторезистивной маски выполняют локальное «меза»-травление на лицевой стороне полупроводниковой пластины 3. Фоторезист удаляют. Разделяют полупроводниковую пластину 3 на чипы, используя дисковый рез по тыльной стороне. Далее вскрывают оптическое окно, наносят просветляющее покрытие фотопреобразователя. В процессе дискового реза водный поток раскрошенного полупроводникового материала не воздействует на лицевую сторону полупроводниковой пластины, в результате чего обеспечиваются чистота и целостность эпитаксиальных слоев, выходящих на торцевую поверхность фотопреобразователя, повышаются электрические параметры.
Применение установочных элементов для фиксации расположения полупроводниковой пластины с базовым срезом и фотошаблона позволяет сократить время на позиционирование рисунка по центру пластины для первой фотолитографии «лицевых контактов» и поиск знаков совмещения для второй фотолитографии «мезы».
Равномерное по площади полупроводниковой пластины вакуумное прижатие фотошаблона позволяет получить качественную маску с отрицательным профилем на негативном фоторезисте Aznl0f 2070.
Одновременное экспонирование лицевой и тыльной сторон полупроводниковой пластины упрощает создание совмещенных рисунков лицевой и тыльной металлизации.
Предлагаемое устройство для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом позволяет использовать полупроводниковые пластины со сколами, что дает экономию дорогостоящих материалов.
Предлагаемое устройство для контактной фотолитографии на полупроводниковой пластине с базовым срезом, применительно к производству фотопреобразователей, обеспечивает высокую производительность фотолитографии ~20 шт./час, имеет простое конструктивное исполнение, компактно и экономично в эксплуатации.