Контактная фотолитография и травление тонкопленочных структур

Ю.С. Боброва, Ю.Б. Цветков

Контактная фотолитография  
и травление тонкопленочных 

структур 

Практикум

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5369-6 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 

УДК 621.3.049.75:776
ББК 32.85 
 
Б72 

Издание доступно в электронном виде по адресу

https://bmstu.press/catalog/item/6888/

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве практикума 

 
Боброва, Ю. С.

Б72 
 
Контактная фотолитография и травление тонкопленоч
ных структур : практикум / Ю. С. Боброва, Ю. Б. Цветков. —  
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 43, [1] с. 

ISBN 978-5-7038-5369-6 
Рассмотрен процесс фотолитографии. Изложено описание про
цедур проведения экспериментов по определению разрешающей 
способности операций фотолитографии и жидкостного травления 
тонкопленочных медных структур. Представлена методика обработки 
полученных результатов травления и выявления на их основе бокового 
подтрава токопроводящих структур и неравномерности тонкопленочного покрытия по площади заготовки. 

Для студентов, изучающих дисциплины «Технология и оборудова
ние микро- и наноэлектроники», «Процессы и оборудование микротехнологии».

УДК 621.3.049.75:776
ББК 32.85

Учебное издание

Боброва Юлия Сергеевна, Цветков Юрий Борисович

Контактная фотолитография  

и травление тонкопленочных структур

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.  

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 27.11.2020. Формат 60×90/16.

Усл. печ. л. 2,75. Тираж 50 экз. Изд. № 610-2019. Заказ 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. 

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com

press@baumanpress.ru    https://bmstu.press

Предисловие

Фотолитография — это технологический процесс, применяю
щийся при микро- и нанообработке различных заготовок методами (травлением, абразивной обработкой) локального удаления 
или локального нанесения (напылением, химическим и электрохимическим осаждением) материала. 

Цель работы — практическое руководство для формирования 

у студентов навыков экспериментальной оценки разрешающей 
способности фоторезиста и умения определять оптимальное время экспонирования (по критерию «разрешение / адгезия») для 
создания медных тонкопленочных структур на керамическом основании методом погружного жидкостного травления.

Структурно практикум состоит из пяти частей, рекомендован
ной литературы и двух приложений. Первые две части представляют собой теоретическое описание рассматриваемого процесса 
и его основных этапов, третья — это непосредственно лабораторные работы № 3, 4, затем следуют важная часть о технике безопасности при выполнении лабораторных работ и, наконец, принципы оценивания качества работы студентов.

Лабораторные работы № 3 «Оценка разрешающей способно
сти контактной фотолитографии» и № 4 «Оценка бокового подтрава тонкопленочных структур» выполняются в лаборатории 
«Микротехнологии». Они неразрывно связаны с лабораторными 
работами № 1 «Изучение процесса нанесения тонких пленок в вакууме методом термического испарения» и № 2 «Изучение процесса нанесения тонких пленок в вакууме методом магнетронного распыления», которые выполняются в лаборатории «Элионные 
процессы и нанотехнологии» (кафедра «Электронные технологии 
в машиностроении»). 

Для выполнения лабораторной работы № 4 студентам необхо
димо принести с собой опытный образец тонкой медной пленки 
на ситалловом основании, полученный методом магнетронного 
распыления при выполнении лабораторной работы № 3.

Практические результаты выполнения лабораторной рабо
ты № 4 являются логическим завершением технологического 

цикла изготовления тонкопленочной платы на керамике и опираются на данные и результаты лабораторных работ № 1–3.

К каждой лабораторной работе приводятся задания и вопросы 

для самостоятельной работы. Литературные источники включают в себя основные известные издания по рассматриваемой теме. 
В приложения включены формы отчетов.

Лабораторные работы проводятся на действующем технологи
ческом оборудовании, в частности на ламинаторе для нанесения 
пленочного фоторезиста Mega Electronics GX12 и установке контактного экспонирования Mega Electronics AZ210 с использованием современных методов оценки разрешения процессов фотолитографии и травления.

Перед началом работ студенты проходят инструктаж по тех
нике безопасности. Затем проводится тестирование для оценки 
уровня подготовленности студентов к проведению лабораторных 
работ. 

По окончании работ каждый студент представляет индиви
дуальные отчеты с ответами на вопросы и выполненными заданиями. После проверки правильности оформления отчетов и 
защиты студенту выставляется рейтинговый балл, учитываемый 
при оценке модуля № 4 дисциплины «Процессы и оборудование 
микротехнологии».

Выполнив лабораторные работы № 3, 4, студенты смогут: 
• формулировать требования к параметрам качества процес
сов микротехнологии;

• осуществлять практическую реализацию процессов микро
технологии, экспериментально определять и оценивать параметры процессов фотолитографии и жидкостного травления тонких 
пленок;
• на основе экспериментальных данных оценивать показатели 

качества процессов фотолитографии и травления металлических 
тонких пленок, выявлять лимитирующие факторы;

• анализировать причины возникновения бокового подтрава 

при погружном травлении проводников и факторы, вызывающие 
отклонение от вертикали стенок профиля сечения фотополимерной защитной маски.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Краткое описание процесса фотолитографии

Рассмотрим применение фотолитографии на примере микрообработки печатных плат, типовые элементы которых характеризуются шириной от десятков до сотен микрометров.

Процесс включает в себя следующие основные этапы  

(рис. 1.1):

• подготовку исходной поверхности заготовки (подложки) – 

фольгированного стеклотекстолита;

Рис. 1.1. Этапы фотолитографии на примере  
обработки печатных плат:
а — нанесение фоторезиста; б — совмещение фотошаблона с заготовкой; в — экспонирование; г — проявление; 
д — локальное травление меди; е — удаление фоторезистивной маски; 1 — фольгированный стеклотекстолит; 
2 — фоторезист; 3 — фотошаблон; 4 — фоторезистивная 
маска; 5 — зазор между элементами; 6 — медные элементы; 7 — сплошная медная фольга 

• нанесение на заготовку негативного пленочного фоторезиста, например, марки Riston компании DuPont (США), марки Ordyl Alpha 340 компании Elga Europe (Италия) или марки  
СПФ-ВЩ отечественного производства;
• совмещение фотошаблона со знаками совмещения на заготовке;
• экспонирование фоторезиста через пленочный фотошаблон 
ультрафиолетовым (УФ) излучением, в результате чего в слое фоторезиста образуется скрытое изображение рисунка фотошаблона;
• проявление, т. е. превращение скрытого изображения в рельеф в слое фоторезиста;
• локальное травление слоя медной фольги на поверхности 
стеклотекстолита;
• удаление фоторезистивной маски.

1.1.1. Характеристики фоторезистов

Фоторезисты должны обладать высокими чувствительностью 
и разрешающей способностью, стойкостью к воздействию агрессивных растворов травления, хорошей адгезией к подложке и механической прочностью.
Основой всех фоторезистов служат полимерные материалы, 
обладающие хорошими пленкообразующими и адгезионными 
качествами.
Под действием излучения определенной длины волны в облученных участках фоторезистов происходят необратимые изменения: они резко изменяют растворимость в соответствующих 
проявителях, что составляет их главную особенность.
Различают негативные и позитивные фоторезисты. В негативных фоторезистах облученные участки благодаря фотополимеризации становятся стойкими к воздействию проявителя и 
в отличие от необлученных участков остаются на подложке при 
проявлении (рис. 1.2, а). В позитивных фоторезистах облученные 
участки за счет фотодеструкции растворяются (удаляются) в проявителях, а необлученные остаются и образуют фоторезистивную 
маску (рис. 1.2, б ).
Рассмотрим свойства негативного пленочного фоторезиста, 
наиболее широко применяемого при микрообработке печатных 
плат.
В негативном фоторезисте экспонирование УФ-излучением 

приводит к поперечной сшивке молекул базового полимера и рез

кому увеличению молекулярной массы молекул, т. е. к образованию трехмерной сетки соединенных между собой полимерных 
молекул (рис. 1.3). При этом резко уменьшается растворимость 
образовавшейся полимерной структуры в проявителе.

Рис. 1.3. Соединение молекул мономера в полимерные  
макромолекулы

В современном производстве печатных плат широко приме
няется пленочный негативный фоторезист марки Ordyl Alpha 340 
компании Elga Europe (Италия). Он содержит фотополимеризирующуюся смесь и краситель для контроля степени проявления 
фоторезиста.

Рис. 1.2. Формирование фоторезистивной 
маски в негативном (а) и позитивном (б ) 
фоторезистах:

1 — УФ-излучение; 2 — фотошаблон; 3 — фоторезист после проявления; 4 — основа

Важным параметром фоторезистивной маски является профиль рельефа, сформированного в фоторезисте.
Все боковые стенки профиля рельефа должны быть практически вертикальными и иметь резкие, точно определяемые границы с поверхностью слоя медной фольги (рис. 1.4), а поверхность 
фоторезиста после сушки должна быть глянцевой и иметь резкие 
или слегка закругленные края.

При контроле фоторезистивной маски с помощью микроскопа часто обнаруживаются отклонения параметров профиля от 
требуемых (рис. 1.5). Их основными причинами являются неточный подбор времени экспонирования, неплотный прижим фотошаблона к заготовке и нерезкость края изображения на фотошаблоне.

Рис. 1.4. Профиль рельефа 
фоторезистивной маски:

1 — фоторезист; 2 — основание

Рис. 1.5. Характеристики профиля рельефа фоторезистивной 
маски: 

требуемые: 1 — глянцевая поверхность; 2 — слегка закругленная 
кромка; 3 — почти вертикальная 
стенка; 4 — резкая граница с основой; 5 — фоторезист; 
реальные: 6 — основа; 7 — пологое 
основание фоторезиста; 8 — наклонная боковая стенка; 9 — округлая верхняя кромка; 10 — шероховатая поверхность

1.1.2. Этапы фотолитографии при использовании пленочного 

фоторезиста

Рассмотрим особенности выполнения основных этапов процесса фотолитографии.
При подготовке поверхности необходимо, чтобы на поверхности заготовки печатной платы не было пыли после механической 
обработки и органических загрязнений, адсорбированных жидкостей, газов. Поверхность заготовки (подложки) должна иметь 
требуемую шероховатость, для того чтобы исключить отслаивание 
фоторезиста от подложки во время травления и локальное протравливание участков, защищенных фоторезистом.
Очистка поверхности печатных плат проводится водными 
струями и щетками с помощью водных растворов и смесей моющих средств с поверхностно-активными веществами (ПАВ). 
Между последовательными этапами очистки предусмотрены операции отмывки заготовок теплой проточной водой.
Контроль качества очистки проводится по смачиваемости поверхности платы холодной водой. Вода на поверхности наклоненной под углом 65…70° заготовки должна образовать сплошную 
пленку, не имеющую зон разрыва, в течение 1,5…2,0 мин.
Отмытую заготовку сушат под струей очищенного воздуха, 

а затем наносят фоторезист.

Сухой негативный пленочный фоторезист наносят на подготовленную заготовку печатной платы с помощью специального 
устройства — ламинатора — методом накатки. Перед нанесением заготовку и валки ламинатора разогревают до температуры 
95…120 °С, чтобы фоторезист прилип к поверхности заготовки.
Сухой фоторезист изготовляется в виде многослойной пленки, в которой центральный слой 
клейкой фотополимеризующейся 
смеси сверху покрыт пленками 
майлара (лавсана) и полиэтилена 
(полиолефина) (рис. 1.6). Светочувствительный слой экспонируется через майлар, предохраняющий его от проколов при прижиме 
к фотошаблону и изолирующий от 
кислорода внешней среды.

Рис. 1.6. Сухой пленочный фоторезист типа Ordyl Alpha 340 
компании Elga Europe

1 — разделительная пленка из полиэтилена; 2 — полимерный пленочный фоторезист; 3 — покровная пленка из майлара

Чувствительность сухих фоточувствительных пленок толщиной 30…50 мкм составляет около 30…75 мДж/см2 на длине волны 
365…430 нм.
Экспонирование в контактной фотолитографии ведется при 
плотном прижиме фотошаблона к подложке, что должно уменьшить рассеяние излучения, которое искажает профиль интенсивности падающего излучения и, как следствие, профиль рельефа, 
сформированного в фоторезисте. Следует иметь в виду, что обеспечить плотный контакт даже для гибкого пленочного фотошаблона довольно сложно.
Прослойка воздуха между фотошаблоном и подложкой, пы
линки и другие инородные частицы между ними — главные причины образования микрозазоров между фотошаблоном и подложкой. Основным способом плотного прижима фотошаблона 
к заготовке является прижим его прозрачной пленки путем вакуумирования полости под этой пленкой.
Экспонирование ведут, обязательно располагая пленочный 

фотошаблон эмульсией к фоторезисту, т. е. максимально уменьшая расстояние между рисунком на фотошаблоне и поверхностью 
фоторезиста. Отметим, что изображение на заготовке получается зеркальным по отношению к изображению в слое эмульсии 
на фотошаблоне. Однако даже при максимальном прижиме рассеяние экспонирующего излучения по толщине слоя фоторезиста 
приводит к искажениям изображения и является основным ограничением разрешающей способности процесса.
После экспонирования защитную пленку майлара удаляют 

и светочувствительный слой проявляют в 0,8…1,2%-ном растворе 
Na2CO3 при температуре не выше +40 °С.

1.2. Погружное химическое травление. Боковой подтрав

Рассмотрим применение процесса погружного химического 
травления на примере микрообработки тонкопленочных плат на 
керамике, типовые элементы которых характеризуются шириной 
от нескольких десятков до сотен микрометров, а толщина составляет от 100 до 500 нм.
Отличительной особенностью технологии получения плат на 
керамике от технологии изготовления печатных плат является 
формирование металлического слоя одним из методов нанесения 
тонких пленок в вакууме. После процесса металлизации следуют