（微电子学与固体电子学专业论文）无掩模光刻系统研究.pdf

分类号： udc ： 删川i i f | 舢肌f ：y 17 4 0 8 5 6 密级： 无掩模光刻系统研究 r e a s e a r c ho nt h em a s k l e s sl i t h o g r a p h ys y s t e m 学位授予单位及代码：送鲞堡王太堂 ! ! q ! 璺鱼2 学科专业名称及代码：丝电王堂皇固签电王堂 研究方向：电王篷送皇丛曼鳖这苤 申请学位级别：亟 指导教师：宣匦屋匿太瞪 研究生：赵圣蜇 论文起止时间： 2 0 0 8 1 1 2 0 0 9 12 摘要 本论文所提出的微尖端阵列无掩模光刻系统扩展了纳米加工的手段，是未来 光刻技术发展的一种趋势。通过对本系统的研究，无需掩模，微尖端的发射电流 就可直接曝光光刻胶，进行图形生成及加工，还通过阵列并行直写大大提高了工 作效率。 取得的主要研究成果如下：1 ，设计并制做了无掩模光刻系统中的核心器件 一微尖端阵列器件，开发了一整套用于制作微尖端阵列器件的m e m s 制作工艺， 并创新的提出了使用微尖端阵列来进行电子束直写。2 ，完整的制作了一套无掩 模光刻平台，并完成了c i f 版图文件到微动台可识别的二进制编码的转换。3 ， 对微尖端阵列器件发射电子的能力进行了测试，取得了理想的测试结果。 关键词：无掩模光刻微尖端阵列阵列并行直写。 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , am a s k l e s sl i t h o g r a p h ys y s t e mi sp r o p o s e d i tp r o v i d e san e w m e t h o dt on a n o f a b r i c a t i o na n di ti st h et r e n df o rn e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y b a s e do nt h i ss y s t e m ，t h e r ei s n on e e dt ou s em a s k si nl i t h o g r a p h y p r o c e s s e st og e n e r a t ea n dp r o c e s sp a t t e r n sb e c a u s et h ec u r r e n te m i t t e df r o mm i c r ot i p c a l ld i r e c t l ye x p o s u r et h ep h o t o r e s i s t t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yi sg r e a t l ye n h a n c e d t h r o u g ha r r a yp a r a l l e lw r i t i n g t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ：1 t h em i c r o t i pa r r a y w h i c hi st h ek e ye l e m e n to ft h em a s k l e s sl i t h o g r a p h ys y s t e mi sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e da n dt h es t a n d a r dp r o c e s s i n g sf o rt h em i c r o - f a b r i c a t i o na r ed e v e l o p e d t l l c f i e l de l e c t r o ne m i s s i o nt h r o u g ht h em i c r o t i pa r r a yi sv e r i f i e d 2 t h ev a c u u ms y s t e m f o rm a s k l e s sl i t h o g r a p h yi ss e tu pc o m p l e t e l y t h et r a n s f o r m a t i o nf r o mc 球t ob i n a r y c o d i n gw h i c hc a l lb er e c o g n i z e db yt h em i c r o p o s i t i o n e ri sa c c o m p l i s h e d 。3 劢e e f f i c i e n c yo fe l e c t r o ne m i s s i o no fm i c r o t i pa r r a yi st e s t e da n dg o o de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r er e c e i v e d k e yw o r d s ：m a s k l e s sl i t h o g r a p h ym i e r o t i pa r r a y a r r a yp a r a l l e lw r i t i n g 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 下一代光刻技术简介一2 1 3 论文主要研究内容6 第二章光刻技术的基本原理及无掩模光刻系统总体分析7 2 1 传统光学光刻技术的基本原理7 2 2 电子束直写技术原理9 2 3 无掩模光刻系统总体分析1 l 第三章微尖端阵列器件的分析与制作1 6 3 1 微尖端阵列器件的理论分析1 6 3 2 微尖端阵列器件的版图设计及工艺流程1 9 第四章版图文件的重构和转化2 4 4 1 版图文件的简化2 4 4 2c i f 版图文件的处理2 5 第五章无掩模光刻系统的搭建及对系统的测试2 8 5 1 真空系统搭建2 8 5 2 无掩模光刻系统的无缝拼接2 9 5 3 无掩模光刻系统的测试3 1 5 4 对实验结果的分析3 4 结论3 5 致谢3 7 参考文献。3 8 1 。1 研究背景 第一章绪论 目前，信息技术的发展给人们的生活习惯和思维方式带来了重大的改变。集成电 路技术作为信息技术的核心，是当今社会所有电子产业发展的基础。因此，人们在不 断的更新技术来提高芯片的集成度。从6 0 年代的每个芯片上的几个元件发展到现在的 几十亿到上百亿个元件。到目前为止，集成电路芯片集成度的提高仍然遵循着摩尔定 律 1 - 2 9 即每隔1 8 个月，芯片上的晶体管数目就增加l 倍。这些成果的产生都应归功 于以光刻为主的微细加工技术水平的发展。现在，光刻技术已经成为大规模、超大规模 集成电路制作过程中的一项非常关键的技术，并对微电子产业的发展有着至关重要的 影响 3 1 。 1 1 1 光学光刻的发展现状 光刻技术起源于1 7 9 8 年发明的石板印刷术，在2 0 世纪5 0 年代开始被应用于集成 电路的制造“1 。起初，人们使用的是接触式曝光技术“1 ，原理类似于石板印刷术，掩 模版的图形和抗蚀剂上的图形比基本上是1 ：1 。优点是速度快，产量高，焦深大。缺 点是由于掩模版和抗蚀剂直接接触，极易造成抗蚀剂胶膜的损伤和掩模版的玷污。当 用力使掩模版与硅片接触对准时，只要在硅片上有一些很小的灰尘，都可能在这张掩 模版上造成损伤。这样，在今后所有利用这张掩模版进行曝光的硅片上都会出现这个 缺陷。因此，这种光刻方法几乎曝印不出合格的没有缺陷的超大规模集成电路芯片。 为了避免这个问题，后来，人们采用接近式曝光技术“1 ，掩模版和抗蚀剂之间不是直 接接触，而是有一个小的间隙，一般是1 0 - 2 5 朋之间，这就可以大大提高抗蚀剂胶膜 的抗蚀能力和掩模版的寿命，但缺点是图形分辨率和精度较低。为了使光刻图形的分 辨率更好，人们发明了投影式光刻技术 7 - 8 | 9 利用光学缩小成像系统，在每次曝光中只 曝光硅片的- - + 部分，然后再利用扫描和分步重复的方法完成整个硅片的曝光。随着 投影式光刻技术的发展，到目前为止，投影式光刻技术占据了主流光刻技术市场。 根据瑞利衍射原理：光刻的分辨率r = 毛鲁。其中n a 为光学透镜的数值孔径，五 。v 月 为曝光光源波长，毛为与抗蚀剂和工艺有关的常数。光刻分辨率的提高可以通过增大 光学透镜的数值孔径，缩短曝光波长以及降低工艺因子来实现。这样就使得电路的特 征尺寸不断减小，图形分辨率不断提高细1 。自从2 0 世纪8 0 年代末以来，投影式光刻 技术所使用的曝光光源波长从4 3 6n m 发展到3 6 5n m 、2 4 8n m ，以及目前的真空紫外波 段1 9 3 n m 。数值孔径从最初的o 5 增加到现在的超过1 o 。工艺因子由最初的o 8 降 到目前的o 3 5 。根据国际半导体组织在2 0 0 5 年初制定的光刻技术线路图1 1 0 我们可 以看到，电路的特征尺寸在2 0 1 0 、2 0 1 3 年要实现的技术节点分别为4 5 n m 和3 2 n m 。 通过1 9 3 n m 浸没式光刻可以实现4 5 n m 节点，而3 2 n m 节点到更小的特征尺寸则需要 使用新的光刻技术，被称为下一代光刻技术。在可预见的未来，光刻技术仍将延续下 去。因此，有人发出了“光刻永恒 的声音 1 1 1 0 1 1 2 光学光刻遇到的挑战 随着电路特征尺寸的不断缩小，对传统的光学光刻技术提出的更高的要求。根据 瑞利衍射原理，我们知道，成像过程中光的衍射会造成图形的畸变，严重的影响光刻 图形的分辨率以及质量。从2 0 世纪7 0 年代起，人们就不断的预测光学光刻图形的分 辨率极限，但直到现在，光学光刻技术仍然占据着微细加工技术的主流地位。这是因 为人们使用各种各样的技术来提高光学光刻的生命力。如相移掩模 1 2 - 1 3 、光瞳滤波1 们、 离轴照明( o a i ) n 5 1 、光学临近校正n 6 1 7 1 等相关技术。这些技术大大的延长了光学光刻 技术的使用寿命，但这些技术的使用大大的增加了光学光刻的成本，尤其是相移掩模 技术，造成了掩模版的数量急剧增加，加工成本升高。特别是随着特征尺寸的减小， 使得加工成本上升的更加剧烈，而且制作周期也大大延长。因此，有文章指出，在未 来的一段时间，掩模产业将会跟不上光刻技术的发展脚步。 目前，光刻技术的发展尚能满足芯片尺寸缩小的变化趋势，保持着i c 产品大圆片、 细线宽、高精度、高效率、低成本的发展趋势。但是，随着集成度的继续提高，光刻 技术也将面临着越来越多的难题，追求光刻工艺的精确度和高效性相继成为人们研究 的热点课题。同时，由于光学光刻技术受到分辨率的限制，因此，有必要对下一代光 刻技术进行研究。 1 2 下一代光刻技术简介 预测实际的光学光刻技术的分辨率极限多年来都是徒劳的。将来的某些分辨率极 限使光学光刻技术的扩展不再可行。因此必须使用新的光刻工艺在硅片上进行图形制 作。即下一代光刻技术。调查用于替换光学光刻技术的下一代光刻技术类型的专业研 究正在进行当中。主要有四种光刻技术被认为可能成功替代光学光刻技术。 1 ，极紫外( e u v ) 光刻技术 极紫外光刻技术建立在光学光刻技术的技术成果之上。使用激光激发等离子源产 生约1 3 n m 的紫外波长，并希望得到光刻图形的线条达到3 0 n m 。这种光源工作在真空 2 环境下以产生极紫外射线，然后由光学聚焦形成光束。光束经由用于扫描图形的反射 掩模版反射。一组全反射4 倍投影光学镜将极紫外光束成像到已涂胶的硅片上。光束 按照四分之一掩模版的速度反方向扫描硅片。图1 1 为e u v 光刻技术原理图片： 大功率激光4 倍反射投影掩摸舨 多层涂层镜 等离 靶材科 真空腔 步进扫撼承片台 图1 1e i n 技术原理图 到目前为止，e u v 光刻技术已经投入使用。据e et i m e s 网站报道：s e m a t e c h 宣布 使用极紫外光刻技术获得了2 2 n m 的半节距分辨率。同时还成功获得了2 0 n m 以下的特 征尺寸。s e m a t e c h 称这些结果显示了e u v 光刻技术在2 2n m 节点的应用前景 1 8 1 。 2 ，离子束投影光刻技术 离子束投影光刻技术( i o np r o j e c t i o nl it h o g r a p h y ，i p l ) 早期是用离子束进行 光刻胶曝光，或者通过掩模，或者使用精确聚焦的离子束连续在光刻胶上直写。如果 使用掩模，则需要采用拼接方式，用一个宽的离子束在硅片表面形成小的曝光场。i p l 用多电极静电光学系统将氢离子或氦离子导向硅片。离子质量比电子大，因而能更有 效的将能量转换到光刻胶上。离子轰击很少产生二次电子，这有助于背面散射的减少。 背面散射产生的邻近效应决定硅片图形最小特征尺寸的极限。因此离子束投影光刻技 术能获得非常高的分辨率，研究条件下已证明能达到5 0n m 的特征尺寸 1 9 1 0 原理如下 图所示： 囤离予源 霞茄静电透镜系统 参考平飚兰蝥乇= = = = = = = = = ：= 黝 步进扫描承| 辛台 舆空腔 图1 2 离子束投影光刻技术原理图 3 ，电子束光刻技术 电子束光刻技术起源于传统的扫描电镜。它是通过聚焦系统将电子束聚焦成微细 束，聚焦后的电子束斑逐点的在样品台上移动，直接和硅片上的电子抗蚀剂反应，在 抗蚀剂上形成图形。由于电子束可非常方便的由电磁场偏转，使得复杂的电路可写在 硅片上，直接制作各种图形。 4 ，x 射线光刻技术 x 射线光刻技术是一种早已确立的技术，可以在硅片上成像关键尺寸小于l o o n m 的图形。x 射线源将x 射线投影到一种特殊的掩模上，在己涂胶的硅片上形成图形1 2 0 1 。 用于光刻的x 射线被称为软x 射线，工作在0 1n m 至l o n m 的电磁光谱区域“。 最普通的光刻用x 射线源是一个同步加速器。高能量电子由于磁场作用被迫进入封闭 的曲线路径，并被加速放射出射线。这种作用产生的x 射线十分强烈，并相当平行化。 一个基于特殊反射镜的投影系统将x 射线投影到掩模版和己涂胶的硅片上。每一个同 步加速器为多台x 射线步进机提供射线。 x 射线光刻技术面临的重大挑战之一就是制造掩模版的能力，x 射线版图用的是与 硅片关键尺寸相同的一倍掩模版。在这一点上没有了4 倍掩模版特征尺寸比硅片大4 倍的优势。掩模版制造者受到了由已有的电子束直写制造x 射线掩模版的挑战。难点 在于如何控制版图位置、关键尺寸以及最小掩模版缺陷n 钉- 1 2 2 1 。 由于x 射线光刻技术与光学光刻技术相比需要更高的资金投入，因此，并没有得 到更深入的研究。但随着电路特征尺寸的减小，x 射线光刻技术也必将受到越来越广泛 的关注。 1 2 1 电子束光刻技术的发展现状 4 作为下一代光刻技术中的主流技术，多年来，人们投入了大量的人力物力来研究 并发展电子束光刻技术。一般来说，电子束光刻技术主要分为两类。 1 ，电子束直写式光刻技术 直写式是将会聚的电子束斑逐点地在样品台上移动，直接辐照在电子束抗蚀剂上 形成图形。将掩模版的图形转化为计算机软件可识别的编码，通过计算机软件控制电 子枪运动来完成曝光。该技术不需要掩模版，因此大大减少了光刻的成本。 2 0 0 7 年，日本的立命馆大学，u n i s o k u l t d 公司和兵库县大学联合发表了一种可 以在特定的电子束抗蚀剂上进行纳米直写的系统2 3 1 。该系统来源于电子束直写技术， 其包含有一个多探针的悬臂梁阵列器件，利用接触模式，尖端阵列和导电电子束抗蚀 剂直接接触，构成导通回路，当给悬臂梁微尖端加电压时，由于回路导通，回路中的 电子可直接与电子束抗蚀剂反应，在抗蚀剂中形成图形。下图为该系统在电子束抗蚀 剂上直写所形成线条的s e m 照片： 图1 3 线条的s e m 照片 从图中我们看到，他们使用该系统达到了5 0 n m 的线条宽度，1 5 0 n m 的间距。线 条的高度受直写速度和抗蚀剂厚度影响。但由于利用接触模式，使得尖端的使用寿命 受到限制。 2 ，投影式电子束光刻技术 随着多年来光刻技术的不断发展，下一代光刻技术也有了长足的进步。电子束投 影式光刻是下一代光刻技术中相对成功的方向之一。它的原理类似于光学光刻技术， 使用散射式掩模版和分步扫描投影工作方式，具有分辨率高，聚焦深度长，掩模版制 作容易等优势，很多专家认为投影式电子束光刻技术是光学光刻技术退出历史舞台后， 半导体大生产进入纳米阶段的主流光刻技术，也称为后光学光刻技术。 从2 0 世纪8 0 年代后期发展以来，用已制造的电子束源代替光源来成像硅片图形。 使用的多层薄膜掩模版几乎不吸收电子。当电子束通过一个掩模版中的高原子数目层 时，该层散射出电子在硅平面上形成一个高对比度的图形。投影式电子束光刻技术所 使用的掩模版是一个4 倍掩膜版，因而不需要复杂的分辨率提高技术，系统也不需要 昂贵的光学系统。下图所示为投影式电子束光刻的原理图： 学蘑彩礞m髟镌霉靠磁棒篆 彳簇懈荔薮囊m努嚣赣雾， 槲麓缀彳月蟹餮气#嚣#罐 一霉m髯女餮豁棼g雾， 秀口擎口等，蓦：q； 缓孝蕴锈荔辱口嚏，季蓼 电子柬 真空燕 承片台 图1 4 投影式电子束光刻原理图 由于投影式电子束光刻技术的分辨率高，可达0 1l i r a 以下，而且焦点深度非常深， 因此非常适用于高深宽比的接触孔图形制作。另外如s o c 系统芯片等小批量及中批量的 生产中，投影式电子束光刻技术的优点更加明显。随着多束电子束技术的进展，使投影 式电子束光刻技术在提高光刻效率方面也有了很大的进步，已受到人们极大的关注2 4 1 。 1 3 论文主要研究内容 利用金属微尖端进行场致电子发射产生的微细电子束来进行电子束直写，是下一 代光刻技术的主流技术。本论文所提出的这种无掩模光刻系统，利用微尖端阵列进行 并行纳米直写，它不仅扩展了纳米加工的手段，还通过阵列并行直写大大提高了工作 效率。相对于已有的电子束光刻设备而言该系统能产生束径更小的低能电子束，具有 并行加工的能力，且结构简单，成本低廉，在实验研究和工程技术中有着广泛的应用 前景。 根据实验室现有条件，本论文的主要工作分为三部分： 1 ，核心器件一微尖端阵列器件研究。对尖端进行理论分析，确定尖端形状对发射 电子能力的影响。从而优化工艺条件，制定最佳工艺方案。 2 ，第二部分是版图图形处理方法的研究。根据现有条件，将l e d i t 版图转换为精 密微动台可识别的二进制编码，通过计算机软件控制，实现对样品三维方向的加工。 3 ，第三部分是无掩模光刻系统总体方案设计。针对实际中电子束直写技术对外部 系统的要求，制定最佳设计方案。同时，要优化整个无掩模光刻平台，实现系统无缝 拼接。 6 第三章光刻技术的基本原理及无掩模光刻系统总体分析 集成电路制作的工艺过程一共涉及到几百道工序，光刻过程是其中最为关键的一 个步骤。光刻处于硅片加工过程的中心，这可以通过各制造工艺如何从光刻工艺中流 进流出来证明，如图2 1 所示。光刻常被认为是i c 制造中最关键的步骤，需要高性能 以便结合其它工艺获得高成品率。据估计，光刻成本在整个硅片加工成本中几乎占到 三分之一1 9 1 。 图2 1 硅片制造工艺流程 2 1 传统光学光刻技术的基本原理 光刻的本质就是图形转移的一个过程。这些电路结构首先以图形形式制作在名为 掩模版的石英模板上。紫外光透过掩模版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。通常 的光刻是这样进行的：光刻显影后图形出现在硅片上，然后通过化学刻蚀工艺把薄膜 图形成像在下面的硅片上，或者被送到离子注入区来完成硅片上图形区中可选择的掺 杂。转移到硅片上的各种各样的图形确定了器件的众多特征，如：通孔，器件各层间 必要的互连线以及掺杂区等。 光刻工艺是一个复杂过程，有很多变量会影响光刻线条的质量，例如硅片表面清 7 洁度、对准偏差等。一般来说，光刻工艺主要可以分为8 个步骤，在硅片制造厂中， 一般都是按照这8 个步骤来进行操作的。 1 ，气相成底膜处理 光刻的第一步是清洗、脱水和硅片表面成底膜处理。硅片清洗一般在光刻工艺之 前进行，目的是去除硅片表面的玷污物。脱水是在一个封闭腔内完成，以除去吸附在 硅片表面的大部分水汽。脱水烘焙以后硅片立即要用六甲基二硅胺烷( h m d s ) 进行成 膜处理，它起到了粘附促进剂的作用。增强硅片和光刻胶之间的粘附性。 2 ，旋转涂胶 成底膜处理后，通常情况下，采用旋转涂胶的方法给硅片涂上光刻胶材料。硅片 被固定在一个真空台上，采用真空吸附固定硅片，一定量的光刻胶滴在硅片上，然后 电机带动真空台旋转，在硅片上得到一层均匀的光刻胶涂层。 不同的光刻胶要求不同的转速来进行甩胶，例如最初慢速旋转，如5 0 0 r p m ，接下 来跃变到3 0 0 0 r p m 或者更高。光刻胶应用的重要质量指标为均匀性、厚度、以及光刻 胶缺陷等。 3 ，软烘 光刻胶在硅片上成膜后要经过软烘，目的是去除光刻胶中的溶剂，使光刻胶和硅 片的粘附性更好，并提升光刻胶的均匀性，以便在刻蚀中更好的对线宽进行控制。 4 ，对准和曝光 硅片软烘之后，将掩模版和涂胶后的硅片上的标准位置对准，通常情况下，在硅 片上有一层事先确定了的图形。对准后，将硅片曝光，把掩模版上的图形转移到硅片 上。对准和曝光的重要质量指标是对准精度以及分辨率。 5 ，曝光后烘焙 硅片曝光之后，要在1 0 0 - 1 i o c 的热板上进行烘焙。通过曝光后烘焙，可以大大减 少光刻胶中的剩余溶剂，从曝光前的7 - 4 减少到了5 一2 ，曝光后烘焙，可以对曝光 过程中的驻波缺陷进行很好的控制。 6 ，显影 显影是在光刻胶中产生光刻图形的关键步骤。光刻胶上的可溶解区域被显影剂溶 解，将掩模版图形转移到硅片表面。最通常的显影方法是旋转、喷雾，然后显影，显 影后的硅片用去离子水冲洗并甩干。 7 ，坚膜烘焙 坚膜烘焙指的就是显影后的热烘。坚膜烘焙的目的是挥发掉存留的光刻胶溶剂， 提高光刻胶对硅片表面的粘附性。正胶的坚膜烘焙温度约为1 2 0 1 4 0 c ，温度不能太高， 否则光刻胶中溶剂的过量蒸发会对图形精度产生不好的影响 8 ，显影后检查 显影之后的硅片要在显微镜下进行检查，以确定光刻图形的质量。对于图形有缺 8 陷的硅片，可以去胶并进行返工。 2 2 电子束直写技术原理 2 2 1 传统电子束直写技术原理 电子束直写技术起源于扫描电镜。自从2 0 世纪6 0 年代第一台电子束曝光机发明 以来，开发出来众多的产品，功能也不断地完善和改进。电子束直写技术集电子光学、 精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代高新技术于一体，是推动微电子技术和 微细加工技术发展的关键技术之一n 5 。2 6 1 。 电子束直写技术利用聚焦的电子束，通过计算机控制，根据掩模版的图形，在硅 片上直接进行刻画，产生在显影液中溶解度不同的区域，利用溶解度的选择比进行显 影。 电子束光源有两种：热电子源和场发射源。热电子源是将灯丝加热到足够高的温度， 使电子有足够的能量越过金属功函数的势垒发射出来形成电子源。而场发射源是利用 足够强的电场使电子隧穿势垒形成电子源。一个好的电子源应该满足：亮度高、源斑小、 能量发散小、稳定性强和长的使用寿命。表2 - 1 为不同电子束源主要特性的比较仞1 。 一般直写式曝光机主要使用的是热场发射源，工作温度为1 8 0 0 k ，和冷场发射源相比可 以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。 表2 - 1不同电子束源的特性比较 2 2 2 电子束抗蚀剂的特性 在电子束直写技术中，硅片表面涂有电子束抗蚀剂。主要成份为长链碳聚合物及 溶剂等。在电子束曝光中，电子束照射在抗蚀剂上，聚合物的分子从电子束中吸取能 量，激活聚合物分子中某些活泼的结合键，使这些结合键发生交联或断链。一般地， 在电子束辐照下，两种反应同时发生，但总有一种反应占优势。如果交联和断链的速 率差别不大，这就导致了不同区域的电子束抗蚀剂对显影液的溶解度差别不大。那么 这种聚合物就不能用作电子抗蚀剂。 9 根据发生断链或交联的情况，可将电子束抗蚀剂划分为两类：正性电子束抗蚀剂和 负性电子束抗蚀剂。凡是断链占主导地位的抗蚀剂称为正性电子束抗蚀剂，凡是交联 占主导地位的电子束抗蚀剂称为负性抗蚀剂。当正性抗蚀剂接受电子束曝光后，由于 断链，分子链变短，因此聚合物中大的相对分子量变成小的相对分子量，当用显影液 显影时，被电子束曝光过的区域，由于分子量较小，所以被曝光的区域比未被曝光的 区域更容易被溶解掉。负性抗蚀剂被曝光后，由于交联，接受电子束曝光区域的聚合 物分子变得大而复杂，分子量增加，在显影液中的溶解度远远小于未被电子束曝光的 区域。这种溶与不溶就形成了抗蚀剂图形。 在电子束直写技术中，好的电子束抗蚀剂必须具备一些独特的性能。 1 ，灵敏度。这里的灵敏度指的是电子束抗蚀剂对粒子( 尤指电子) 作用的反应灵 敏程度。一般以单位面积上的入射电荷量表示。数值越小灵敏度越高。灵敏度越高则 所需要的曝光剂量就越小，曝光速度就越快，制图效率也就越高。 2 ，反差特性。反差表示电子束抗蚀剂对曝光吸收能量变化的敏感程度。反差值越 大，被曝光出的抗蚀剂图形轮廓就越清晰，分辨率也就越高。在实际曝光中，一般要 求反差大于1 ，对于很细的曝光线条，抗蚀剂的反差值越大越好。 3 ，分辨率。分辨率指的是最小特征尺寸，表明抗蚀剂在曝光制图过程中能够体现 的最小图像尺寸的能力。 通常说来，正性抗蚀剂的分辨率较高，在显影过程中不膨胀，但其灵敏度低：负性 抗蚀剂与衬底的亲和力较好，灵敏度较高。但显影时容易出现膨胀现象，影响分辨率。 因此，在实际电子束曝光中，要根据加工工艺和精度的要求，选择合适的正性或者负 性的电子束抗蚀剂n 8 。3 2 1 。 2 2 3 电子束直写技术的工艺过程 电子束直写技术的主要工艺过程包括：涂胶、前烘、曝光、熟化、显影、后烘。 1 ，涂胶。抗蚀剂膜层通常可以用旋转涂敷、喷雾等方法来制备。最常用的方法是 旋转涂敷法，即甩胶。在涂胶前，需要先进行硅片的彻底清洗并烘干。用以提高抗蚀 剂和硅片的粘附性。然后，根据要求的胶层厚度，调整好甩胶的速度并进行甩胶。 2 ，前烘。甩胶后的薄膜与衬底有一定的附着力，但并不牢固，还需要进行烘烤， 使其和衬底之间有坚固的附着力。前烘通常在热板上进行，烘烤的温度应该根据抗蚀 剂的性能来决定，不同的抗蚀剂需要使用不同的烘烤温度。这就使得抗蚀剂和衬底表 面有进一步的接触机会，有利于提高它们之间的粘附力。烘烤的温度一般要低于正胶 的分解温度( 或低于负胶的交联温度) 。 3 ，曝光。根据所使用的电子束抗蚀剂的特性，来选择合适的曝光时间和入射剂量。 由于图形中线条粗细、线条间隔以及单元图形形状等不同，得到的曝光图形可能并不 均匀，有的地方过曝光，有的地方欠曝光。这种情况是由于图形的邻近效应造成的， 需要采取措施进行分析和校正。 4 ，熟化。对于某些负性电子束抗蚀剂来说，交联反应进行的比较缓慢，因此，曝 1 0 光完毕后，应该在真空中放置一段时间，使得交联反应完全结束之后，再将衬底取出。 否则抗蚀剂中的自由基会与空气中的氧结合，交联反应就会骤然停止。 5 ，显影。熟化结束后，要将曝光后的硅片在显影液中显影。虽然显影液对不同的 区域的溶解度不同，但对不同的区域都会有溶解效果。因此，显影时要精确地控制显 影的速度和时间，才能得到好的图形精度。 6 ，后烘。显影后的抗蚀剂还要进行后烘工艺。目的是去除抗蚀剂中多余的溶剂， 提高抗蚀剂和硅片的粘附能力。避免在后续的制作工艺中，破坏光刻图形的质量。 2 2 4 电子束直写技术中邻近效应的校正 邻近效应是影响电子束曝光分辨率的重要因素。为了获得高质量的图形、提高电 子束曝光的分辨率，必须采取相应的措施减弱邻近效应。 当电子束能量为5 0 k e v 时，其德布罗意波长小于o 0 1n m ，远小于原子的尺寸。理想 情况下电子束光斑可以汇聚到小于1n m ，因此电子束的衍射不会影响其分辨率。但高 能电子束照射到光刻胶上，很多电子产生了小角度前散射，从而导致束斑变大。当电子 进一步深入光刻胶到达衬底上，一些电子产生大角度散射( 背散射) 这样使得电子深入 到预定未曝光区域，从而导致非曝光区域的曝光，这种现象称为电子束的邻近效应。 已有很多方法用来减少邻近效应或是消除图形变形。例如，采用很薄的衬底来减少 背散射电子，使用更厚的光刻胶来减少前散射电子的影响n 。更精密的方法是对不同 的图形采用剂量控制。对简单图形，可直接通过调控曝光剂量得到所需的图形。而对复 杂图形，电子束曝光系统采用相应的软件实现剂量调控。利用m o n t ec a r l o 方法，可模 拟某入射能量的电子束透过衬底上的抗蚀剂时产生的邻近效应，从而分析入射电子束 的形状、入射电子的能量、衬底材料和厚度对邻近效应大小的影响们。通过将模拟结 果与实验结果比较，可获得进一步减弱邻近效应的途径。除了上述方法外，还可以采用 多层光刻胶、低能电子束曝光等技术来减少邻近效应的影响3 钉。 2 3 无掩模光刻系统总体分析 本论文所提出的无掩模光刻系统，利用金属尖端阵列的场致电子发射能力，直接 曝光光刻胶，是未来光刻技术发展的一种趋势。 首先，在真空中，利用金属尖端的场致电子发射能力，能够提供可直接与光刻胶 发生反应的低能聚焦电子束。同时由于尖端和样品表面相当接近，该电子束的有效束 径就很小，从而可以制备纳米级的图形。将此技术应用到大规模集成电路的制备中就 能得到纳米级的线条，这正是当今微电子领域发展所追求的目标。同时该技术也为纳 米科学中新器件的制造与研究提供了必要的手段。 其次，通过控制偏压，可以很精确地控制发射的电子能量，根据不同电子能量下 光刻胶的曝光情况，可以更加深入地研究光刻胶的曝光机理。 第三，阵列式尖端并行工作时，可以大大地提高器件的工作效率，这有效地解决 了单个微尖端直写速度慢的痼疾，是微尖端和电子束光刻发展的必然趋势。 2 3 1 无掩模光刻系统总体组成 下图所示为无掩模光刻系统结构图： 图2 2 无掩模光刻系统结构图 该系统主要分为以下三个部分： l ，核心器件一微尖端阵列器件 采用m e m s 工艺制作，支撑材料采用l p c v d 生长的低应力氮化硅，在氮化硅的掩蔽 下，采用各向同性腐蚀出锥形微尖端阵列，尖端上溅射金属，利用金属场致电子发射 效应，发射电子。是无掩模光刻系统的核心器件。 2 ，真空系统部分 由于金属微尖端需要在高真空条件下才能发射电子，因此，要使整个器件工作在 真空环境中。同时，要实现精密微动台和计算机的无缝拼接，需要一个良好的系统条 件。构成系统的设备有：计算机、精密微动台、z 向工作台以及真空系统。其中，计算 机是通过软件控制协调精密微动台和z 向工作台的运动，对微尖端器件和样品实现可 控操作；精密微动台是通过压电陶瓷的驱动，带动放载在其工作台上的被加工样品实 现x ，y ，z 三个方向的可控运动；微尖端阵列器件放置于z 向工作台上，可实现与被 加工样品间的z 向粗调。而工作腔体则是为器件工作提供真空环境。 3 ，图形发生和计算机控制部分 版图文件由l - e d i t 产生以后，转换成c i f 格式数据文件读入到计算机中，进行图 象重构，并按照精密微动台的最小位移划分网格，并最终转换成微动台可识别的二进 制电压编码。通过计算机来控制微动台三维方向的运动，从而实现对样品三维方向的 加工。 2 3 2 微尖端器件的发展现状 自从扫描隧道显微镜问世以来，各种基于微尖端结构的器件也相继面世。这些器 件在功能上大体可以分为三类：用于探知材料的表面形貌；进行高密度信息存储懈刮 和实现图形加工“1 哪! 。 1 2 目前，微尖端器件( 非阵列形式) 在扫描隧道显微镜、原子力显微镜、激光力显 微镜中的研究应用工作开展得很多，它被用于观测样品形貌，研究原子团或原子在表 面生长、迁移、扩散的物理机理，分析微小粒子间的相互作用，是纳米科学和生命科 学研究中必不可少的实验仪器。 在数据存储方面，采用微尖端器件可达到磁存储、光存储和半导体存储所不能实 现的高存储密度一1 t b i n 2 甚至更高。给悬臂梁施加一定的压力使微尖端与聚合物层紧 密接触，同时给集成在梁中的热电阻提供电流让尖端发射热流。起初，由于尖端和聚 合物的接触面很小，由尖端传给聚合物的热量很少，随着聚合物的软化，尖端逐渐深 入到聚合物中，热量传递变大，从而在聚合物层中形成凹痕以表示数据“1 。如图2 3 所示。 ，l 柯描方向 弱p m m a 介质层 阳嗍交联的 s u8 底层 图2 3电热法存储数据原理图 在此基础上，i b m 提出了“千足虫”计划，并已于0 3 年制作出了6 4 x 6 4 的阵列， 通过电热法实现了1 t b i n 2 的存储密度阳1 。如图2 4 所示。 图2 4i b m 研制的用于数据存储的悬臂梁微尖端阵列 同时开展这项工作的还有韩国的l g 公司，他们在0 5 年发表的文章表明已研制出 了1 2 8 x1 2 8 的电热写压电读出阵列4 钉，如图2 5 所示。国内上海微系统所在这方面也 进行了相关的研究，其结构工作原理与l g 公司的类似。 图2 5 l g1 2 8x1 2 8 的阵列 中国科学院微电子研究所也进行了大量的悬臂梁微尖端阵列器件的研究，采用 m e m s 技术制作电热驱动的悬臂梁微尖端阵列器件，将该器件用于进行信息存储和纳米 加工方面的研究。图2 6 所示为该悬臂梁微尖端阵列器件的s e m 照片。 眺= 瀣鬣= ：遂澄= ! 筮溢= 鬣崖盈 ( a ) 悬臂梁阵列 ( b ) 单一悬臂梁微尖端照片 图2 6 微尖端悬臂梁阵列照片 该器件有着曲率半径为4 0 n m 的微尖端，采用氮化硅悬臂梁支撑，加热电阻采用鱼 1 4 骨状电阻。其进行数据存储的原理类似于电热法数据存储，但也有所不同。当给热驱 动电阻加一电流时，由于电流的热效应，导致加热电阻发生形变，并由于梁材料和热 阻材料热膨胀系数不同，就会导致梁弯曲，以此来控制尖端和衬底表面的接触，压制 的纳米数据点用以表示数据“1 。 在该项目进行期间，微电子所积累了丰富的微尖端阵列制作经验，也有着成熟的 尖端制作工艺。该工艺可以用来制作本论文所提出的无掩模光刻系统中的核心器件一微 尖端阵列器件的尖端阵列。 在图形加工方面，国内外研究机构主要致力于将微尖端用于：1 ，通过蘸水笔或钢 笔工艺进行化学生物分子沉积；2 ，利用尖端直接对样品表面进行刻划形成图形；3 ， 在一定的液体或气体氛围下，将尖端作为电化学电极去诱导淀积或腐蚀；4 ，利用强电 场作用下金属的电迁移效应制备纳米点m 1 。 尽管微尖端结构已被较多的研究，并被广泛地应用，且取得了相应的成果，但是 利用尖端阵列发射电流的能力来进行探针光刻并实现纳米级图形加工的报道还没出 现，而微尖端结构在这个领域中的应用前景却是相当诱人的。因此，有必要对微尖端 在纳米加工领域的特性进行研究。 1 5 第三章微尖端阵列器件的分析与制作 3 1 微尖端阵列器件的理论分析 在金属阴极材料上加上一个很强的电场，材料的表面势垒降低，势垒宽度变窄， 从而会有大量电子能够穿越势垒逸出表面的现象，即场致电子发射效应。根据 f o w l e r - - n o r d h e i m 公式| 4 7 1 9 金属在绝对零度时的电流密度： ，：名兵e x p 卜曰矿3 e 一1 秒( y ) 】 ( 3 1 ) 伊i - y ) 式中的_ 厂为场致发射电流密度，妒为金属表面功函数，e 为表面场强，目是 n o r d h e i m 函数。式中的彳和b 为常数，分别为a = 1 5 4 x 1 0 _ 6 ，b = 6 8 3 x 1 0 7 。y 为肖特 基效应对势垒的削减率。并f t y = 3 7 9 x 1 0 - 4 e ：伊一，t 2 ( y ) 和o ( y ) 是y 的函数，理想状 态下，可近似取为t 2 ( y ) = 1 ，乡( y ) = 0 9 5 。将常数代入f n 公式，可得到： 三 三 ，( o ) ：型型唧( 尘娑0 ( 3 7 9 1 0 一堡) ) ( 3 2 ) 一 矽 e p 若金属阴极温度不是很高，低于1 0 0 0 k ，则温度对场致发射电流密度影响不大，仍 可用上式做近似计算。 以金材料作为发射体材料，其金属逸出功函数为缈= 5 1 e v 。若以p m m a 作为光刻胶， 则光刻厚度为1 0 0 n m 的p m m a 通常所需要的电子束剂量为：4 0 0 p c c m 2 。假设曝光时 间为l o 秒，则所需的电流密度大小为： ，：! ：( 里) f ：4 x1 0 5a c m 2 ( 3 3 ) 将缈与，代入f - n 公式，得到光刻时金属表面所需的电场强度为： e ：2 6 8 1 0 7 v c m 为获得强电场，通常把发射体做成尖端形式。对一微尖端阴极发射体，因微尖端 顶部电场集中，其电场强度要比其它各面的电场强度高出许多，所以要使电场强度达 1 6 到要求的值，需要通过分析其尖端形状结构来确定所需外加电压的大小。根据工艺条 件，通常能产生两种形貌的尖端：锥形尖端和金字塔形尖端，如图3 1 所示： ( a ) 锥形尖端 ( b ) 金罕塔形尖端 图3 1 微尖端形状 对于锥形尖端，理论分析上有不同方法来近似计算，当把阳极和阴极当成是旋转 双曲面时，近似可有尖端顶部场强： 肚= 去 ( 3 4 ) ，m ， 其中，为电场系数，为尖端曲率半径，d 表示尖端和阳极间距。对于曲率半径 为4 0 n m 的微尖端，若尖端与阳极间距1 _ o n ，将数据带入公式，可得到：v = 2 4 7 v 。 即为当外加电压为2 4 7 v 时，可在尖端项部产生所要求的电场强度。图3 2 为使用a n s y s 软件对该锥形尖端进行仿真的结果，当外加2 5 0v 电压且尖端与阳极间距l a n 时，尖 端顶部最大电场强度为5 7 4 0 v o n ，即：5 7 1 0 7v c m 。 1 7 ( a ) 圆锥形尖端建模 ( b ) 锥形尖端电场分布模拟 图3 2 锥形尖端及其电场分布模拟 对于金字塔形尖端，因其结构相对复杂，没有相应的理论分析，利用a n s y s 对其 进行仿真，当尖端与样品相距1 朋，外加电压1 0 矿时所得到的电场分布及电场强度矢 量形式如图3 3 所示。在电场分布矢量图中可以看到，金字塔结构的棱边较陡，其电 场强度较同平面的电场更强。 ( a ) 金字塔形尖端电场分布模拟 1 8 ( b ) 金字塔形尖端电场矢量分布模拟 图3 3 金字塔形尖端电场及其矢量分布模拟 由于金字塔结构存在着棱边电场强的现象，在该强电场作用下，电子发射并不局 限在尖端顶部，棱边处也同样有场致电子发射效应，最终导致电子的有效发射面积增 大，且发射出的电子束形状不规则。由于微尖端被用于进行纳米级图形加工，因此希 望其能加工的线条尺寸越小越好，所以通过比较，采用锥形尖端能达到更好的效果。 3 2 微尖端阵列器件的版图设计及工艺流程 3 2 1 微尖端阵列器件的版图设计 图3 4 所示为微尖端阵列l - e d i t 版图。 露您 圈曩 纛曩 图3 4 微尖端阵列版图 该版图包含五组6 x 6 微尖端阵列器件和四组4 x 4 微尖端阵列器件。 图3 5 所示为微尖端阵列器件单一单元的第一版光刻l - e d i t 版图。 1 9 ( a ) 第一版版图图形 r 1磷。毯 l j ( b ) 中心部分放大结构 图3 5 微尖端阵列第一版光刻l - e d i t 版图 图3 6 所示为微尖端器件单一单元第二版光刻的l - e d it 版图。 缓1 瓢 骥；一 别霸 | | 馨一 i l 缓一l l 矗鬟 ( a ) 第二版版图图形 罐镬 鬟 鼯j 零一 一 矶i t 占 副 麓沪徽 巍霪 燃崩彩琵 鬻糖盱强铲撩群翰秽；锄褫? 黝驴獬 拶锄积孝燃 荔黧气鞠彩。籀彰弱敷彰涌瞧凝 嬲锄纱缴嘲嬲彰鬻 麓蓊麓钇栩4 0 缓茹鬣 期黛貔燃雾 菱鋈 嚣 麓 萋巍震雾 嗡 鋈繁麓 劳瀚黝孵饧彰j a 妒溯瞪 鬈燃群锡搿 勃獭毵捌罐 ( b ) 中心部分放大结构 图3 6 微尖端阵列第二版光刻l - e d i t 版图 由于要得到圆锥形的尖端，因此中心部分的氮化硅掩模要使用圆形掩模，后在酸 性溶液中各向同性腐蚀硅，得到圆锥形尖端。 3 2 2 微尖端阵列器件的工艺流程 图3 7 所示为微尖端阵列器件的主要工艺流程 a b c d e 图3 7 微尖端阵列器件主要工艺流程 l ，l p c v d 生长氮化硅3 0 0 0 h 如图3 7 中a 所示。使用1 0 0 晶向的硅片为衬底，l p c v d 生长氮化硅。氮化硅用来 作为后来尖端腐蚀的掩模，以及尖端阵列的保护材料。 2 ，清洗长有氮化硅的硅片 ( 1 ) ，8 0 ，3 3 k o h 溶液，煮片一小时。后用稀盐酸中和，去离子水冲洗吹干。 此步清洗的目的是去除硅片上的颗粒以及有机物质，氢氧根轻微