（材料学专业论文）基于金刚石薄膜的x射线光刻掩模材料的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 x 射线光刻掩模技术( 也) 被认为是实现3 2 r i m 技术节点的下一代光刻技术 ( n g l ) 之一。作为x 射线光刻掩模材料的候选者之一，金刚石薄膜的许多优异 性能是其它材料所无法比拟的。但是由于化学气相沉积( c v d ) 工艺的限制，微 晶金刚石薄膜晶粒较大，表面粗糙，影响了其在光学方面的应用。为了克服这个 缺点，本工作提出了用纳米晶金刚石应用于x 射线掩模材料的研究中，以获得高 的光学透过率和表面平整度。 采用热丝辅助化学气相沉积( h f c v d ) 法在不同的参数条件( 沉积温度和 气压) 下沉积纳米晶金剐石薄膜。并结合s e m 、a f m 、r a m a n 光谱仪和紫外一 可见分光光度计等测试手段研究了薄膜的显微结构、平整度以及光学透过率。 结果表明，在沉积温度为6 4 0 、沉积气压为2 5 k p a 下，可实现高透过率、表 面光滑的纳米晶金刚石薄膜。 采用氢刻蚀的方法进一步优化了纳米晶金刚石薄膜的生长工艺。通过显微 结构和光学性能的表征和分析表明，在反应气压、衬底温度等沉积参数保持一 定的情况下，随着刻蚀时间的增加，晶粒尺寸逐步减小，薄膜的表面平整度、 折射率以及光学透过率得到明显改善。电学性能分析表明，随着刻蚀时间的增 加，薄膜的暗电流和介质损耗减小，介电常数接近天然金刚石。 采用同步辐射装置，测试和研究了纳米晶金刚石薄膜在软x 射线波段的透 过率。采用氢刻蚀工艺，x 射线透过率明显提高，在2 5 8 e v 处达到5 2 8 ，符 合x 射线光刻掩模材料的要求。 研究表明，纳米晶金刚石薄膜的光学性能是由表面粗糙度和质量共同决定 的。必须尽可能地优化沉积参数，降低薄膜中s p 2 键含量，以进一步提高光学 透过率。 关键词：x 射线光刻掩模，纳米金刚石、光学特性、h f c v d v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t x - r a yl i t h o g r a p h y ( x r l ) i so n eo ft h en e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y ( n o l ) w h i c hi st h e l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g ys l a t e dt or e p l a c ep h o t o l i t h o g r a p h yb e y 锄dt h e3 2 妇磊o n eo f h e k e yf a c t o r si nx - r a yl i t h o g r a p h yu s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o ni st h em a n u f a c t u r eo f r e l i a b l em a s k s o ns u i t a b l es u b s t r a t em a t e r i a l s d i a m o n dh a sp o t e n t i a la s8 nx - m ym a s kc a r r i e rd u et oi t su n i q u e c h a r a e t e r i s t i c s h o w e v e r , t h es u r f a c e sr o u g h n e s si st h eg r e a t e s to b s t a c l eo ft r a d i t i o n a ld i a m o n d f i l mf u rt h ea p p l i c a t i o n si no p t i c a lu s e t h u s ，e f f i c i e n ta p p r o a c h e sh a v et ob ee x p l o i t e dt og r o w t r a n s p a r e n td i a m o n df i l mt h r o u g hr e d u c i n gm i c r o m e t e rs c a l ed i a m o n dg r a i n sd o w nt ot h e n a n o m e t e rs c a l e i nt h i st h e s i gn a n o - c r y s t a l l i u ed i a m o n d ( n c d ) f i l m sa l ei n v e s t i g a t e df u rx - r a y m a s kl 。o b t a i ns u f f i c i e n to p t i c a lt r a n s m i s s i o na n ds u r f a c er o u g h i l g s s i nt h i sw o r k , t h ef a b r i c a t i o no fn c df i l m sb yh o tf i l a m e n tc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( h f c v d ) m e t h o do nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a sb e e ns t u d i e d g a sp r e s s u r ea n dd e p o s i t i o n t e m p e r a t u r ea r ec h a n g e df o ro p i n i n gt h ed e p o s i t i o nt e d m o l o g y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m xa t o m i cf o r c em i c r o s c o w ( a f m ) ，r a m a ns p e c t r o m e t e ra n du vs p e c t r o m e t e ra r e e m p l o y e dt oc h a r a c t e r i z et h ed i a m o n df i l m ss u c ha st h es u r f a c et o p o g r a p h y , t h er o u g h n e s s t h e s t r u e t a r ea sw e l la st h et r a n s m i s s i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h en a n o - c r y s t a l l i n ed i a m o n df i l mh a s ah i g h e rt r a n s m i s s i o na n das m o o t h e rs u r f a c ea td e p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo f6 4 0 a n dg a s p r e s s u r eo f 2 5k p a h y d r o g e ne t c h i n gm e t h o di sa p p l i e dt 。t h ee x p e r i m e n t st oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s f r o m t h ec h a r a c t r i s f i co ft h es t r a e t u r ea n do p t i c 搬p r o p e r t y , t h eg r a i ns i z ea n ds u r f a c er o u g h n e s s d f c r e a s ew h i l et h er e f r a c t i v ei n d e xa n do p t i c a lt r a n s m i s s i o ni n c r e a s eo b v i o u s l yu n d e rc e r t a i n d e p o s i tp a r a m e t e r s 氇舔p r e s s u r ea n ds u b s t r a t et a m p m u r e ) a n dl o n g e re t c h i n gt i m e 。t h ea n a l y s i s o f e l e c t r i c a lp r o p e r t i e ss h o w st h a ti t sd a r kc u r r e n ta n dd i e l e c t r i cl o s sd i m i n i s h e sw h i l ed i e l e c t r i c c o n s t a n ti sc l o s e rt ot h a to f n a t u r a ld i a m o n d s o f tx m yt r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n t sb ys y n c h r o t r o nr a d i a t i o na r ea l s oc a r r i e do u to nt h e n c df i l m s 册l er e s u l ts h o w st h a tt h ex - r a yt r a n s m i s s i o nh a sa no b v i o u si m p r o v e m e n tw h e nt h e n c df i l mi sf a b r i c a t e du s i n gt h eh y d r o g e ne t c h i n gm e t h o d a n dt h et r a n s m i s s i o nr e a c h e s5 2 s 壅t h e x - r a y 两o t o n e n e l g y o f 2 5 8 e v , w h i c h h a s m e e t t h e r e q u i r e m e n t f o r x - r a y m a s k m a t e t r i a l s ， t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo f t h en c df i l m si sc o - d e t e r m i n e db yt h et w of a c t o r so f s u r f a c e r o u g h n e s sa n dt h ef i l mq u a l i t y i no t h e rw o r d s ，t h ed e p o s i t i o np a r a m e t e r ss h o u l db eo p t i m a z e d f u r t h e r t o g r o w b e t t e r f i l m s w i t h as m o o t hs u r f a c ea n d a l o w c o n t e n t o f s d p h a s e a s w e l l i no r d e r t oo b t a i nh i g h - w a n s m i t t e n e en c df i l m s k e y w o r d s ：x - m ym a s km a t e r i a l , n a r g r - e r y s t a l l i n ed i a m o n df i l m s , o p t i c a lp r o p e r t i e s , h f c v d 键 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：盐z 墨：塾 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光学光刻技术及面临的挑战 光学光刻技术在过去的三十多年里，以集成电路为核心的微电子技术迅速发 展，高密度、高速度和超高频器件不断出现，促进了以计算机、网络技术、移动 通信技术、多媒体传播等为代表的信息技术的发展。尤其是近十年，按照摩尔规 律，单位面积硅片上的晶体管集成度以每三年翻四番的速度增长。能够把集成电 路的集成度越做越高，完全得益于微细加工技术的不断进步，特别是光学光刻技 术的不断进步。传统的光学曝光技术经历了从接触式曝光、接近式曝光、分步重 复投影式到目前的扫描投影式曝光。光学投影光刻的一个发展趋势是混合匹配曝 光技术，将3 6 51 1 1 1 1 、2 4 8n n l 以及1 9 31 1 m 投影光刻机进行匹配曝光，由高档的步进 机完成图形c d 层曝光，用低档次的步进机完成其他层曝光，从而达到既降低生 产费用、提高生产效率，又实现对超微图形曝光的目的。 从表1 1 可知超大规模集成电路( v l s i ) 的发展趋势，预计到2 0 1 0 年开发的 d r m 讧的特征尺寸将大大下降，然而光刻技术的分辨率决定着v l s i 图形的最小 线宽，所以为了增j j i w l s i 的集成度，提高光刻分辨率成为其关键技术。 1 - 3 1 垂! ：! ! ! ! ! 至! ! 堕丝堑龌塞堕皇堕夔查垄星堇盛! 堑塑! ! 墨塑! ! ! ! 垦! ! ! 堑塑! ! 塑) 生产年份2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 2 0 1 02 0 11 2 0 1 22 0 1 3 技术节点 8 06 54 5 3 2 d r a m 半节距( r i m ) 8 0 7 06 55 75 04 54 03 53 2 f l a s h 半节距( m )7 6“5 75 14 54 03 63 2 2 8 m p u a s i c 半节距( n m ) 9 0 7 86 85 95 2 4 54 03 63 2 最大曝光面积( m m 2 ) 8 5 88 5 8 8 5 88 5 88 5 88 5 88 5 88 5 88 5 8 芯片尺寸( 直径，m m ) 3 0 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 04 5 04 5 0 表1 22 0 0 6 年i t r s 修订版集成电路技术发展节点( 远期) 生产年份2 0 1 42 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 8 2 0 1 9 2 0 2 0 技术节点 2 21 8 d r a m 半节距( r i m ) 2 82 52 22 01 81 6 f l a s h 半节距( n m )2 52 3 2 0 1 81 61 4 m p u a s i c 半节距f 啪) 2 8 2 52 32 01 8 1 6 最大曝光面积( m m 2 ) 8 5 8 8 5 88 5 88 5 88 5 88 5 8 芯片尺寸( 直径，m m ) 4 5 0 4 5 04 5 04 5 04 5 04 5 0 上海大学硕士学位论文 1 1 1 波长 光学曝光机的波长沿着4 3 6 3 6 5 2 4 8 1 9 3 1 5 7 砌一n g l ( 下一代光刻术) 的路线进行的。从4 3 6n n l 、3 6 5n n l 的近紫外( n u v ) 进入到2 4 6n l n 、1 9 3 姗的 深紫外( d u v ) 。2 4 6n l l l 的k r f 准分子激光，首先用于o 2 5g m 的曝光，2 0 0 0 年3 月，a m d 公司、i n t e l 公司相继推出主频为lg h z 的a t h l o n 、p e n t i u m i l i 微处理器均 己采用0 1 8 岫钢连线工艺。后来n i k o n 公司推出n s r - s 2 0 4 b ，用k r f ，使用变形 照明( m b i ) 可做n o 1 5i n n 的曝光。a s m l 公司也推出p a s 5 5 0 0 7 5 0 e ，用k r f ， 使用该公司的a e r i l a l i i 照明，可解决o 1 3p m 曝光。但1 9 9 9i t r s 建议，0 1 3 哪 曝光方案是用1 9 3 姗或2 4 8 哪+ 分辨率提高技术( 1 汪t ) ；o 1 0u m 曝光方案是用 1 5 7n n l 、1 9 3n n l + r e t 、接近式x 光曝光( p x l ) 或离子束投影曝光( 口l ) 。所 谓i t e l 堤指采用移相掩模( p s m ) 、光学邻近效应修正( 0 p c ) 等措施，进一步 提高分辨率。值得指出的是：现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺 宽容度和经济性，如在r e t 中采用交替型移相掩模( a l tp s m ) 时，就要考虑到 它的复杂、价格昂贵、制造困难、检查、修正不易等因素。| 4 - 5 1 1 1 2 工艺系数 光学光刻面临的一个主要问题是如何利用现有工艺和设备进行分辨率和焦 深这两个矛盾参数的选择，而且带来新光源、抗蚀剂、掩模、工艺、透镜材料与 设计等诸多问题需要解决，并且也存在发展极限。近年来，采用更大的数值孔径 的光刻物镜和进一步缩短曝光波长并结合各种分辨率增强技术，目前最先进的光 刻物镜的数值孔径n a 己经达n 0 8 。【6 】 表1 3 光学光刻的发展进程 2 上海大学硕士学位论文 除了不断增大数值孔径和缩短曝光波长之外，工艺系数k 1 的不断减小也是 提高光刻分辨率的一个十分重要的因素。从1 9 9 0 年至今的1 0 多年中，工艺系 数k l 的值从0 7 0 减小到o 4 0 ，而且在今后的1 0 年中，还将进一步减小到o 3 5 左右，据称其极限为o 2 ，这将成为今后一段时期光学光刻继续发展的一项重要 措施( 见表1 3 ) 。光学投影光刻的一个发展趋势是混合匹配曝光技术，将3 6 5n l n 、 2 4 8n l r l 及1 9 3n n a 投影光刻机进行匹配曝光，由高档的步进机完成图形c d 层 曝光，用较低档次的步进机完成其他层曝光，从而达到既降低生产费用、提高 生产效率，又实现对超微细图形曝光的目的。 1 1 3 其他手段 除此之外，利用光的干涉特性，采用各种波前技术优化工艺参数也是提高 光刻分辨率的重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进 行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩模、离轴照明技术，邻近效应校正 等。运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。如1 9 9 9 年初c a n o n 公司推出的f p a - 1 0 0 0 a s i 扫描步进机，该机的光源为1 9 3 姗a r f ， 通过采用波前技术，可在3 0 0m n l 硅片上实现0 1 30 m 光刻线宽。p 例 1 2 下一代光刻技术( n g l ) 值得指出的是：现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺宽容度 和经济性，如在r e t 中采用交替型移相掩模( a l t p s m ) 时，就要考虑到它的复 杂、价格昂贵、制造困难、检查、修正不易等因素。目前，集成电路已经从6 0 年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约1 0 亿个器 件，其增长过程遵从摩尔定律的规律，即集成度每3 年提高4 倍。这一增长速 度不仅导致了半导体市场在过去3 0 年中以平均每年约1 5 的速度增长，而且对 现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展，光 刻技术的支持起到了极为关键的作用。因为它直接决定了单个器件的物理尺寸。 每个新一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。光刻 技术的不断发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证：其一是大面积 均匀曝光，在同一块硅片上同时作出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水 平；其二是图形线宽不断缩小，使用权集成度不断提高，生产成本持续下降； 其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使用权集成电路的性能不 断提高。随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。剀 上海大学硕士学位论文 目前科学家正在探索更短波长光刻技术。由于大量的光吸收，获得用于光 刻系统的新型光学及掩模衬底材料是该波段技术的主要困难。人们出于对后光 学技术可能难以胜任7 01 1 1 1 1 、5 0s i l l 担心，正大力研发下一代( n g l ) 非光学曝 光。 1 2 i 以p h o t o n s 为光源的光刻技术 在光刻技术的研究和开发中，以光子为基础的光刻技术种类很多，但产业 化前景较好的主要是紫外( u v ) 光刻技术、深紫外( d u v ) 光刻技术、极紫外 ( e u v ) 光刻技术和x 射线( x - r a y ) 光刻技术。不但取得了很大成就，而且是 目前产业中使用最多的技术，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起 到了重要作用。1 1 川 1 紫外( u v ) 光刻技术 紫外光刻技术是以高压和超高压汞( h g ) 或者汞氙( h g x e ) 弧灯在近紫 外( 3 5 0 4 5 0n m ) 的3 条光强很强的光谱( g 、h 、i 线) 线，特别是波长为3 6 5 n m 的i 线为光源，配合使用像离轴照明技术( o a i ) 、移相掩模技术( p s m ) 、光学 接近矫正技术( o p c ) 等等，可为0 3 5 o 2 5p a n 的大生产提供成熟的技术支持 和设备保障，在目前任何一家f a b 中，此类设备和技术会占整个光刻技术至少 5 0 的份额；同时，还覆盖了低端和特殊领域对光刻技术的要求。光学系统的 结构方面，有全反射式( c a t o p t r i c s ) 投影光学系统、折反射式( c a t a d i o p t r i c s ) 系统和折射式( d i o p t r i c s ) 系统等。 2 深紫外( d u v ) 光刻技术 深紫外技术是以k r f 气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长 ( 2 4 8n n l 和1 9 3r i m ) 的激光作为光源，配合使用i 线系统使用的一些成熟技术 和分辨率增强技术( r e t ) 、高折射率图形传递介质( 如浸没式光刻使用折射率 常数大于1 的液体) 等，可完全满足0 2 5 o 1 8 岫和o 1 8p m 9 0n n l 的生产 线要求；同时，9 0 6 5n n l 的大生产技术已经在开发中，如光刻的成品率问题、 光刻胶的问题、光刻工艺中缺陷和颗粒的控制等，仍然在突破中；至于深紫外 技术能否满足6 5 4 5n m 的大生产工艺要求，目前尚无明确的技术支持。相比 之下，由于深紫外( 2 4 8h i l l 和1 9 3r i m ) 激光的波长更短，对光学系统材料的开 发和选择、激光器功率的提高等要求更高。 3 极紫外( e u v ) 光刻技术 极紫外( e u v ) 光刻技术早期有波长1 0 1 0 0m 和波长1 2 5t i m 的软x 光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为 4 上海大学硕士学位论文 主，后者以接触接近式为主，目前的研发和开发主要集中在1 3n l n 波长的系 统上。极紫外系统的分辨率主要瞄准在1 3 1 6n m 的生产上。光学系统结构上， 由于很多物质对1 3n n l 波长具有很强的吸收作用，透射式系统达不到要求，开 发的系统以多层的铝( 砧) 膜加一层m g f 2 保护膜的反射镜所构成的反射式系 统居多。目前这种系统主要由一些大学和研究机构在进行技术研发和样机开发， 光源的功率提高和反射光学系统方面进步很快，但还没有产业化的公司介入。 考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素，极紫外( e u v ) 光刻技术是众 多专家和公司看好的、能够满足未来1 6n l l l 生产的主要技术。【l l j 4 x 射线( x - r a y ) 光刻技术 x 射线光刻( 也) 早在2 0 世纪7 0 年代初期就已经出现，由于波长短、 焦深长、生产率高、宽容度大、曝光视场大、无邻近效应、对环境不敏感等特 点，作为下一代曝光技术具有诱人的前景，近年来人们一直致力于x 光光源和 掩模的研究，使之成为有竞争力的下一代曝光设备。x 射线光刻的焦深容易控 制，对于0 1 3l a x n 的光刻分辨率，其焦深可达7 岬。x 射线曝光的视场远远大 于光学光刻，而且可方便的应用单层工艺，工艺简单，因此，x 射线光刻是代 替光学光刻的首选技术。x 射线光刻技术发展的主要困难是系统体积庞大，系 统价格昂贵和运行成本居高不下等等。不过最新的研究成果显示，不仅x 射线 光源的体积可以大大减小，近而使系统的体积减小外，而且一个x 光光源可开 出多达2 0 束x 光，成本大幅降低，可与深紫外光光刻技术竞争。 t 2 - 1 4 1 2 2 以p a r t i c l e s 为光源的光刻技术 以p a r t i c l e s 为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻和离子束 光刻，特别是电子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用，目前仍然 占有霸主地位，没有被取代的迹象；但电子束光刻由于它的产能问题，一直没 有在半导体生产线上发挥作用，因此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技 术推进半导体生产线。特别是在近几年，取得了很大成就，产能已经提高到2 0 片h ( 日p 2 0 0 m m 圆片) 。 1 粒子束光刻 粒子束光刻发展较快的有聚焦粒子束光刻( f i b ) 和投影粒子束光刻。由于 光学光刻的不断进步和不断满足工业生产的需要，使离子束光刻的应用已经有 所扩展，如f i b 技术目前主要的应用是将f i b 与f e s e m 连用，扩展s e m 的 功能和使得s e m 观察方便；另外，通过方便的注射含金属、介电质的气体进入 f t b 室，聚焦离子分解吸附在晶圆表面的气体，可完成金属淀积、强化金属刻 5 上海大学硕士学位论文 蚀、介电质淀积和强化介电质刻蚀等作用。投影粒子束光刻的优点很明显，但 缺点也很明显，如无背向散射效应和邻近效应，聚焦深度长，大于1 0l u n ，单次 照射面积大，故产能高，目前可达中2 0 0 m m 硅片6 0 片h ，可控制粒子对抗蚀 剂的渗透深度，较容易制造宽高比较大的三维图形等等；但也有很多缺点，如 因为空间电荷效应，使得分辨率不好，目前只达到8 0 6 5n n l ，较厚的掩模版 散热差，易受热变形，有些时候还需要添加冷却装置等等。近几年由于电子束 光刻应用的迅速扩展，粒子束光刻除了在f i b 领域的应用被人们接受外，在 m e m s 的纳米器件制作领域也落后于电子束和光学光刻，同时，人们对其在未 来半导体产业中的应用也没有给予厚望。 2 电子束光刻 电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角 度散射投影电子束光刻( s c a l p e l ) 和扫描探针电子束光刻技术( s p l ) 。【1 5 】 1 ) 传统电子束光刻 传统的电子束光刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热冷场 发射( f e ) 比六鹏化镧( l a b 6 ) 热游离( t e ) 发射的亮度能提高1 0 0 1 0 0 0 倍 之多，因此，热冷场发射是目前的主流，分辨率覆盖了1 0 0 2 0 0 1 1 1 1 1 的范围。 但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻近效应等，有时会造 成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题，由此产生了低能电子束光 刻和扫描探针电子束光刻。 低能电子束光刻 低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子显微镜( s e m ) 基本一样，将低 能电子打入基底材料或者抗蚀剂，以单层或者多层l b 膜( l a n g m u i r - b l o d g e t t f i l i n ) 为抗蚀剂，分辨率可达到1 0l l n l 以下，目前在实验室和科研单位使用较 多。 3 ) 限角度散射投影电子束光刻( s c a l p e l ) 由于s c a l p e l 的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版( 又 称鼓膜) 和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高( 纳米级) 、聚焦深度 长、掩模版制作容易和产能高等优势，很多专家认为s c a l p e l 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，因此，有人 称之为后光学光刻技术。【l 纠7 】 4 ) 扫描探针电子束光刻技术( s p l ) 扫描探针电子束光刻技术( s p l ) 是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显 微镜原理，将探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发 选择性化学作用，如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。s p l 目前比较成 6 上海大学硕士学位论文 熟，主要应用领域是m e m s 和m o e m s 等纳米器件的制造，随着纳米制造产业 的快速发展，扫描探针电子束光刻技术( s p l ) 的前景有望与光学光刻媲美。 3 离子束光刻 离子束曝光技术的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，自从8 0 年代液态金属离子 源出现之后，粒子束曝光技术才真正得以发展，由于离子质量比电子大，所以 散射少得多，因此不易产生类似电子束光刻的那种场效应，而且具有比电子束 光刻更高的分辨率。粒子束光刻还处在研究阶段，需要解决抗蚀剂的曝光的深 度，掩模制作，高能离子束源及离子束的聚焦问题，距离实用化还有一段路要 走。【1 3 】 1 2 3 物理接触式光刻技术 通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发，但和光 刻技术相提并论，并纳入光刻领域是产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳 米压印技术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括p r i n t i n g 、m o l d i n g 和e m b o s s i n g ，其核心是纳米级模版的制作，物理接触式光刻技术中，以目前 纳米压印( n i l ) 技术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经达到了1 0 n l n ， 而且图形的均一性完全符合大生产的要求，目前的主要应用领域是m e m s 、 m o e m s 、微应用流体学器件和生物器件，预测也将是未来半导体厂商实现3 2 r i m 技术节点生产的主流技术。 n i l 的原理很简单，它通过模版将图形转移到相应底层上，底层通常是很 薄的一层聚合物膜，然后通过热或化学处理方法使其结构硬化，从而将转移的 图形固定下来。它不需要r e t s 复杂的光源和光学系统的放大与缩小。与光刻 技术不同的是n i l 采用比例为1 ：1 的模版生成很小的线宽( 1 0 ) 。有两个重要的物理事实使x 射线光掩模的制作 比光学光刻掩模的制作困难得多：其一是目前找不到这样一种材料，使之可象光 学掩模上的c r 层吸收光一样，在很薄时就能完全吸收x 射线；同时，也找不到象 光学掩模上光学玻璃一样的材料，使之在比较厚时能对x 射线有很高的透过率。 其二是x 射线光学还未能实现一个x 射线聚光镜系统，使曝光面得到均匀照射。 因此，x r l 掩模通常是由低原子序的轻元素材料形成的薄膜衬基及在其上面用高 原子序的重元素材料制成的吸收体图形构成的。在材料的选用上应保证有尽量大 的反差。掩模反差可表示为掩模透明区和不透明区的透射系数比，即掩模反差： c = t 鲋t a t s ) = 1 t a = c a 式中丁哥一薄膜衬基的透射率 r 口一吸收体的透射率 由此可见，掩模反差可简单地由吸收体的反差特性( c a ) 决定，并等于吸收体 9 上海大学硕士学位论文 透射率的倒数。对于同步辐射光源而言，它是一定波长范围内各种波长x 射线作 用的平均结果。 m e m b r a n e ( m a s kb l a n k ) 图1 1x r l 掩模的结构示意图 所以对x r l 掩模基膜材料的基本要求如下： 1 1 基底透明层必须对x 射线有高的透明度，透过率 5 0 ，同时又对可见光透明， 便于对准，透过率 5 0 ； 2 1 透明层薄膜应力小、平整，有足够的强度、机械稳定性和吸收薄膜应力( 以 利于减小x 射线掩模图形尺寸畸变) ； 3 1 耐辐射； 钔缺陷密度低： 5 ) 吸收体图形精度高，侧壁陡直； 6 ) 有高的掩模反差，即掩模透明区与不透明区的透射系数大。【2 7 。3 司 1 3 3x r l 掩模材料 近年来国际上实验研究的x r l 掩模衬基材料主要有s i 、s i x n y 、s i c 、b n 及 以聚酰亚胺、聚酯树脂等为代表的高分子材料等。其中s i n x 膜是最常用的掩模材 料，但s i n x 膜在制备过程中会产生非常大的张应力，且张应力随膜厚的增加增长 很快，一般认为采用低压化学气相沉积( l p c v d ) 很难得至u 3 0 0i l l n 以上的s i n x 膜，超过3 0 0n m 就会龟裂、脱落，极难得到大面积的无支撑膜材料。 吸收体材料要求对光刻胶有高选择刻蚀比、内应力低、抗半导体清洗工艺中 所使用的各种强酸、高电导性和高图形定位精度。用来制作吸收体图形的材料有 金、钨、钽或者钽化物( 如钽化硼、钽化锗等) 。常采用常规的蒸发、射频溅射 或电镀等方法形成。深亚微米x 射线吸收体图形的加工，一般由电子束扫描光刻 和干法刻蚀，精细电镀等图形转换技术来实现。材料的选择和工艺的优化，将会 提高x 射线掩模的质量。 如制作金吸收体图形，需用加法工艺( 即电镀的方法) ，其工艺简单。但是 金工艺在半导体制造中很可能会成为污染源，金掺杂对器件性能的影响大，而且 1 0 上海大学硕士学位论文 其它难熔金属材料的处理工艺比金工艺更成熟，也具有更好的可延伸性和可制造 性，因此目前人们常用减法工艺( 即刻蚀) 制作钨吸收体图形。钨可以用蒸发、 溅射或c v d 的方法制得，有很好的各向异性的刻蚀特性，较易刻蚀出陡直图形。 但是钨膜内应力较高，呈微晶粒及柱状结构。在w 中掺入钛可以大幅度提高钨膜 的性能。为了得到一定的曝光效果，吸收体图形的厚度有一定的限制，一般在 0 3 0 0 6 5u m 之间。研究指出，吸收体的厚度对光刻有很大的影响。合适的吸收 体厚度有利于减轻图像缩小现象和改善曝光宽容度。i ：1 式x 射线掩模的最大技 术难点是高分辨率顶层吸收体图形的制作需要依赖于高质量电子束光刻技术。近 年来电子束光刻技术的高速发展有效地解决了这个问题。至于x 射掩模的修补， 目前的电子束和聚焦离子束技术也可用于检测与修, b o 1 3i x m 的x 射线掩模。对于 深层同步辐射x r l 其厚度要求在1 0f a n 左右。 近来大量研究表明，含氢的s i n 、b n 和s i c 等材料经长期大剂量的同步辐射 光照射后会导致严重辐射损伤。这主要是因为吸收大量x 射线后，部分氢原子迁 移至薄膜表面，产生了内应力的改变和化学退化，导致几何形变和光学透明度降 低。 3 9 - 4 2 1 1 3 4 同步辐射 1 同步辐射装置 ( 1 ) 同步辐射光源的原理图 电子首先由电子枪发射产生，经直线加速器加速到接近光速，再通过输运 线进入储存环。储存环由许多磁铁和直线段组成。电子受磁铁作用发生偏转， 在储存环中作回旋运动，同时不断发出同步光。光束线将同步光从磁铁引导出 来，凭借内部精密的光学元件将同步光聚焦并选取合适波段的同步辐射送入实 验站。科研人员在实验站通过测量同步辐射经过物体反射、衍射、散射及透射 后的光强或是探测物体被光子激发出的电子、离子等，来研究物体的结构性能， 探索微观世界。( 见图1 2 ) 上海大学硕士学位论文 图1 2 合肥中国科技大学电子同步辐射加速器的总体布局图 ( 2 ) 各个部件工作 1 ) 电子枪( e l e c t r o ng u n ) 电子枪是产生被加速电子的电子源，主要由阴极、栅极和阳极组成。阴极 的作用是发射电子，加热阴极到一定温度时，电子获得足够大的动能克服逸出 能从阴极表面释放；阴极和阳极之间的高电位差将电子从阴极表面拉出来，并 加速到合适的初速度注入到加速管中。 2 ) 电子直线加速器( l i n e a ra e e e l e r a t o r ( 1 i n a e ) ) 电子直线加速器主要由电子枪、加速管、微波功率系统、真空系统等组成。 电子在加速管中被微波电场加速，获得能量。真空系统保证了加速管处于高真 空状态，使电子在其中作加速运动不致丢失。离开直线加速器的电子速度已接 近光速。 3 ) 储存环( s t o r a g er i n g ) 电子储存环是储存高速运行的电子束流的设备，主要由磁铁系统、高频系 统和真空系统等组成。磁铁系统用来弯转和约束电子束，使电子束走环行的闭 合轨道；高频系统提供加速电场，电子在加速电场中获得能量。电子束在储存 环中作回旋运动的同时沿切线方向发出同步辐射。 4 ) 光束线( b e a ml i n e ) 如图1 3 ，光束线将同步光从磁铁引导出来，凭借内部精密的光学元件将同 步光聚焦并选取合适波段的同步辐射送入实验站。总的来说，光束线的功能是 把同步辐射光准直、聚焦、单色化。 上海大学硕士学位论文 全反i t 带粕 图1 3 典型的光束线安排 2 同步辐射光的特点 ( 1 ) 宽波段： 同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到x 射线范 围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。 ( 2 ) 高准直： 同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张 角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。同步辐射光是沿电子运动轨道的 切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所 张的角度很小，因此有很好的准直性。 ( 3 ) 高偏振： 从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外， 可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。 ( 4 ) 高纯净： 同步辐射光是在超高真空中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非 常纯净的光。 ( 5 ) 高亮度： 同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步 辐射光源的x 射线亮度是x 光机的上千亿倍。由于同步辐射光功率强，而且又 是在一个很小的立体角中发射出来的，能量高度集中，所以必然有很高的亮度。 北京同步辐射装置所发射的光的亮度为1 0 1 3 ，这是属于第一代装置，目前世界 上已有第三代装置，亮度达1 0 1 7 1 0 1 8 。( 见图1 4 ) 上海大学硕士学位论文 ( ) 图1 4 合肥光源的亮度曲线 ( 6 ) 窄脉冲： 在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团密度决定了光脉冲的宽 度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于1 个周长为l 的加速器，由 于能量为g e v 量级，电子的速度己十分接近光速( v ：o 9 9 9 9 9 9 8 7 c ) ，所以脉 冲周期为p - l c 。如果电子束团长度为s ，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为 t = s c 。 同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在1 0 1 1 1 0 - 8 秒( 几 十皮秒至几十纳秒) 之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，这种 特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变 化过程和环境污染微观过程等。 ( 7 ) 可精确预知： 同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为 辐射计量特别是真空紫外到x 射线波段计量的标准光源。此外，同步 辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。【4 3 】 1 4 本课题的研究目的和内容 u 技术的研究由于遇到诸如掩模材料、光源和光致抗蚀剂等困难，一直没 有实用化。近年来，平行性强、抗尘性和光强大的同步辐射x 射线( 0 6 1 0n m 波长范围) 光源技术的成熟，以及接近式曝光技术的采用，使获得小于0 1u m 的 分辨率成为可能。使用同步辐射u 的关键要素之一是在合适的基片材料上制造 出性能可靠的掩模。 研究表明，基膜材料的性能很大程度上取决于氢含量，而含氢量的大小主 1 4 上海大学硕士学位论文 要取决于材料本身的性能以及制备过程。研究发现，s i n 、b n 和s i c 等材料都 具有较高的含氢量，经长期大剂量的同步辐射光照射后会导致严重辐射损伤。 而金剐石薄膜虽然在氢气氛中沉积生长，但含氢量极少，仅在p p m 量级。加之 其它优越的物理化学性能，近年来金刚石膜被许多基膜研究者所看好。 金刚石膜在硬度、抗辐照性能等方面都明显由于其他材料，前者保证了掩 模在后续加工及使用过程中不易被毁损，而优良的抗辐射性能则可延长掩模的 寿命。另外，金刚石还具有优良的热学和光学性能：其热导是现有天然材料中 最高的，这使得x 射线辐照过程中产生的热量很快散去，从而减小了热形变； 热膨胀系数很小( 1 1p p m 他 ，在强辐照下温度变化时产生的形变小；x 射线的 透过率较高( 较目前已知的其它掩模衬底为优) ；透过波段宽( 从软x 射线直 到远红外) 。由于金刚石膜具有以上特殊的性能，因此成为理想的下一代同步辐 射光刻掩模基膜材料的最佳候选者，也是当前这一领域研究的热门。 国际上许多研究小组正致力于金刚石掩模的研究工作，目前工作主要集中 于优化生长金刚石薄膜方面，以便找到各项性能均满足制作高分辨率x 射线光 刻掩模的薄膜生长条件。