微纳加工课件

1、一、侧壁沉积法二、横向轴减法三、横向添加法四、垂直抽减法五、纳米球阵列法六、多步加工法七、超级分辨率法1第九章 间接纳米加工技术光刻技术：包括光学曝光、电子束、离子束、扫描探针、压印技术、微接触印刷技术等。此加工技术有一个共同点即加工结构或者图形的最小尺寸直接决定于各种光刻技术的分辨率。图形转移技术也会对最后的尺寸结构有所影响，但图形转移也是以光刻形成的掩膜为依据的。间接技术：意指非直接光刻技术，图形结构的分辨率不决定于某种光刻的分辨率。例如：当无法用电子束或者光学直接曝光实现小于10nm的线条图形，可以先加工一个宽线条图形，然后从线条两边一点一点的挖除，直到线条宽度小于10nm。这也是所谓的

2、间接方法。引言2间接加工技术的优缺点：间接加工技术不是显而易见的“光刻+图形转移”的加工技术，而是比较复杂的、通常涉及多道工艺环节的加工技术。间接加工技术通常不像直接加工技术那样具有普适性和灵活性；间接加工技术一般很难制作任意形状的图形结构；34一、侧壁沉积法侧壁光刻1、定义2、应用所谓侧壁沉积法，是通过向侧壁沉积薄膜材料的方法制作窄细线条结构，通常又称为侧壁光刻或边缘光刻。51、定义侧壁沉积法的加工过程： (a) 用传统光刻与硅刻蚀方法制作大尺寸的支撑结构（b）在支撑结构外表面沉积一层二氧化硅薄膜材料（c）将支撑结构顶部与底部的二氧化硅薄膜通过刻蚀清除（d）将刻蚀沟槽用光刻胶填平（e）氧等离

3、子体轻度刻蚀光刻胶，仅将凸起结构 顶部的光刻胶去除，暴露出新鲜硅表面（f）硅刻蚀，将二氧化硅侧壁包围的硅除去（g）用等离子体将光刻胶去除，获得仅由二氧化硅侧壁组成的图形62、应用右图是用这一工艺获得的高深宽比二氧化硅结构，最小线宽可以做到25nm，高达700nm72、应用侧壁沉积法制作的线条结构的线宽不决定于光刻的分辨率，而决定于侧壁薄膜的厚度，因此称为侧壁光刻。成功实现侧壁光刻需要满足两个条件：一、要保证支称结构的侧壁足够垂直，这样清除顶部薄膜时不会损伤侧壁的薄膜二、在腐蚀去除支撑结构材料时刻蚀或腐蚀化学对薄膜材料无影响，这样才能保证在清除支撑结构时薄膜结构能完整保留下来。82、应用9侧壁光

4、刻最初的工艺是光刻胶制作支撑结构，用PECVD技术在光刻胶结构上沉积SiO2薄膜，用RIE（CF4气体）去除顶部的SiO2薄膜，最后用氧等离子体去除光刻胶支撑结构。后来进行改进免去了SiO2薄膜沉积环节，而对光刻胶结构进行硅烷基化处理。硅烷基化工艺是通过化学反应将硅原子植入光刻胶表层的工艺，经过处理后的光刻胶能够有效阻止氧等离子体的刻蚀。通过控制工艺条件可以有效控制硅原子在光刻胶层的扩散深度。最后形成的结构是掺有硅原子的光刻胶结构，它可以作为反应离子刻蚀掩膜而将线条图形继续转移到衬底材料上。2、应用侧壁光刻技术自从报道以来一直被沿用至今，基本原理没有变化，唯一变化的是不同的支撑材料与薄膜材料的

5、组合，但无论何种材料组合只要满足前述两条件，均可以实现侧壁光刻。优：侧壁光刻是一种低成本制作纳米图形结构的方法，尽管制做程序要比直接光刻方法复杂一些。缺点;侧壁光刻法制作的图形形状受到支撑图形的限制。工艺过程的说明103、优缺点（a）通过反应离子刻蚀硅形成硅的锥形支撑结构（b）沉积金属薄膜（c）将附有金属薄膜的锥体用光刻胶掩埋（d）通过反应离子刻蚀将顶层的光刻胶剥离，使其只露出锥尖部分（e）作为支撑结构的硅全部腐蚀清除，留下开口的金属锥形结构上图为该工艺过程的说明11 线条图形是最容易由侧壁光刻法实现的图形。 也可以形成其他的图形，但需要巧妙设计支撑结构图形。如果支撑结构的侧壁不垂直，可以将侧

6、壁的薄膜保护起来。保护的方法之一是将支撑结构掩埋，只留出顶部供刻蚀。如下图12二、横向抽减法1、定义2、应用3、目的4、其他方法13横向抽减加工方法： 横向抽减法是将一个宽图形从两侧逐渐抽减使之最后变成窄图形的方法。 利用化学湿法腐蚀的各向同性和反应离子刻蚀的部分各向同性，是实现横向抽减的一种有效途径。使用这一技术的关键是要尽可能使刻蚀达到各向同性，即达到尽可能显著的横向刻蚀。1、定义硅线条在RIE（反应离子刻蚀）过程的演变 RIE方法制作的纳米硅尖阵列由上可以看出随着时间的增加，一方面刻蚀的深度增加，另一方面图形顶部的横向尺寸减小。2 、应用14这是另一种横向抽减方法是：通过氧化将一部分硅转

7、化为二氧化硅，然后利用化学湿法腐蚀将二氧化硅部分腐蚀掉，从而形成尖细的硅结构。常使用的腐蚀材料是氢氟酸，由于刻蚀深度有限，故需要多次进行“氧化腐蚀”的循环过程。反之，也可以将硅腐蚀，保留二氧化硅，形成非常窄细的沟道。氧化削尖工艺过程2 、应用1516 横向抽减法希望刻蚀或者腐蚀过程尽可能各向同性，但各向异性的湿法腐蚀也可以通过巧妙的设计腐蚀方法来实现横向抽减的间接加工。例如KOH对硅的腐蚀是各向异性的，腐蚀速率与晶面指数有关，通过设计特殊的掩模图形可以实现所要求的纳米结构。3 、目的 我们也可以通过“修剪”的方法来将宽粗结构变为窄细结构。其中聚焦离子束（FIB）是一种最好的，最灵活的微纳米修剪

8、技术。FIB既可以实现微纳米尺度的溅射刻蚀，也可以实现微纳米尺度的溅射沉积。FIB最成功的例子是修剪计算机硬盘的读写磁头。 其他一些方法可以在不改变光刻分辨率的情况下获得高分辨率的图形结构。例如巧妙运用正型光刻胶与付型光刻胶的显影特性的差别，可以实现远小于光学曝光分辨率的图形。 窄细结构的电极在量子电子学研究和生物学中单分子行为的研究中具有广泛的应用。这种结构的间隙一般要求在10nm以下，传统的光刻与刻蚀技术很难获得如此小的电极间隙。一般，我们可以通过横向抽减法和横向添加法来获得。4 、其他方法1718三、横向添加法1、定义2、应用3、工艺流程横向添加法是获得窄细的间隙结构的一种间接加工方法。

9、 传统的方法是电子束曝光+反应离子刻蚀或者聚焦离子束方法。 所谓的横向添加法就是从一个宽带间隙开始，通过沉积的方法不断从两端横向添加材料，使得宽的间隙变窄。 通过控制间隙的起始量和材料的沉积量，可以使间隙缩小到只有23nm。最精确也是最灵活的方法是聚焦离子束或者聚焦电子束辅助沉积。聚焦电子束的沉积结果更准确但效率较低。1、定义1920（1）利用类似的技术可以用来缩小孔的直径。步骤：薄膜沉积，孔缩小的程度与薄膜沉积的厚度有关； 通过各向异性刻蚀去除衬底表面和孔底的薄膜； 图形转移。（2）利用这一个技术也可以密封的沟道。步骤：通过各向异性刻蚀获得矩形沟槽； 通过各向同性刻蚀将矩形沟槽变成圆形截面沟

10、槽； 薄膜沉积，保护沟槽的开口 通过原子层沉积（ALD）填充沟槽内壁，随着沉积 层的加厚，最后将沟槽封死。2、应用A、传统直接加工方法得到的初始间隙B、通过材料沉积获得的缩小的间隙二、非光刻间接方法缩小孔直径的加工工程一、通过横向添加材料缩小间隙的方法3、工艺流程C、聚焦电子束辅助沉积将120nm间隙缩小为5nm211、定义2、工艺步骤3、原料要求4、应用及优势四、垂直抽减法22垂直抽减加工方法： 基于与侧壁沉积间接加工相反过程实现纳米尺度结构的间接加工。侧壁沉积 以沉积的薄膜作为最后的图形结构，而支撑结构在最后一步加工中被清除。垂直抽减则是将侧壁的薄膜刻蚀清除，以清除后留下来的间隙作为最后的

11、图形结构。1、定义23步骤：1、低分辨率光刻技术（支撑结构）2、热氧化工艺（表面转化二氧化硅）3、PECVD工艺（表面沉积氮化硅）4、化学机械抛光工艺（表面平整化）5、反应离子刻蚀方法（清除多余部分）2、工艺步骤24表面转化SiO2 热氧化工艺支撑结构 低分辨率光刻技术表面平整化 化学机械抛光工艺表面沉积Si3N4 PECVD工艺 清除多余部分 反应离子刻蚀方法2、工艺步骤示意图25这一间接加工技术已经被用来制作纳米流体器件，纳米流体通道宽度可以很容易地做到小于100nm。垂直抽减法的关键是要求支撑材料与沉积材料的刻蚀化学不兼容，即刻蚀其中一种材料对其余材料无损伤。3、材料要求及应用领域优势2

12、6垂直抽减+碱性腐蚀各向异性利用单晶硅在碱性腐蚀液中的腐蚀是各向异性的特点在SOI硅片上可以控制当“V”形槽的锥底刚好在到达二氧化硅夹层时停止腐蚀。从反面实施硅深刻蚀，将硅的“把手层”去除，并刻蚀清除二氧化硅夹层，正面的“V”形槽的尖锥顶就变成了一个透明孔。小孔27 这种技术已经用来制作沉积加工用的纳米阴影掩膜，并获得最小100nm的沉积图形。这种小孔的制作不涉及任何高分辨率光刻设备，制作成本大大降低。优势28垂直抽减+分子束外延法 分子束外延技术交替生长GaAs与AlGaAs,形成超薄层异质材料结构，然后将生长层部分断开，如图所示，在断口部分暴露出异质材料的交替生长层面。 GaAs与AlGa

13、As的特点是它们可以分别不同的酸性腐蚀液腐蚀。例如，用柠檬酸与双氧水混合液（5:1）腐蚀GaAs而不会影响AlGaAs，用稀释的氢氟酸腐蚀AlGaAs而不会影响GaAs。29优势利用这一特性可以将交替生长层中的一种材料腐蚀清除而保留另一种材料，形成高密度纳米线条结构。这些线条的宽度只与MBE生长层的厚度有关。用这种技术可以间接制作出间隙只有23nm宽的分离电极结构，还制作出只有6nm间距的纳米压印印模。301、定义2、工艺步骤3、纳米球阵列掩膜4、优势与局限五、 纳米球阵列法31纳米球阵列法是利用自组装技术在在衬底表面形成规则排列的聚苯乙烯纳米小球阵列。这些尺寸均匀一致的小球铺在衬底材料表面，

14、在球与球之间的间隙会形成规则的点阵图形。当向纳米球覆盖的表面进行热蒸发沉积金属薄膜时，蒸发材料的分子只能通过球与球之间的间隙沉积到衬底材料表面。纳米球阵列起到了掩膜的作用。1、定义2、工艺步骤纳米球阵列掩膜制作点阵结构的过程包括：纳米球自组装、蒸发镀膜、去除纳米球掩膜层等步骤。321、纳米球自组装：利用普通甩胶机将含有纳米球的悬浮 液旋转涂覆到样品表面，通过纳米球间液体毛细管作用 形成规则排列，形成纳米球阵列掩膜。2、蒸发金属镀膜。镀膜厚度为1020nm。3、酸中溶解 将镀膜后的样品放在氯乙酸中，将聚苯乙烯纳米球溶解， 最后在衬底材料表面留下纳米金属点阵。2、工艺步骤33图示金属点阵如图所示，

15、这些只有几十个纳米的金属点阵可以用于量子点器件、高密度磁存储器件等应用。34纳米球阵列可以做刻蚀掩膜，将纳米球阵列的间隙图形转移到衬底材料上，此处需要二氧化硅纳米球阵列做掩膜，刻蚀形成纳米孔的点阵。二氧化硅纳米球阵列还可以作为微透镜阵列。每一个二氧化硅都是一个球形透镜，可以将入射光汇聚成一点。纳米球阵列刻蚀掩膜35将二氧化硅小球排列在光刻胶层上，入射光进入球透镜阵列会聚对光刻胶曝光，显影后在光刻胶上形成孔阵列。小孔的大小不仅与球透镜会聚光斑的大小有关，还与曝光剂量有关。如用0.97微米直径的二氧化硅小球和365nm波长紫外光可以在光刻胶上得到250nm的孔阵列。若要制作100nm以下的孔阵列，

16、需要用深紫外波长的光源曝光。纳米球阵列刻蚀掩膜36如图所示，如果不是垂直辐照，而是以一定角度入射，并沿空间一定方向扫描，则曝光得到的图形不是点阵而是短线条阵列。这一技术最吸引人之处是它的制作过程简单与低成本，不需要任何复杂高昂的曝光设备。但局限性也很大，点的直径与点阵的周期均受到纳米球直径的限制。4、优势与局限37六、多步加工法1、定义2、工艺步骤3839 多步加工是指通常只需要一步加工制作的微纳米图形结构，由于加工分辨率的限制无法用一步加工实现，于是将一步加工分解成多步加工。1、定义 本节多步加工法是针对高密度图形难以实现的高分辨率的矛盾所提出的解决办法。 其实，单一的或稀释的高分辨图形并不

17、难实现，最难制作的是高密度的精细图形。 原因：当时图形彼此之间靠的很近时，光学曝光中的光波的衍射或电子束曝光中电子的散射会导致密集图形之间的相互影响。因此单一或稀疏的图形的尺度已经不能真实反映大规模集成电路加工的难度，而需要采用“半周期”的尺度来衡量集成电路的集成度。 目前最新一代的最小周期尺寸已达到32nm，进一步缩小周期尺寸已经遭到光学曝光理论上和实践上难以逾越的障碍。多步加工方法则提供了一条克服这些障碍的途径。 多重加工的优点：可以继续用大部分传统投影光学曝光技术与工艺。40两步法制作图形密度加倍的硅纳米线条结构实验步骤： 1.先制作低密度的二氧化硅图形。(a)2.用CVD方法制备沉积氮

18、化硅层，将二氧化硅图形结构埋起来。(b)3.用CMP方法将顶层的氮化硅磨去，暴露出原来制备的二氧化硅结构。(c)4.将二氧化硅结构刻蚀消除，留下来是氮化硅结构。(d)412、工艺流程42结果分析：此时的氮化硅结构的密度已是原来二氧化硅结构的2倍。通过反应离子刻蚀将氮化硅图形结构转移到衬底上就得到了比原来二氧化硅掩模图形加倍的硅图形结构。利用这一技术已经成功地获得了100nm半周期的密集图形。七、超级分辨率法431、定义2、工艺步骤44利用光学曝光的光强部分或电子束曝光部分的电子束流密度分布特性得到比普通曝光较高的分辨率的方法。 1、定义接触式光学曝光技术45 当掩模与光刻胶表面严密接触时，光刻

19、胶上的光强分布如右图中的虚线分布形状。 它是一种无衍射的近场光强分布，其宽度与掩模图形宽度一致。但如果掩模离开光刻胶表面一定距离（图中所示为1um),光的衍射使光强分布变化,如图中的实线分布形状，其分布宽度在不同光强水平是不一样的。 如果控制光刻胶的灵敏度(感光度)，使其仅在高光强水平感光，则有可能得到比掩模图形小得多的光刻胶曝光图形。图中掩模图形的宽度是1um，而在光强大于1.0的感光水平，得到的光刻胶图形的宽度可以小于300um。 46 在这种超级分辨的概念很早就被 用来实现“以大变小”的间接加工。图9.25显示了由开口为152nm的X射线的掩模图9.25(a)得到线条宽度为61nm的曝光

20、图形图9.25(b)。能做到这一点的诀窍是控制掩模的距离X射线抗蚀剂显影时间。 如以上图9.24所示，调整掩模高度可以改变抗蚀剂表面的X射线能量分布形状。调整曝光剂量或显影时间则可以使抗蚀剂仅在某一水平的能量被曝光，而曝光图形宽度仅与该水平的能量分布宽度有关。2、工艺流程 使用低灵敏度抗蚀剂可以达到同样效果。在上图的例子中使用X射线抗蚀剂是SAL601化学放大型负型抗蚀剂。获得61nm曝光线条宽度的显影时间为1min45s。如果显影时间延长至2min，曝光线条可以进一步缩小到43-46nm。延长曝光时间等效于负型抗蚀剂仅在高端能量曝光，其能量分布亦较窄。正型胶则相反，需要缩短显影时间。通过调节

21、调整曝光剂量可以改变干涉曝光光线条的宽度和周期。 472、工艺流程48 另一种产生超分辨曝光 效果的途径是”吸收调制光学曝光”技术（AMOL）。 AMOL技术的基础是某些光致变色材料，如偶氮苯、二芳烯只在特定的光照下变色，在另外的波长退色。如果用一个环形或“夹心”光源，即外环光的波长为L1，中心光的波长为L2,L1光使材料变色（变透明为不透明），L2光使材料退色（变不透明为透明）。 该”夹心”光源照射这种光致变色材料时，由外环光与中心光的合成产生一个透明的孔，孔的直径远小于中心光的波长。中心光通过这个透明孔对光致变色 层下面的光刻胶曝光，可以产生远小于中心光波长的曝光分辨率。如右图2、工艺流程

22、 利用能量分布的宽窄控制曝光图形的宽窄也是电子束曝光中常用的技术。这是因为能使低灵敏度抗蚀剂曝光的只有电子束分布的高端部分，而呈高斯分布的电子束高端部分要比地段部分窄的多。曝光获得的尺寸自然也窄的多。 同样道理，如果以电子束单线扫描曝光线条图形，曝光线条的宽度则与曝光的剂量有直接关系。曝光剂量越高，线条越粗。 因为在高的剂量下，电子束的高斯部分的低端也参与了抗蚀剂的曝光，而越低低端的高斯分布束直径越大。当然，显影的时间越长越发挥重要的作用，短显影时间与低试剂量曝光的作用是一样的。492、工艺流程除了上述方法之外，巧妙地利用电子的散射效应也可以实现超分辨率电子束曝光。通过单线扫描的电子束是相互重叠的，图（a）中重叠的圆环所示。当然实际的曝光线条可能不仅决定与束直径，而且决定与曝光剂量和显影条件。如果电子束扫描不是连续的，而是有意断续，形成很小的间隙。如果曝光点的间隙足够小，尽管电子束不连续也有可能在断开出处产生曝光作用，因为电子束从两侧向断开处的横向散射造成的实际的曝光，或者解释为电子束的高斯部分的低端拖尾将断开处连接起来，形成连续线条，图（b）所示。由于断开处极弱的电子曝光作用，显影后的抗蚀剂线条将正常曝光的线条细的多，实现了超分辨率的曝光。图（c）是用上述方法得到的3nm的电子束的曝光线条图形。要想成功实现这种超分