微納米加工技術(shù)及其應(yīng)用

1、微納米加工技術(shù)及其應(yīng)用緒論1:納米技術(shù)是制造和應(yīng)用具有納米量級(jí)的功能結(jié)構(gòu)的技術(shù)，這些功 能結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)方向的幾何尺寸小于loonmo2：微納米技術(shù)包括集成電路技術(shù)，微系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)；而微納 米加工技術(shù)可獲得微納米尺度的功能結(jié)構(gòu)和器件。3：平面集成加工是微納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)，其基本思想是將微納米 機(jī)構(gòu)通過(guò)逐層疊加的方式筑在平面襯底材料上。（類似于3d打印機(jī)？）4：微納米加工技術(shù)由三個(gè)部分組成：薄膜沉積，圖形成像（必不可 少），圖形轉(zhuǎn)移。如果加工材料不是襯底本身材料需進(jìn)行薄膜沉積，成像 材料的圖形需轉(zhuǎn)化為沉積材料的圖形時(shí)需進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移。（襯底材料，成 像材料，沉積材料的區(qū)別和聯(lián)系）5：圖形成

2、像工藝可分為三種類型：平面圖形化工藝，探針圖形化工 藝，模型圖形化工藝。平面圖形化工藝的核心是平行成像特性，其主流的 方法是光學(xué)曝光即“光刻“技術(shù)；探針圖形化工藝是一種逐點(diǎn)掃描成像技 術(shù)，探針既有固態(tài)的也有非固態(tài)的，由于其逐點(diǎn)掃描，故其成像速度遠(yuǎn)低 于平行成像方法；模型圖形化工藝是利用微納米尺寸的模具復(fù)制出相應(yīng)的 微納米結(jié)構(gòu)，典型工藝是納米壓印技術(shù)，還包括模壓和模鑄技術(shù)。6：微米加工和納米加工的主耍區(qū)別體現(xiàn)在被加工結(jié)構(gòu)的尺度上，一 般以loonm作為分界點(diǎn)。光學(xué)曝光技術(shù)1:光學(xué)曝光方式和原理可分為掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光和投影式曝光。其屮，掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光又可分 為接觸式曝光和鄰近式曝光，投影式曝光又可分

3、為1:1投影和縮小投影（一般為1：4和1：5）o接觸式曝光可分為硬接觸和軟接觸。其特點(diǎn)是：圖形保真度高，圖形 質(zhì)量高，但由于掩模與光刻膠直接接觸，掩模會(huì)受到損傷，使得掩模的使 用壽命較低。采用鄰近式曝光可以克服以上的缺點(diǎn)，提高掩模壽命，但由 于間隙的存在，使得曝光的分辨率低，均勻性差。掩模間隙與圖形保真 度之間的關(guān)系w=k其中w為模糊區(qū)的寬度。掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光機(jī)基本組成包括：光源（通常為汞燈），掩模架，硅片臺(tái)。適用范圍：掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光已不再適用于大規(guī)模集成電路的生產(chǎn), 但卻廣泛應(yīng)用于小批量，科研性質(zhì)的以及分辨率要求不高的微細(xì)加工中。投影式曝光：投影式曝光廣泛應(yīng)用于大批量大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。評(píng)

4、價(jià)曝光質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)：分辨率和焦深。分辨率（最小可分辨圖形線寬）r=?1?na為數(shù)值孔徑，由上式可知為了？?提高曝光分辨率可從如何降低?1,開(kāi)發(fā)短波長(zhǎng)光源，大數(shù)值孔徑透鏡方面入手。焦深dof二?2?（?）由上式可知，單純地提高分辨率會(huì)降低焦深，而在大規(guī)模集 成電路的生產(chǎn)過(guò)程中，焦深甚至更為重要。每一層掩模的設(shè)計(jì)都有一個(gè)最關(guān)鍵的尺寸，通常是最小的圖形，這一 關(guān)鍵尺寸稱為cdo cd值需控制在一定的范圍內(nèi)才能使制造的集成電路有 效地工作。2：光學(xué)曝光的工藝過(guò)程 硅片表面處理：去除污跡，表面絕對(duì)干燥，涂附一層化學(xué)增附劑 hmds； 涂膠：一般有兩種方法一一“甩膠法”和噴涂法。 前烘：蒸發(fā)掉膠中的有機(jī)

5、溶劑成分，使硅片表血膠固化。 曝光：在曝光機(jī)中進(jìn)行曝光。 后烘：可以部分消除駐波效應(yīng)，采用涂抗反射涂層的方法可以有 效防止駐波效應(yīng)。 顯影：三種顯影方法一一浸沒(méi)法，噴淋法，攪拌法。 清除殘膠：顯影過(guò)后硅片表面會(huì)殘留一層膠質(zhì)層，有時(shí)會(huì)妨礙下一 步的圖形轉(zhuǎn)移，但并不是所冇情況下都要去殘膠。 堅(jiān)膜：硬烘烤，并不是一步必須的工序。 圖形轉(zhuǎn)移：光刻膠本身只起到了一種掩模作用。 去膠:有兩種方法一一濕法（酸堿類溶液或有機(jī)溶劑，如丙酮），干 法（等離子體如氧氣刻蝕去膠）。3：光刻膠的特性定義：光刻膠是指一大類具有光敏化學(xué)作用的高分子聚合物材料。作用：作為抗刻蝕層保護(hù)硅片。分類：正型光刻膠和負(fù)型光刻膠。二者的

6、區(qū)別是正型光刻膠曝光部分被去除，負(fù)型光刻膠曝光部分被保留。組成部分：樹(shù)脂型聚合物，溶劑，光活性物質(zhì)（pac），添加劑。注意:光刻膠不僅對(duì)光敏感，有些光刻膠對(duì)電子?xùn)c，離子?xùn)c也敏感。光刻膠的一些指標(biāo)：靈敏度一一衡量曝光速度；（止負(fù)的定義不同） ：對(duì)比度影響膠的分辨能力；抗刻蝕比刻蝕膠和刻蝕硅片的速度之比;分辨能力曝光寬容度偏離最佳曝光劑量時(shí)，曝光圖形的線寬變化情況；工藝寬容比一一偏離最佳工藝條件時(shí)，光刻膠的性能 變化情況；膨脹效應(yīng)一一負(fù)型光刻膠會(huì)出現(xiàn)這種情況；熱流動(dòng)性一一 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度：黏度一一衡量光刻膠的可流動(dòng)性的；保質(zhì)期限 尤其對(duì)紫外光成分敏感。正型光刻膠，負(fù)型光刻膠，暗場(chǎng)掩模，亮場(chǎng)掩模組合

7、起來(lái)使用，可以獲得任意的曝光圖形。相比之下，正型光刻膠的性能更優(yōu)，用途更廣。其他光刻膠：化學(xué)放大膠，特殊光刻膠一一厚光刻膠，彩色光刻膠， 可進(jìn)行電鍍涂附的光刻膠等。4：光學(xué)掩模的設(shè)計(jì)和制造（）明確定義掩模層：定義每層掩模的作用。做好掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志：確定層與層之間的位置關(guān)系，微系統(tǒng)器件可 以使用掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光機(jī)曝光，大規(guī)模集成電路使用重復(fù)步進(jìn)式平曝光機(jī)。 嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)則：不同的工藝具有不同的最小可實(shí)現(xiàn)圖形尺寸， 具有一套掩模設(shè)計(jì)規(guī)則，來(lái)規(guī)定最小尺寸和最小間距。掩模制造的本身就是一個(gè)微細(xì)加工過(guò)程。5：短波長(zhǎng)曝光技術(shù)?深紫外曝光技術(shù)r=?l?工圖形。一般，436nm為g線，356nm的為i線。采用準(zhǔn)

8、分子激光器的深紫外曝光技術(shù)。?極紫外曝光技術(shù)一一極紫外是波長(zhǎng)為13nm的光輻射。而其本質(zhì)是 一種軟x射線。極紫外波長(zhǎng)可被幾乎所有材料吸收，故所有的光學(xué)系統(tǒng)包 括掩模都必須是反射式的。組成：極紫外光源一一等離子體激發(fā)和同步輻射源；極紫外光學(xué) 系統(tǒng)一一利用多層膜反射鏡，可提高反射率；極紫外掩模一一掩?；?和金屬層；極紫外光刻膠一一更高靈敏度和分辨率。x射線曝光技術(shù)：x射線是指波長(zhǎng)在o.ol-lonm間的電磁波譜，又可 分為軟硬兩種，這里討論的是硬x射線。x射線不能被折射，故只能做成 1： 1鄰近式曝光，不可做成縮小式曝光，這樣就加大了掩模的制造難度和 成本。?6：大數(shù)值孔徑（na）和浸沒(méi)式曝光技

9、術(shù)1. 大數(shù)值孔徑是高分辨率成像的必要條件。2. 但是，增加數(shù)值孔徑會(huì)受到焦深的影響和限制，dof二?2?（?）,過(guò)大的數(shù)值孔徑會(huì)使焦深過(guò)小。3. 進(jìn)一步增加數(shù)值孔徑還受到光極化效應(yīng)的影響一一當(dāng)數(shù)值孔徑達(dá)到0.8以上時(shí)，光波通過(guò)透鏡會(huì)被極化成s極和p極分量，在大入射 角的情況下，s極分量會(huì)被反射，使得入射光的能量損失以及成像對(duì)比度 下降。（采用極化光照明，使得入射光中只有p極分量，這樣就不存在極 化反射的問(wèn)題了）。4. 提高光學(xué)曝光數(shù)值孔徑的最成功的方法是浸沒(méi)式曝光技術(shù)一一又稱為濕式曝光，即將傳統(tǒng)的空氣介質(zhì)換為介質(zhì)水。浸沒(méi)式曝光的最大 難題是微氣泡問(wèn)題一一當(dāng)曝光鏡頭在硅片表血高速移動(dòng)進(jìn)行掃描步

10、進(jìn)式 曝光時(shí)，會(huì)在鏡頭與硅片表面的水溶液層中形成大量的微氣泡，這些微氣 泡會(huì)大大的改變光波在水液層中的傳輸性質(zhì)。7：光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù)除了 x和na外，提高分辨率的另一個(gè)方法就是改變?1因子。？?1因 子包含了透鏡光學(xué)以外的因素，它的理論極限值是0.25。這些技術(shù)統(tǒng)稱為 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù)。1. 離軸照明技術(shù)一一有意將屮心軸部分的光遮住，這有利于衍射光 波的高次諧波分量通過(guò)透鏡成像到硅片表面上。主要有兩種方式：環(huán)形離 軸照明和四級(jí)離軸照明。該技術(shù)是一種最易實(shí)現(xiàn)，成本最低的分辨率增強(qiáng) 技術(shù)。2. 空間濾波技術(shù)一一在頻域空間調(diào)制掩模成像的光強(qiáng)和相位，以改 善圖形的分辨率和焦深。主要目的是突

11、出高頻分量，部分遏制低頻分量。 但該技術(shù)實(shí)施起來(lái)較為困難。3. 移相掩模技術(shù)一一空間濾波技術(shù)在掩模上的運(yùn)用，調(diào)制光波的相 位來(lái)改善成像的對(duì)比度和焦深。常見(jiàn)形式有：輔助式，交替式，周邊式, 無(wú)珞式，衰減式。各種移相掩模的目的都是通過(guò)引進(jìn)相反的相位光波，在 相的邊緣部分產(chǎn)牛抵消作用。交替式掩模對(duì)光學(xué)曝光的改進(jìn)最為顯著，但其也存在明顯的缺點(diǎn)：? 只適用于高度周期重復(fù)的圖形：？相位沖突問(wèn)題；？掩模制造復(fù)雜。故交替 式是強(qiáng)移像型，但不適用于任意的圖形，周邊式和衰減式屬于弱移像型, 但適用于任意的圖形。4. 光學(xué)鄰近效應(yīng)校止技術(shù)光學(xué)鄰近效應(yīng)：衍射成像在成像過(guò)程中會(huì) 丟失高頻分量，使得成像的清晰度下降。光學(xué)

12、鄰近效應(yīng)校正的方法就是一一有意的改變掩模的設(shè)計(jì)尺寸和形 狀來(lái)補(bǔ)償圖形局部曝光過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱。另外一種校正技術(shù)不是修改設(shè)計(jì)圖形 本身，而是在設(shè)計(jì)圖形附近加一些圖形(亞分辨率輔助圖形)或散射條。 這些輔助圖形的尺寸很小，不會(huì)在光刻膠上成像，但其會(huì)影響光強(qiáng)分布, 從而影響設(shè)計(jì)圖形的成像質(zhì)量。反向曝光技術(shù)(ilt)從理想光學(xué)成像出發(fā)，反向設(shè)計(jì)獲得能夠產(chǎn) 生理想成像的掩模圖形。5 曲向制造的掩模設(shè)計(jì)技術(shù)面向制造的設(shè)計(jì)(dfm) 首先確定制造工藝的可能性，然后通過(guò) 改變調(diào)整電路設(shè)計(jì)以適應(yīng)具體的制造工藝。6 光刻膠及其工藝技術(shù) 嚴(yán)重問(wèn)題一一曝光的線條邊緣粗糙度(ler)o許多隨機(jī)效應(yīng)都會(huì)造成ler?？刮g劑的靈敏

13、度越高，ler越明顯，二者 是明顯矛盾的。光刻膠對(duì)紫外線的吸收隨波長(zhǎng)的縮短而增加。表面成像技術(shù)(tsi)是解決淺曝光層和厚光刻膠層矛盾的技術(shù)之一。高分辨率光學(xué)曝光還帶來(lái)其他一些問(wèn)題。7. 二重曝光與加工技術(shù)冃前唯一一種可以突破?1因子的理論極限值的技術(shù)。稀疏孤立的圖形比密集圖形的光學(xué)曝光更容易實(shí)現(xiàn)。半周期_ 反映了線條的密集程度，不但包括線寬，還包括線條之間的間距。二次曝光一一對(duì)密集圖形可以分為兩次曝光稀疏圖形，讓二次曝光的 圖形相重疊，最后合成的圖形即為原先設(shè)計(jì)的密集圖形。8. 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)計(jì)算機(jī)模擬的作用一一優(yōu)化曝光工藝和參數(shù)；研究發(fā)現(xiàn)新技術(shù)。部分相干光成像理論一一對(duì)于大數(shù)值孔

14、徑的光學(xué)曝光系統(tǒng)，需考慮光波的矢量效應(yīng)，通過(guò)求解三維完全電磁方程的方法來(lái)計(jì)算曝光能量的分布。計(jì)算機(jī)模擬軟件compape該軟件以標(biāo)量衍射理論計(jì)算投影式曝光的光強(qiáng)分布，以dill方程計(jì)算 光刻膠的曝光過(guò)程，以dill模型或mack模型來(lái)計(jì)算光刻膠的顯影過(guò)程。 光學(xué)曝光質(zhì)量的比較 模擬的目的是找出最佳的工藝條件和曝光條件，找出最佳的掩模設(shè)計(jì)方案。比較的標(biāo)準(zhǔn)一一i:比較光學(xué)想；ii:比較顯影后的光刻膠圖形。i:比較光學(xué)想一一光學(xué)想的比較主要是比較像分布的對(duì)比度和焦深。比較光 學(xué)想可排除光刻膠及具體工藝條件的影響，直接對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和掩模系統(tǒng)進(jìn) 行評(píng)價(jià)。是一種定性的評(píng)價(jià)。ii:比較顯影后的光刻膠圖形一一對(duì)某一種光刻膠比較曝光劑量和散 焦對(duì)cd的影響，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：?擺動(dòng)曲線反映了入射光在膠層中的駐波效應(yīng)；?微笑曲線反映了 cd隨散焦量和曝光劑量的變化。9. 其