納米壓印光刻技術(shù)的研究進(jìn)展

納米壓印光刻技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著嵌入式制造技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)的極限分辨率逐漸減小，光刻技術(shù)也越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)在90nm節(jié)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用193nmArF準(zhǔn)分子激光器作為光刻光源。在65nm和45nm節(jié)點(diǎn),也將分別采用193nm及其浸沒(méi)式光刻技術(shù)。然而,光刻的成本也越來(lái)越高,特別是以光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(OPC)和光學(xué)移相掩模(PSM)為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)(RET)更加劇了這一趨勢(shì)。在32nm節(jié)點(diǎn),有觀點(diǎn)認(rèn)為極紫外線投影光刻(EUVL)作為下一代光刻技術(shù)的侯選者預(yù)期將在2013年投入生產(chǎn)。但是,EUVL除面臨光源和掩模制作的技術(shù)難題以外,高昂的成本也令芯片制造廠商難以承受。與此同時(shí),納米壓印光刻技術(shù)經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展,已經(jīng)證明其可能進(jìn)入半導(dǎo)體生產(chǎn)的潛力,例如小于10nm的高分辨率、低的成本和高的產(chǎn)率[1～3]。2003年的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)正式將納米壓印光刻技術(shù)列為32nm節(jié)點(diǎn)的光刻技術(shù)侯選者。納米壓印正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注,也有更多的廠商和投資者加入來(lái)開(kāi)發(fā)這一技術(shù)。雖然這一技術(shù)仍處于研發(fā)階段,但是目前已經(jīng)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)界。很多半導(dǎo)體設(shè)備商已經(jīng)提供商用的納米壓印機(jī)臺(tái),如MII、SussMicrotec、EVG、Nanonex和Obducat等。1微接觸壓印法納米壓印光刻技術(shù)的基本思想就是將模版壓入一層薄的聚合物薄膜,這層薄膜通過(guò)熱的或者化學(xué)的方法可以固化,從而在聚合物上保留了模版圖形。根據(jù)固化方法的不同,可以大致分為熱壓印法、紫外固化法和微接觸法,如圖1。在熱壓印中,首先將硅片表面的聚合物溫度上升到玻璃化溫度(Tg)以上,然后施加一定的壓力將壓模壓入聚合物中。此時(shí),聚合物可以在壓模下自由流動(dòng)并充滿壓模圖形的空隙中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,將溫度降到Tg以下脫模。紫外固化法與熱壓印類似,不同的是硅片表面的聚合物在常溫下即為低粘度的液體,所以不需要加熱。這種聚合物可以在汞燈的紫外光照下固化從而可以保留模版上的圖形。微接觸法可以作為以上兩種方法的補(bǔ)充,這種方法首先在印章表面涂一層液體,然后使它與下面的基片接觸,基片上與模版接觸的地方就會(huì)形成一層自組裝單層膜,這樣就將模版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上。另外,除了根據(jù)聚合物固化的方法分類以外,還可以根據(jù)壓印過(guò)程采用步進(jìn)重復(fù)還是整片壓印來(lái)分類。采用整片方法進(jìn)行壓印對(duì)硅片的尺寸大小有限制。一是因?yàn)橹谱龃蟪叽绲哪０婧芾щy。如在200mm模版上制作10nm的圖形,需時(shí)很長(zhǎng),甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)月,而這是難以接受的。另外,在整片大尺寸硅片壓印的時(shí)候,硅片上的光刻膠厚度差異也會(huì)引起誤差,同時(shí)熱膨脹也會(huì)是嚴(yán)重的問(wèn)題。但是,整片壓印比步進(jìn)重復(fù)式壓印快得多,成本也便宜得多,這使得該方法更適合應(yīng)用于厚膠情況,例如MOEMS和微流體應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō),整片壓印可能用于單層中。在一些特定的應(yīng)用中,整片壓印具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),例如光學(xué)光柵。在這種情況下,步進(jìn)重復(fù)式壓印由于場(chǎng)拼接問(wèn)題而并不適用。步進(jìn)重復(fù)壓印法更適用于主流的半導(dǎo)體制造業(yè)。因?yàn)椴竭M(jìn)重復(fù)法與光學(xué)光刻的步進(jìn)重復(fù)相似,所以更容易被人接受。更重要的是,這種方法與生產(chǎn)更為相容--它能應(yīng)用于大的硅片上而不用擔(dān)心模版的質(zhì)量和價(jià)格,有更好的對(duì)準(zhǔn)方法,而且也沒(méi)有熱膨脹的問(wèn)題。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微流體或是生物芯片方面,微接觸法最有可能獲得應(yīng)用。因?yàn)樵诹硗鈨煞N方法中,紫外光和熱可能破壞生物材料。但是,微接觸法的分辨率不如另外兩種方法,因?yàn)檫@種方法使用一種柔軟,有彈性的模版而不是剛性的模版。2模型設(shè)計(jì)2.1紫外固結(jié)法2.1.1反滲透膜壓印工藝早期模版的制作采用常規(guī)的移相掩模制造工藝,在150mm(長(zhǎng)度)×150mm(寬度)×6.35mm(厚度)的光學(xué)掩模版上進(jìn)行加工,然后分切至所需尺寸作為紫外固化法的模版。然而這種方法在對(duì)厚的鉻膜刻蝕的時(shí)候會(huì)帶來(lái)特征尺寸的損失。這對(duì)于納米壓印所用的1×模版并不適用,所以需要對(duì)模版的制作工藝加以改進(jìn)。一種方法是采用薄的鉻膜,例如,將標(biāo)準(zhǔn)鉻薄膜厚度從70～100nm減小到20nm左右。這樣,既可以抑制電子束光刻時(shí)的電荷積累,又可以減小特征尺寸的損失。工藝流程如圖2所示。另一種方法引入了透明的導(dǎo)電膜ITO(氧化銦錫),即首先在石英基底上淀積一層ITO,再用PECVD的方法淀積一層二氧化硅薄膜,然后電子束光刻、刻蝕二氧化硅,最后去膠,形成需要的模版。其工藝流程如圖3所示。這種方法解決了普通石英模版由于無(wú)法耗散電荷而使得在進(jìn)行SEM檢測(cè)和缺陷檢查時(shí)變得困難的問(wèn)題。與主流的4×光學(xué)掩模版相比,納米壓印所用的1:1掩模版制做優(yōu)勢(shì)為:(1)省去了對(duì)版圖進(jìn)行光學(xué)鄰近效應(yīng)修正和移相掩模的數(shù)據(jù)處理過(guò)程;(2)沒(méi)有和光學(xué)波長(zhǎng)相關(guān)的襯底要求;(3)由于場(chǎng)區(qū)只有4×的1蛐4,曝光時(shí)間也相應(yīng)減小;(4)對(duì)掩模的透過(guò)相位控制沒(méi)有要求;(5)不需要表面保護(hù)粘貼膜。2.1.2表面能的改變及壓印工藝為了防止在壓印過(guò)程中模版和下面聚合物之間的粘連,需要對(duì)模版進(jìn)行表面修飾以降低其表面自由能。Zisman等人預(yù)測(cè),僅由-CF3官能團(tuán)組成的表面將具有最小的表面自由能,約為6×10-5N蛐cm[7～9]。隨后,Nishino等人確認(rèn)了這一預(yù)測(cè)。在他的實(shí)驗(yàn)中,表面能達(dá)到6.7×10-5N蛐cm(作為比較,Teflon的表面能為18×10-5N蛐cm。烷基三氯硅烷可以與熔石英或者SiO2形成共價(jià)鍵來(lái)改變模版的表面能。通常采用將模版浸入1%烷基三氯硅烷甲苯溶液中,或?qū)⒛０娣胖迷谕榛裙柰榈臍庀鄽夥罩袑?shí)現(xiàn)反應(yīng)[11～13]。在模版表面存在一層水分子的情況下,烷基三氯硅烷可以與模版表面的水分子反應(yīng),生成硅烷醇中間產(chǎn)物和HCl。進(jìn)而相鄰的硅烷醇之間發(fā)生交聯(lián),生成更為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其反應(yīng)過(guò)程如圖4所示。通常用的兩種防粘連劑是CF3(CF2)5(CH2)2SiCl3和CF3CH2CH2SiCl3。經(jīng)過(guò)處理后的模版表面由親水性變?yōu)槭杷?表面能顯著減小。經(jīng)過(guò)處理模版的表面能典型值為12×10-5N蛐cm左右。另外,經(jīng)過(guò)防粘連處理的模版也具有自清潔的功能,如圖5,用一塊表面有沾污過(guò)的模版在硅片表面進(jìn)行壓印,可以看到,進(jìn)行到第7次后,模版上已經(jīng)看不到可以分辨的沾污。這是因?yàn)?在壓印過(guò)程中,由于模版表面能小于其下面的聚合物的表面能,模版上的沾污更趨向于留在模版下的聚合物里。同時(shí),防粘連層長(zhǎng)時(shí)間放置或多次使用后性能依然沒(méi)有退化,對(duì)放置兩個(gè)月的模版進(jìn)行親水角測(cè)試,可以證實(shí)這一點(diǎn),如圖6。2.2熱壓印法2.2.1熱壓印的金屬性能壓模材料一般選用Si、SiO2、SiNx、Ni等。這些材料都具有大壓縮強(qiáng)度,大抗拉強(qiáng)度以減小壓模的形變和磨損;同時(shí)又具有高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù),以減小在加熱過(guò)程中的熱形變。對(duì)于要獲得納米圖形的熱壓印模版,通常要用電子束直寫來(lái)進(jìn)行加工,這樣可以獲得最高的分辨率。其過(guò)程是,先在壓模上涂上一層電子束光刻膠,如PMMA、ZEP520或SAL601等;然后用電子束進(jìn)行圖形的分辨,再進(jìn)行刻蝕、剝離等常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù),將電子束光刻分辨形成的圖形轉(zhuǎn)移到壓模基底上。2.2.2等離子體聚合和離子水質(zhì)噴射薄膜的制備為了防止熱壓印模版在壓印過(guò)程中與下面聚合物的粘連,同樣需要對(duì)模版進(jìn)行防粘連處理。除了可以用紫外固化法采用的氟代烷基三氯硅烷,如CF3(CF2)5(CH2)2SiCl3以外,還可以用等離子聚合或離子濺射的方法淀積一層類聚四氟乙烯(PTFE)薄膜用作防粘連層。(1)等離子聚合在等離子聚合的過(guò)程中,可以利用CF4蛐H2放電氣氛中薄膜厚度自限制的特性來(lái)生長(zhǎng)聚四氟乙烯薄膜。在如圖7的等離子體源中,在初始生長(zhǎng)階段,一些CF2官能團(tuán)淀積在表面。然后,在隨后的階段,兩種相反的過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。一種是等離子氣體中的CFX形成CF2官能團(tuán),進(jìn)而繼續(xù)淀積形成薄膜;另外一種是形成薄膜在F氣氛下的刻蝕。最后在這兩種過(guò)程之間會(huì)形成一種平衡,從而薄膜的組分和厚度也隨之確定。也就是說(shuō),薄膜的組分和厚度依賴于等離子體的參數(shù)。通過(guò)調(diào)整等離子體聚合的工藝條件,可以改變薄膜的厚度和組分,例如P.Groning等人利用這種方法制備出約5nm的薄膜。(2)離子濺射此外,也可以通過(guò)濺射的方法來(lái)制備類PTFE薄膜。例如,可以采用聚四氟乙烯靶和CHF3來(lái)實(shí)現(xiàn)。在淀積的腔體內(nèi),射頻電源激發(fā)出等離子體。等離子體里還有F離子自由基,這些離子被電場(chǎng)加速并隨機(jī)地撞向襯底,進(jìn)而形成薄膜。采用這種方法淀積的薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織較差,其內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳氟鏈長(zhǎng)度小于等離子體聚合生長(zhǎng)的薄膜。(3)比較以在Ni表面生長(zhǎng)PTFE薄膜為例,通過(guò)進(jìn)行X射線光電子光譜(XPS)來(lái)對(duì)生長(zhǎng)的薄膜進(jìn)行檢測(cè)。在薄膜中CF2原子團(tuán)含量越高,就說(shuō)明薄膜的表面能越低,抗粘連的效果也就越好。圖8顯示了等離子體聚合和離子濺射兩種方法制備的薄膜的XPS能譜。從圖8中可以看出,采用等離子聚合方法制備薄膜中CF2原子團(tuán)含量更高,表明在薄膜中含有長(zhǎng)的直鏈,從而與純的聚四氟乙烯更為接近。而濺射制備的薄膜更多地表現(xiàn)出化學(xué)不均勻性。在熱壓印過(guò)程進(jìn)行的時(shí)候,這種類似聚四氟乙烯薄膜會(huì)和光刻膠聚合體發(fā)生交互反應(yīng),部分改變薄膜的物理和化學(xué)性質(zhì),相應(yīng)地,減小了薄膜作為抗粘連層的使用壽命。R.W.Jaszewski等人發(fā)現(xiàn),采用上述兩種方法淀積的薄膜,隨著熱壓印次數(shù)的增加,薄膜內(nèi)CF2的含量都逐漸減小,性能逐漸退化,如圖9。2.3彈性印章的材料以PDMS制作流程為例,如圖10,首先采用光學(xué)光刻或電子束光刻在硅片上制作母版,母版突起部分的材料可以是SiO2、Si3N4、金屬、光刻膠或蠟。然后將其暴露于CF3(CF2)6(CH2)2SiCl3蒸氣中約半小時(shí)使其硅烷化,降低母版的表面能,以便將來(lái)易于與預(yù)聚物分離。接著將彈性的液態(tài)預(yù)聚物倒在母版上,待其固化后和母版分離,得到彈性印章[24～26]。彈性印章的h、d和l的典型值分別為0.2～20μm,0.5～200μm,0.5～200μm。彈性印章的材料可以是PDMS、聚亞安酯、聚酰亞胺,甚至是交聯(lián)的Novolac樹(shù)脂,但多采用PDMS,這是因?yàn)?其一,它是一種可以在相對(duì)大的面積上吻合基底表面圖形的彈性體,這使得它可以用于微米尺寸上非平坦的基底表面,且易于從復(fù)雜、易碎的結(jié)構(gòu)上釋放;其二,它的表面是化學(xué)惰性的,具有較低的界面自由能,這使得它不會(huì)同聚合物發(fā)生可逆的粘附或反應(yīng);其三,它是均勻、各向同性的耐用彈性體(在幾個(gè)月的周期內(nèi)可以使用100次以上),且對(duì)于300nm以上波長(zhǎng)的光是透明的;其四,它的表面性質(zhì)易于改變,可以通過(guò)等離子體處理形成自組織單層同很多材料發(fā)生界面反應(yīng)。但是,PDMS也同時(shí)帶來(lái)了一些嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)PDMS上的浮雕圖形的深寬比過(guò)大時(shí),由于重力、粘附力和毛細(xì)作用的影響,浮雕圖形容易發(fā)生配對(duì)塌陷,如圖11中a部分所示;而當(dāng)PDMS上的浮雕圖形的深寬比過(guò)小時(shí),彈性印章容易發(fā)生向基底的下垂,如圖11中b部分所示;另外,彈性印章由于其固有的彈性,很難取得多層工藝時(shí)的對(duì)準(zhǔn),例如,PDMS固化后會(huì)收縮1%,如圖11中c部分所示,同時(shí)也很容易在無(wú)極性的溶劑中發(fā)生膨脹。3納米壓印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)本文對(duì)納米壓印光刻的模板制作過(guò)程和模版的防粘連處理進(jìn)行了總結(jié)。模版的制作與常規(guī)的掩模制作工藝和半導(dǎo)體工藝有很好的相容性和繼承性,同時(shí)又與光學(xué)光刻的掩模制作有所不同。在不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合中,可以采用不同的納米壓印方法。除了作為有可能應(yīng)用于32nm節(jié)點(diǎn)的下一代光刻技術(shù)以外,納米壓印還有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著工業(yè)界對(duì)納米壓印