微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用(第二版)

第1章光 学 曝 光 光学曝光也称为光刻（photolithography），是指利用特定波长的光进行辐照，将掩模板（photomask）上的图形转移到光刻胶上的过程。光学曝光是一个复杂的物理化学过程，具有大面积、重复性好、易操作以及低成本的特点，是半导体器件与大规模集成电路制造的核心步骤［1，2］。 在纳米科学研究中，光学曝光技术一直发挥着极为重要的作用，是纳米材料、器件和电路实验研究过程中的关键技术。光学曝光可用于制备测量电极，研究材料的特性；也可用于加工自然界并不存在的特异结构，如左手材料等；还可用于新型纳米器件与电路的加工［313］。 受光衍射极限的限制，采用常规的光学曝光工艺无法直接实现纳米尺度图形的加工。为适应器件尺寸由微米级逐渐向纳米级的发展，光学曝光所采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436 nm、365 nm逐步进入到深紫外（DUV）区间的248 nm、193 nm，真空紫外（VUV）区间的157 nm和极紫外（EUV）区间的13.5 nm。光学曝光的*小图形分辨率已从20世纪70年代的4~6 μm提高到了21世纪20年代初的几纳米。相继发展了248 nm 深紫外KrF准分子激光与193 nm ArF 准分子激光技术、193 nm浸没式曝光技术、157 nm的F2光源以及13.5 nm波长的极紫外曝光技术。目前，先进的光学曝光设备使用非常复杂的技术去提高分辨率，包括曝光波长向短波方向发展，采用大数值孔径以及浸没式曝光，进行光学邻近效应校正，以及采用相移掩模等，然而这些都需要非常昂贵的代价。因此，为满足纳米科技的发展，怎样通过工艺与技术手段，充分利用光的波动性特点，如光学曝光中存在的衍射与驻波效应等，提高光学曝光的加工精度，用于微纳米结构与器件的制备，已成为科研与产业界共同关注的问题，并取得了长足进步。 1.1光学曝光系统的基本组成 光学曝光设备的基本组成包括光源系统、掩模板固定系统、样品台和控制系统。光源是曝光设备的*重要组成部分，通常采用不同波长的单色光，主要有高压汞灯与准分子激光两种。高压汞灯是目前实验室*常用的曝光光源，包含有三条特征谱线，分别为G线 (436 nm)、H线 (405 nm)、I线 (365 nm)，能达到的分辨率为400 nm左右。目前先进的光学曝光系统中，一般采用激光器来获得不同波长的光源。高性能激光器具有输出光波波长短、强度高、曝光时间短（几个脉冲就可完成曝光）、谱线宽度窄、色差小、输出模式多、光路设计简单等特征。通常采用波长为248 nm、193 nm 和157 nm的准分子激光器作为光源，曝光精度可达100 nm以下。为延续摩尔定律给出的特征尺寸以2~3年缩小30%的预期，以波长13.5 nm的极紫外进行曝光的极紫外曝光系统在2018年底已经实现了5 nm节点芯片的大规模量产，极紫外曝光技术在21世纪20年代仍然会在半导体工业发挥重要作用。表1.1给出了各种光源的特征参数。光学曝光对光源的要求非常高，其中*为关键的问题是如何在高重复频率下保持窄带宽和稳定性，并尽可能地压缩带宽。此外，曝光光源需具有很好的光束均匀性。 表1.1光学曝光光源种类与特征参数 对于实验室常用的结构较为简单的掩模对准式曝光系统，其光路结构如图1.1所示，包括：①汞灯；②椭球镜；③冷光镜；④蛾眼目镜；⑤会聚透镜；⑥滤波器；⑦消衍射镜片；⑧表面镜；⑨前镜。 图1.1掩模对准式曝光系统的光路结构示意图 对于掩模对准式曝光设备，掩模板固定系统主要包括掩模板架及其固定框架。通常，掩模板通过真空吸附固定在掩模板架上，然后倒置固定在位于样品台上方的掩模板架固定框架上。样品台位于掩模板架下方，是一个位置可调的机械传动装置，通常可进行X、Y方向以及旋转调整，从而实现样品与掩模板图形的对准。对大多数设备，样品台在Z轴方向的调整可通过参数的设定或机器指令自动完成。 控制系统是指曝光设备的参数设定与指令控制部分。曝光过程中每一步骤，如掩模板的更换，样品的上载与下载，曝光模式、曝光时间、对准间距、曝光间距、观测用显微镜的设置与调整，均是通过控制系统来完成的。 1.2光学曝光的基本原理与特征[*2] 1.2.1光学曝光的基本模式与原理 光学曝光模式大体可分为掩模对准式曝光和投影式曝光两种。掩模对准式曝光又可分为接触式（硬接触、软接触、真空接触、低真空接触）和接近式曝光；投影式曝光包括1∶1投影和缩小投影(步进投影曝光和扫描投影曝光)［14］。图1.2为几种常用的基本光学曝光模式示意图。 图1.2基本光学曝光模式示意图 (a)接触式；(b)接近式，d为光刻胶上表面与掩模板之间的间隙；(c)投影式 1.接触式曝光 接触式和接近式曝光是在掩模对准式曝光机上完成的，设备结构简单，易于操作。接触式曝光制备的图形具有较高的保真性与分辨率，通过先进的对准系统，可实现约1 μm的层与层之间的精确套刻。但其不足在于衬底（substrate）和掩模板需要直接接触，会加速掩模板失效，缩短其寿命。硬接触是指通过施加一定的压力，使掩模板的下表面与光刻胶层的上表面完全接触；软接触与硬接触相似，但施加的压力比硬接触要小，因此，对掩模板的损伤也较小；真空接触是通过抽真空的方式使掩模板与胶表面紧密接触，达到提高分辨率的目的；低真空接触是通过调整真空度到比真空接触更低的条件下实现曝光的一种方式。目前紫外曝光系统在硬接触模式与真空接触模式下，能分别获得1 μm与0.5 μm的图形分辨率。接触式曝光一般只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产，但在科学研究中发挥着重要作用。 2. 接近式曝光 掩模对准式曝光的另一方式是接近式曝光。与接触式曝光模式不同，接近式曝光时在衬底和掩模板之间有几微米到百微米的间隙，如图1.2(b)所示。接近式曝光模式中，当光刻胶上表面与掩模板之间的间隙d满足下式： λ＜d＜W2λ(1.1) 其中，W为掩模板的实际图形尺寸，λ为所用光源波长(如图1.3所示)，则掩模间隙与曝光图形保真度间的关系可由（1.2）式表示： δ=k(λd)1/2(1.2) 其中，δ为所获得的光刻胶图形的宽度与掩模板上实际图形尺寸的差异（模糊区宽度），k为与工艺条件相关的参数，通常接近于1，因此，接近式曝光*小图形分辨尺寸为 Wmin≈λd（1.3） 图1.3平面波经过掩模板及在光刻胶表面的光强分布示意图 接近式曝光可以克服硬接触曝光对掩模板的损伤，但曝光分辨率有所降低。另外，光强分布的不均匀性会随着间距的增加而增强，从而影响到实际获得图形的形貌，在衬底平整度起伏较大时，光强的不均匀分布更为显著。而接触式曝光中接触应力可一定程度上消除衬底表面的不平整度，降低光强的不均匀分布对衬底上不同区域分辨率不一致的影响［15］。 在接近式曝光中，由于光衍射效应比较严重，从而影响了曝光图形的分辨率，但实际应用中，我们可以充分利用接近式曝光过程中的光衍射效应，如进行泊松亮斑曝光［16，17］， 制备纳米尺度图形，此方面的工作我们将在本章1.4.1进行介绍。 3. 投影式曝光 在投影式曝光系统中，掩模图形经光学系统成像在光刻胶上，掩模板与衬底上的光刻胶不接触，从而不会引起掩模板的损伤和沾污，成品率和对准精度都比较高。但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而还不适于实验室研究与低产量产品的加工。目前应用较广泛的是1∶1倍的全反射扫描曝光系统(利用透镜或反射镜将掩模板上的图形投影到衬底上)和x∶1倍的分步重复曝光系统。采用分步投影式曝光，可以将衬底图形缩小为掩模图形尺寸的1/x，大大减小了对掩模板制备精度的要求，曝光时通过重复多个这样的图形场，从而在整个衬底上实现图形的制备。 投影式曝光系统的基本参数包括分辨率（曝光系统所能分辨和加工的*小线条尺寸）、焦深(在投影光学系统可清晰成像的尺度范围）、视场、调制传递函数、关键尺寸、套刻与对准精度以及产率。前五个参数由曝光设备的光学系统决定，后两个参数则依赖于设备的机械设计。系统的光学分辨率(R)可表示为 R＝k1λNA(1.4) 其中，k1 是与工艺条件相关的参数，NA为数值孔径，代表系统收集衍射光的能力。因此，优化工艺参数，减小照明光波长，增加透镜数值孔径，可以提高曝光系统的分辨率。 影响投影式曝光图形质量的另一重要参数是焦深（DOF），即轴上光线到极限聚焦位置的光程差。曝光系统有限的焦深会导致不同区域严重的散焦现象，影响器件与电路特性的一致性。根据瑞利判据，焦深可表示为 DOF＝k2λ(NA)2(1.5) 其中，k2 是与具体的曝光系统及光刻胶性质相关的参数。可见焦深与数值孔径的平方成反比，因此，实际应用中，提高分辨率与系统焦深需要综合考虑［15］。 1.2.2光学曝光的过程[*2] 1. 光学曝光的基本步骤 常规光学曝光技术采用波长为200～450 nm的紫外光作为光源，以光刻胶为中间媒介实现图形的变换、转移和处理，*终把图像信息传递到衬底上。一般曝光工艺流程如图1.4所示，包括表面处理与预烘烤、旋转涂胶、前烘、对准与曝光、后烘、显影、坚膜和图形检测八个基本步骤。 图1.4光学曝光基本工艺流程（虚框为可选步骤） 1） 表面处理与预烘烤 在衬底上涂敷光刻胶之前，首先需要对衬底表面进行处理，除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）以及水蒸气。根据实际要求，一般使用化学或物理的方法对衬底进行去污处理。增强光刻胶与衬底表面黏附性的表面除湿通常在100~200℃的热板上或烘箱里进行，预烘烤可以大大降低后续工艺中光刻胶图形从衬底上脱落的现象。对于表面易吸潮的衬底材料，如SiO2与 Si3N4等，预烘烤尤为必要。对于表面亲水性的衬底，为了增强衬底表面与光刻胶的黏附性，涂胶之前可先涂敷增黏剂（亦称底胶），常用的增黏剂有六甲基二硅氮烷。 2） 涂胶 在实验室里，一般采用手动旋转涂胶和喷雾涂胶方法。旋转涂胶一般经过滴胶、低速旋转、高速旋转（甩胶、溶剂挥发）几个步骤。每种光刻胶都有不同的灵敏度和黏度，需要采用不同的旋转速率、斜坡速率与旋转时间，与之相对应，烘干的温度和时间、曝光的强度和时间、显影液和显影条件也不尽相同。光刻胶旋涂过程中的动态速率随时间变化关系如图1.5(a)所示。首先，衬底以低速度VI缓慢旋转时间tI，使光刻胶在衬底表面向外扩展，避免过快的加速度使光刻胶无法均匀地覆盖在衬底表面。然后加速达到速度VII，旋转时间为tII。从VI加速到VII的加速度称为斜坡速度，是影响光刻胶层均匀性的主要参数，加速度越快则胶层越均匀。决定光刻胶层厚度的关键参数有光刻胶的黏度与旋转速度。光刻胶层的厚度与光刻胶性质及转速间的关系如下： T=(KCβηγ)/W1/2(1.6) 其中，T为所获得的胶层厚度，K为系统校正参数，C为光刻胶浓度（g/100mL），η为本征黏度系数，W为转速（rpmrpm表示r/min。)。 光刻胶的黏度越低，旋转速度越快，得到光刻胶层的厚度就越薄，如图1.5(b)所示。对于固定的光刻胶，也可通过多次涂敷获得较厚的膜层，但涂敷新的光刻胶层之前需要对已涂好的胶层进行烘烤。多次涂敷虽然可以获得较厚的膜层，但与单次涂敷成膜相比，厚度均匀性会变差，因此不适合制备具有较小特征尺寸的图形与器件。另外，对于光刻胶层厚度的选择，还须考虑曝光所用光源的波长，如为I线、KrF以及ArF光源，光刻胶层厚度的选择范围大致分别为0.7～3 μm、0.4～0.9 μm以及0.2～0.5 μm。 图1.5(a)涂胶时旋转速度随时间变化的示意图；(b)光刻胶厚度与旋转速度和黏度的关系 3） 前烘 前烘的目的包括除去光刻胶中的溶剂、增强黏附性、增加光刻机的机械强度、释放光刻胶膜内的应力及防