物 理 学 和 高 新 技 术 纳 米 光 刻 技 术 3 罗 先 刚 姚 汉 民 严 佩 英 陈 旭 南 冯 伯 儒 中 国 科 学 院 光 电 技 术 研 究 所 微 细 加 工 光 学 技 术 国 家 重 点 实 验 室 成 都 摘 要 纳 米 科 学 技 术 将 成 为 新 世 纪 信 息 时 代 的 核 心 纳 米 量 级 结 构 作 为 研 究 微 观 量 子 世 界 的 重 要 基 础 之 一 其 制 作 技 术 是 整 个 纳 米 技 术 的 核 心 基 础 已 成 为 当 前 世 界 科 学 研 究 急 需 解 决 的 问 题 文 章 针 对 目 前 的 科 技 发 展 情 况 介 绍 了 几 种 纳 米 光 刻 技 术 的 实 现 新 途 径! 发 展 现 状 和 关 键 问 题 详 细 阐 述 了 波 前 工 程! 电 子 束 光 刻! 离 子 束 光 刻! 射 线 光 刻! 原 子 光 刻! 干 涉 光 刻! 极 紫 外 光 刻 以 及 光 刻 的 原 理 和 实 现 难 点 作 为 下 一 代 各 种 光 刻 技 术 它 们 都 有 望 实 现 纳 米 量 级 的 图 形 但 各 种 技 术 可 实 现 的 分 辨 力 极 限 有 所 不 同 以 上 分 辨 力 可 以 用 光 刻 结 合 波 前 工 程 和 干 涉 光 刻 实 现 左 右 的 分 辨 力 可 用 极 紫 外 光 刻! 光 刻 和 光 刻 实 现 而 电 子 束 光 刻! 离 子 束 光 刻! 射 线 光 刻! 原 子 光 刻 则 可 望 实 现 几 个 纳 米 的 分 辨 力 但 是 这 些 技 术 的 完 善 还 有 待 于 诸 如 光 学 系 统! 抗 蚀 剂! 精 密 控 制 等 等 相 关 技 术 的 成 熟 文 章 还 讨 论 了 纳 米 光 刻 技 术 的 应 用 前 景 关 键 词 纳 米 光 刻 波 前 工 程 电 子 束 光 刻 离 子 束 光 刻 射 线 光 刻 原 子 光 刻 干 涉 光 刻 极 紫 外 光 刻 光 刻 光 刻 ΝΑΝΟΛΙΤΗΟΓΡ ΑΠΗΨ ΤΕΧΗΝΟΛΟΓΨ 2 2 2 2 ƒ 2 (Στατε εψ Λαβ οφ Οπτιχαλ Τεχηνολογιεσ φορ Μιχροφαβριχατιον ; Ι νστιτυτε οφ Οπτιχσ Ελεχτρονιχσ, Χηινεσε Αχαδε μ ψ οφ Σχιενχεσ, Χηενγδυ ) Αβστραχτ 2 2 2 2 2 ƒ 2 2 2 2 ƒ εψ ωορδσ 2 2 2 引 言 纳 米 技 术 是 一 门 在 1 ) 尺 度 空 间 内 研 究 电 子! 原 子! 分 子 运 动 规 律 和 特 性 的 崭 新 高 技 术 学 科 它 的 最 终 目 标 是 人 类 按 照 自 己 的 意 志 直 接 操 纵 单 个 原 子 制 造 具 有 特 定 功 能 的 产 品 其 中 纳 米 制 造 学 是 纳 米 技 术 的 关 键 基 础 它 贯 穿 整 个 纳 米 科 学 随 着 信 息 高 速 公 路 和 全 球 通 信 技 术 的 高 度 发 展 超 高 频 纳 米 器 件 的 出 现 微 细 加 工 技 术 已 经 可 以 制 作 小 于 线 宽 的 图 3 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 收 到 初 稿, 修 回 物 理
形 并 朝 着 制 作 出 几 十 个 纳 米 乃 至 几 个 纳 米 特 征 图 形 的 方 向 发 展 美 国! 日 本! 德 国 等 发 达 国 家 对 纳 米 加 工 技 术 十 分 重 视 纷 纷 投 入 了 大 量 的 人 力 物 力 进 行 研 究 开 发 目 前 制 作 纳 米 图 形 有 两 个 途 径 一 是 采 用 现 代 化 学 技 术 主 要 有 原 子 层 外 延! 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积! 有 机 金 属 化 学 气 相 淀 积! 分 子 束 外 延 等 另 一 是 采 用 光 刻 手 段 在 物 体 上 制 作 出 纳 米 量 级 图 形 但 这 需 要 大 幅 度 提 高 现 有 光 刻 技 术 的 分 辨 力 通 常 采 用 的 方 法 有 离 子 束! 电 子 束! 极 紫 外! 射 线! 深 紫 外 加 波 前 工 程! 干 涉 光 刻! 扫 描 探 针 显 微 技 术! 用 原 子 力 显 微 镜 修 改 结 构! 原 子 光 刻 本 文 介 绍 几 种 主 要 的 纳 米 光 刻 技 术 的 实 现 方 式 和 现 状 纳 米 光 刻 技 术 方 法 及 现 状 211 深 紫 外 加 波 前 工 程 1 在 曝 光 波 长 下 要 实 现 以 下 线 宽 图 形 必 须 结 合 波 前 工 程 技 术 现 有 的 波 前 工 程 技 术 主 要 有 以 下 几 种 1 1 改 变 照 明 条 件 通 常 采 用 离 轴 照 明 主 要 方 法 有 四 极 照 明! 环 形 照 明! 新 型 照 明! 相 位 光 栅 照 明 以 及 偏 振 光 照 明 等 主 要 原 理 是 通 过 改 变 照 明 函 数 调 制 成 像 系 统 的 传 递 函 数 提 高 图 形 的 对 比 度 和 焦 深 在 离 轴 照 明 条 件 下 光 经 过 掩 模 衍 射 后 通 过 投 影 物 镜 成 像 时 掩 模 图 形 的 级 衍 射 光 与 级 光 参 与 成 像 弥 补 系 统 通 低 频 阻 高 频 的 不 足 从 而 改 变 传 递 函 数 1 1 对 成 像 掩 模 进 行 调 制 常 用 的 办 法 是 利 用 相 位 调 制 的 相 移 掩 模 或 利 用 振 幅 相 位 同 时 调 制 的 衰 减 相 移 掩 模 其 基 本 原 理 是 在 高 度 集 成 的 光 掩 模 中 所 有 相 邻 的 透 明 区 域 上 相 间 隔 地 增 加 或 减 少 一 层 透 明 介 质 使 透 过 这 些 相 移 层 的 光 与 相 邻 透 明 区 透 过 的 光 产 生 相 位 差 利 用 光 的 相 干 性 抵 消 部 分 的 衍 射 扩 展 效 应 改 变 空 间 光 强 分 布 使 更 多 的 能 量 从 低 频 分 配 到 高 频 上 弥 补 投 影 物 镜 的 通 低 频 阻 高 频 的 缺 点 增 大 空 间 图 像 的 反 差 改 善 像 质 使 分 辨 力 和 焦 深 增 大 相 移 掩 模 种 类 较 多 如 弱 衰 减 型! 周 边 相 移 型! 周 期 交 替 型! 多 位 相 值 台 阶 型! 带 辅 助 图 形 型 等 等 无 论 哪 种 类 型 相 移 层 的 厚 度 均 可 表 示 成 δ (ν ), 其 中 为 曝 光 波 长,ν 为 相 移 层 折 射 率 1 1 改 变 系 统 传 递 频 谱 其 主 要 原 理 是 直 接 调 制 系 统 的 传 递 函 数 通 过 卷 年 期 设 置 相 移 滤 波 器 或 振 幅 滤 波 器 来 降 低 物 体 的 低 频 成 分 弥 补 由 于 成 像 镜 头 数 值 孔 径 有 限 而 损 失 的 高 频 成 分 从 而 提 高 分 辨 力 和 焦 深 与 离 轴 照 明 技 术 的 区 别 是 它 对 系 统 传 输 的 最 高 空 间 频 率 不 能 提 高 只 能 通 过 使 较 低 频 率 信 号 的 能 量 衰 减 来 增 大 图 像 反 差 达 到 提 高 分 辨 力 增 大 焦 深 的 目 的 光 瞳 滤 波 也 有 一 些 局 限 性 有 待 于 进 一 步 克 服 对 不 同 的 掩 模 图 形 仅 有 一 种 最 优 的 滤 波 器 相 匹 配 这 要 求 滤 波 器 在 光 瞳 面 上 易 于 取 放 这 给 投 影 物 镜 的 设 计 增 添 了 新 的 难 度 在 目 前 的 投 影 物 镜 中 难 以 达 到 这 大 大 限 制 了 它 的 实 用 性 光 在 滤 波 器 上 的 吸 收 和 反 射 引 起 的 热 量 问 题 有 待 解 决 滤 波 器 的 材 料 和 相 移 器 的 制 造 还 需 作 大 量 研 究 1 1 对 像 进 行 多 次 处 理 该 技 术 也 称 为 多 焦 面 曝 光 技 术 其 内 容 包 括 先 在 某 个 特 殊 的 焦 面 上 对 硅 片 进 行 部 分 曝 光 然 后 不 改 变 硅 片 水 平 位 置 仅 沿 轴 向 移 动 硅 片 到 另 外 的 焦 面 上 对 剩 余 部 分 曝 光 空 间 像 的 最 终 结 果 是 理 想 焦 面 上 及 理 想 焦 面 外 光 强 的 平 均 此 技 术 对 结 点 2 效 果 很 好 焦 面 间 距 离 在 1 ) 1 倍 (ΝΑ) 之 间 时 焦 深 最 大 在 离 轴 照 明 技 术 中 对 结 点 图 形 的 分 辨 力 和 焦 深 无 改 进 作 用 在 原 有 掩 模 不 变 的 情 况 下 采 用 多 焦 面 曝 光 改 进 结 点 图 形 的 分 辨 力 和 焦 深 是 较 为 可 行 的 办 法 多 焦 面 曝 光 方 法 也 存 在 一 些 缺 点 过 程 复 杂 生 产 率 低 仅 对 结 点 图 形 有 利 对 线 空 图 形 效 果 差 1 1 邻 近 效 应 矫 正 物 体 预 补 偿! 硅 片 预 处 理 在 掩 模 上 预 先 补 偿 以 便 校 正 硅 片 上 图 形 的 畸 变 现 有 方 法 较 多 由 于 掩 模 制 作 的 难 度 较 大 成 本 较 高 1 1 系 统 像 差 对 分 辨 力 影 响 成 像 系 统 的 振 幅 脉 冲 响 应 函 数 η 是 反 映 系 统 成 像 特 征 的 量 通 过 改 变 η 可 以 影 响 离 焦! 球 差! 彗 差! 像 散! 场 曲 和 畸 变 等 从 而 改 变 系 统 频 率 传 递 函 数 可 提 高 系 统 光 刻 图 形 的 质 量 为 此 国 外 一 些 研 究 人 员 开 始 结 合 分 辨 力 增 强 技 术 研 究 像 差 对 分 辨 力 的 影 响 1 1 综 合 成 像 前 面 提 出 的 分 辨 力 增 强 技 术 在 一 定 程 度 上 都 起 作 用 但 若 将 上 述 技 术 结 合 起 来 可 使 分 辨 力 进 一 步 提 高 目 前 出 现 了 将 离 轴 照 明! 相 移 掩 模! 光 瞳 滤 波 以 及 多 焦 面 曝 光 技 术 结 合 起 来 的 研 究 热 潮 由 于 现 有 光 学 曝 光 技 术 具 有 成 熟 的 工 艺 技 术 巨
大 的 产 业 支 持 用 分 辨 力 增 强 的 波 前 工 程 技 术 结 合! 光 刻 技 术 很 有 希 望 实 现 低 于 线 宽 图 形 的 制 作 [2] 212 157νμ 光 刻 作 为 光 刻 的 下 一 代 技 术 曝 光 可 将 传 统 光 刻 技 术 延 伸 到 以 下 甚 至 可 以 制 作 低 于 的 尺 寸 目 前 在 德 国 公 司 美 国 的 劳 伦 斯 # 利 弗 莫 尔 国 家 实 验 室! 公 司 日 本 的 尼 康 公 司 荷 兰 的 公 司 都 在 积 极 开 展 这 方 面 的 研 究 随 着 的 激 光 器 的 商 用 化 和 对 波 长 吸 收 小 的 ƒ 的 获 得 该 技 术 被 提 上 研 究 日 程 波 长 为 的 激 光 器 功 率 可 与 波 长 为! 的 激 光 器 功 率 相 比 拟 其 自 然 宽 度 仅 为 ) 小 于 激 光 器 的 自 然 宽 度 为 光 刻 提 供 了 可 靠 的 光 源 此 外 ƒ 对 的 吸 收 系 数 仅 为 1 这 些 成 果 为 光 刻 提 供 了 必 要 的 技 术 条 件 目 前 对 低 损 失 薄 膜 还 需 作 大 量 研 究 最 近 研 究 表 明 最 佳 反 射 膜 的 反 射 系 数 达 ) 掩 模 的 制 作 方 案 采 用 ƒ 或 ƒ 其 温 度! 应 力 参 数 还 须 作 具 体 研 究 光 刻 掩 模 的 修 补 和 制 作 技 术 还 有 一 些 难 点 需 要 克 服 抗 蚀 剂 的 研 究 是 很 重 要 的 一 个 方 面 表 面 成 像 抗 蚀 剂 可 用 于 光 刻 化 学 放 大 抗 蚀 剂 也 有 可 能 用 于 光 刻 目 前 还 没 寻 求 到 波 长 传 输 充 分 的 高 折 射 率 材 料 尽 管 如 此 光 刻 是 一 种 实 现 以 下 线 宽 图 形 的 可 能 方 案 之 一 目 前 公 司 已 具 备 获 得 质 量 和 数 量 都 能 满 足 需 要 的 ƒ 分 束 器 的 能 力 正 在 鉴 定 德 国 镜 片 商 公 司 成 为 其 首 家 技 术 中 所 使 用 的 ƒ 材 料 的 来 源 预 计 在 年 第 季 度 光 刻 技 术 将 以 微 扫 描 机 首 次 出 现 213 126νμ 光 刻 年 月 在 美 国 加 利 福 尼 亚 州 蒙 特 雷 召 开 的 光 掩 模 技 术 会 议 上 专 门 讨 论 了 光 学 光 刻 的 前 景 将 光 刻 作 为 光 刻 技 术 的 下 一 代 产 品 目 前 德 国 公 司! 美 国 的 劳 伦 斯 # 利 弗 莫 尔 国 家 实 验 室 正 在 秘 密 开 展 这 方 面 的 研 究 [3] 214 极 紫 外 光 刻 极 紫 外 光 刻 技 术 是 有 望 突 破 以 下 特 征 尺 寸 的 种 新 光 刻 技 术 之 一 用 波 长 范 围 为 ) 的 光 经 过 周 期 性 多 层 膜 反 射 镜 照 射 到 反 射 掩 模 上 反 射 出 的 光 再 经 过 投 影 系 统 将 掩 模 图 形 形 成 在 硅 片 的 光 刻 胶 上 该 技 术 利 用 短 波 长 曝 光 可 以 在 很 小 的 数 值 孔 径 下 获 得 线 宽 小 于 的 图 形 焦 深 足 够 长 满 足 实 际 生 产 的 需 要 自 年 公 司 报 道 软 射 线 缩 小 投 影 曝 光 方 法 以 来 国 际 光 刻 技 术 学 术 界 在 如 何 实 现 更 高 分 辨 力 方 面 一 直 存 在 两 种 观 点 一 种 认 为 应 继 续 挖 掘 光 学 投 影 光 刻 的 潜 力 另 一 种 则 认 为 应 研 究 新 型 的 软 射 线 缩 小 投 影 曝 光 方 法 尽 管 光 学 投 影 光 刻 因 有 良 好 的 继 承 性 而 使 前 一 种 观 点 一 度 占 据 上 风 但 因 软 射 线 波 长 短 实 现 相 同 的 分 辨 力 可 采 用 小 得 多 的 数 值 孔 径 焦 深 容 限 大 为 改 善 因 而 同 样 受 到 了 高 度 重 视 虽 然 目 前 软 射 线 投 影 式 光 刻 离 实 用 还 有 一 段 距 离 但 最 终 取 代 光 学 投 影 式 光 刻 的 统 治 地 位 是 不 可 避 免 的 美 国 劳 伦 斯 # 利 弗 莫 尔 国 家 实 验 室 在 推 荐 增 强 美 国 竞 争 力! 保 持 美 国 集 成 电 路 技 术 领 先 地 位 而 制 定 的 / 跳 步 战 略 0 中 把 软 射 线 光 刻 列 为 重 要 发 展 项 目 其 目 的 是 在 研 究 和 生 产 上 跳 过 软 射 线 接 近 式 光 刻 直 接 跨 入 软 射 线 投 影 式 光 刻 计 划 在 年 内 投 资 亿 美 元 使 软 射 线 投 影 式 光 刻 技 术 商 品 化 这 标 志 着 软 射 线 投 影 式 光 刻 将 成 为 新 一 代 光 刻 设 备 主 流 该 项 研 究 于 年 得 到 美 国 能 源 部 支 持 参 加 研 究 工 作 的 有 个 国 家 实 验 室 和 家 公 司!!!! 等 到 年 美 国 能 源 部 停 止 资 助 改 由 公 司 联 合 资 助 并 将 软 射 线 改 为 极 紫 外 光 刻 其 目 标 是 研 究 开 发 光 刻 所 必 需 的 关 键 技 术 获 得 以 下 的 特 征 图 形 公 司! 公 司! 公 司! 俄 罗 斯 列 别 捷 夫 物 理 研 究 所 等 也 在 光 刻 领 域 做 了 很 多 卓 有 成 效 的 工 作 在 多 层 膜 的 理 论 和 制 造 上 获 得 了 较 大 的 进 展 多 层 膜 反 射 率 可 达 1 在 光 源! 抗 蚀 剂 等 方 面 也 获 得 了 突 破 得 到 了 高 能 等 离 子 体 光 源 和 顶 层 表 面 成 像 抗 蚀 剂 他 们 用 投 影 式 的 方 法 大 都 曝 出 了 1 Λ 的 线 条 达 到 ) 的 套 刻 精 度 部 分 还 开 展 了 1 Λ 以 下 分 辨 力 的 研 究 如 贝 尔 研 究 所 已 成 功 研 制 成 1 Λ 图 形 在 的 压 缩 力 作 用 下 在 1 的 波 长 处 反 射 率 可 达 1 1 在 的 张 力 下 在 1 的 波 长 处 反 射 率 可 达 1 1 改 变 的 比 例 可 减 小 应 力 但 是 反 射 率 下 降 变 化 基 底 应 力 可 减 小 的 应 力 反 射 率 仅 下 降 采 用 后 沉 积 退 火 法 可 减 小 的 应 力 反 射 率 仅 下 降 1 但 在 沉 积 过 程 中 加 热 没 有 实 际 优 点 缓 冲 层 物 理
法 采 用 非 温 度 缓 冲 层 技 术 来 补 偿 应 力 效 应 用 多 晶 硅 和 作 缓 冲 层 可 基 本 消 除 薄 膜 应 力 而 反 射 率 仅 损 失 从 目 前 情 况 来 看 极 紫 外 光 刻 极 有 可 能 在 最 近 两 年 达 到 实 用 投 入 生 产 4 215 电 子 束 光 刻 以 电 子 束 作 为 集 成 电 路 光 刻 手 段 的 研 究 几 乎 是 与 光 学 曝 光 同 时 开 始 的 光 学 曝 光 的 分 辨 力 和 焦 深 主 要 受 到 光 源 波 长 和 透 镜 数 值 孔 径 的 限 制 而 电 子 束 的 辐 射 波 长 则 可 以 通 过 增 大 能 量 来 大 大 缩 短 因 此 电 子 束 曝 光 的 分 辨 力 远 远 超 过 光 学 光 刻 分 辨 力 光 学 光 刻 目 前 所 达 到 的 分 辨 力 用 电 子 束 在 多 年 以 前 就 已 经 达 到 了 电 子 束 曝 光 利 用 电 磁 场 将 电 子 束 聚 焦 成 微 细 束 辐 照 在 电 子 抗 蚀 剂 上 由 于 电 子 束 可 方 便 地 由 电 磁 场 偏 转 扫 描 复 杂 的 电 路 可 直 接 写 在 硅 片 上 而 无 需 使 用 掩 模 版 由 电 子 束 曝 光 制 作 的 最 小 器 件 尺 寸 可 达 ) 英 国 剑 桥 大 学 微 电 子 中 心 利 用 电 子 束 曝 光 机 制 作 出 ) 的 单 电 子 器 件 由 于 电 子 束 采 用 把 电 路 图 形 一 个 像 素 一 个 像 素 地 扫 描 曝 光 到 硅 片 上 速 度 极 慢 无 法 适 应 大 工 业 批 量 生 产 的 需 要 尽 管 如 此 电 子 束 曝 光 却 是 制 作 光 学 掩 模 版 的 主 要 工 具 电 子 束 曝 光 机 主 要 有 三 种 高 斯 电 子 束! 矩 形 电 子 束! 变 形 电 子 束 电 子 束 曝 光 的 焦 点 在 于 如 何 提 高 曝 光 速 度 方 法 之 一 是 采 用 新 型 六 硼 化 镧 阴 极 和 热 场 致 发 射 阴 极 以 提 高 阴 极 发 射 电 流 密 度 可 以 在 同 样 曝 光 剂 量 下 减 少 曝 光 时 间 另 外 一 个 方 法 是 研 制 新 型 电 子 抗 蚀 剂 其 中 最 引 人 注 目 的 是 年 以 来 出 现 的 化 学 放 大 电 子 抗 蚀 剂 初 期 的 电 子 抗 蚀 剂 的 灵 敏 度 为 ) Λ 而 目 前 的 化 学 放 大 电 子 抗 蚀 剂 的 灵 敏 度 为 ) Λ 当 然 这 类 新 型 电 子 抗 蚀 剂 还 存 在 热 稳 定 性 差 以 及 存 放 期 效 应 等 问 题 还 须 进 一 步 研 究 目 前 化 学 放 大 电 子 抗 蚀 剂 还 无 法 普 遍 应 用 于 电 子 束 曝 光 工 艺 中 电 子 束 曝 光 技 术 发 展 的 一 个 新 方 向 是 采 用 扫 描 隧 道 显 微 镜 作 为 曝 光 手 段 可 实 现 原 子 级 分 辨 力 当 然 这 方 面 的 研 究 还 处 于 初 步 阶 段 真 正 实 现 能 适 用 于 纳 米 加 工 的 电 子 束 曝 光 技 术 还 需 作 大 量 的 研 究 工 作 由 于 电 子 质 量 极 轻 在 感 光 胶 中 的 散 射 范 围 很 大 这 些 散 射 电 子 会 影 响 邻 近 电 路 图 形 的 曝 光 质 量 因 而 邻 近 效 应 很 难 控 制 邻 近 效 应 直 接 与 电 路 图 形 的 形 状 及 密 度 有 关 如 何 克 服 邻 近 效 应 一 直 是 电 子 束 曝 光 技 术 中 的 一 个 重 要 研 究 课 题 为 了 提 高 生 产 率 和 减 小 邻 近 效 应 目 前 正 在 广 泛 研 究 限 定 角 度 投 卷 年 期 影 电 子 束 光 刻 技 术 [5] 216 Ξ 射 线 光 刻 光 学 曝 光 所 能 达 到 的 极 限 分 辨 力 与 工 作 波 长 成 正 比 与 透 镜 的 数 值 孔 径 成 反 比 目 前 曝 光 波 长 的 进 一 步 缩 短 和 数 值 孔 径 的 增 大 都 受 材 料! 光 刻 工 艺 等 因 素 的 限 制 因 而 必 须 寻 求 新 的 技 术 方 案 由 于 射 线 的 波 长 很 短 能 满 足 超 大 规 模 集 成 电 路 发 展 的 需 要 近 年 来 得 到 了 广 泛 的 重 视 射 线 可 用 高 能 电 子 束 轰 击 不 同 的 金 属 靶 材 料 产 生 也 可 用 激 光 等 离 子 体 方 法 获 得 即 用 超 短 脉 冲 激 光 辐 照 铜 或 铁 表 面 使 铜 或 铁 原 子 变 成 等 离 子 体 当 等 离 子 体 态 还 原 为 基 态 时 会 产 生 射 线 但 最 有 效 的 射 线 源 是 高 能 同 步 辐 射 加 速 器 所 产 生 的 同 步 辐 射 用 于 超 大 规 模 集 成 电 路 光 刻 的 射 线 波 长 通 常 在 ) 之 间 其 中 ) 波 段 称 为 极 紫 外 上 面 已 有 详 细 论 述 目 前 通 常 采 用 以 下 的 曝 光 波 长 射 线 曝 光 过 程 与 光 学 曝 光 过 程 类 似 都 是 将 掩 模 版 上 的 图 形 转 移 到 硅 表 面 的 光 刻 胶 上 由 于 到 目 前 为 止 还 无 法 对 射 线 聚 焦 采 用 的 曝 光 系 统 基 本 都 是 近 贴 式 和 Β 投 影 式 射 线 曝 光 所 用 的 掩 模 版 与 光 学 掩 模 版 不 一 样 射 线 掩 模 版 是 由 氮 化 硅 或 碳 化 硅 等 轻 元 素 材 料 做 成 ) Λ 厚 的 薄 膜 底 版 然 后 在 上 面 根 据 电 路 图 形 要 求 沉 积 1 ) 1 Λ 厚 的 重 金 属 层 通 常 为 金 或 钨 作 为 吸 收 层 感 光 胶 上 的 曝 光 区 与 非 曝 光 区 是 由 掩 模 版 上 两 种 材 料 对 射 线 的 不 同 吸 收 系 数 来 决 定 的 由 于 射 线 目 前 是 Β 式 即 要 制 作 的 线 条 掩 模 上 的 图 形 尺 寸 也 必 须 是 而 且 掩 模 版 本 身 仅 为 几 个 微 米 厚 的 薄 膜 这 使 掩 模 的 制 作 具 有 相 当 大 的 难 度 同 时 还 有 掩 模 版 使 用 过 程 中 的 受 热 变 形 问 题 这 些 是 射 线 光 刻 技 术 必 须 解 决 的 难 关 6 217 离 子 束 光 刻 用 离 子 束 进 行 抗 蚀 剂 的 曝 光 始 于 年 代 液 态 金 属 离 子 源 的 出 现 最 简 单 的 液 态 金 属 离 子 源 是 一 根 金 属 钨 或 钼 针 在 针 尖 顶 端 附 有 镓 或 金 硅 合 金 通 过 加 热 使 其 熔 化 然 后 通 过 加 外 场 使 液 态 金 属 表 面 产 生 场 致 离 子 发 射 由 于 离 子 是 从 一 个 在 外 电 场 作 用 下 形 成 的 极 小 的 液 体 尖 端 发 射 的 其 发 射 面 积 仅 有 几 个 纳 米 因 而 可 以 较 容 易 地 利 用 离 子 光 学 系 统 将 发 射 的 离 子 聚 焦 成 微 细 离 子 束 进 行 高 分 辨 率 离 子 束 曝 光 离 子 束 曝 光 技 术 具 有 一 些 电 子 束 无 法 比 拟 的 优 点 与 电 子 相 比 最 轻 的 离 子 也 要 比 电 子 重 近
倍 因 此 离 子 在 感 光 胶 中 散 射 范 围 极 小 邻 近 效 应 几 乎 为 零 此 外 由 于 离 子 质 量 重 在 同 样 的 能 量 下 感 光 胶 对 离 子 的 灵 敏 度 要 比 对 电 子 高 数 百 倍 这 些 优 点 使 离 子 束 更 适 合 于 作 为 光 刻 工 具 但 聚 焦 离 子 束 方 法 也 存 在 一 些 局 限 性 首 先 液 态 金 属 离 子 源 发 射 的 离 子 具 有 较 大 的 能 量 分 散 而 聚 焦 离 子 束 系 统 所 采 用 的 静 电 透 镜 有 较 大 的 色 差 系 数 由 于 色 差 的 影 响 无 法 将 离 子 束 聚 焦 成 电 子 束 一 样 细 因 而 其 分 辨 率 比 电 子 束 曝 光 低 其 次 由 于 离 子 质 量 重 在 感 光 胶 中 的 曝 光 深 度 有 限 例 如 能 量 为 的 镓 离 子 在 感 光 胶 中 的 曝 光 深 度 小 于 1 Λ 从 金 硅 合 金 离 子 源 发 射 的 能 量 为 的 硅 离 子 其 曝 光 深 度 也 不 过 为 1 Λ 相 比 之 下 能 量 的 电 子 束 可 曝 光 Λ 以 上 的 感 光 胶 有 限 的 曝 光 深 度 大 大 限 制 了 离 子 束 曝 光 的 应 用 范 围 离 子 束 曝 光 在 集 成 电 路 工 业 中 主 要 用 于 光 学 掩 模 的 修 补 和 集 成 电 路 芯 片 的 修 复 在 光 学 掩 模 版 的 制 造 过 程 中 难 免 会 产 生 一 些 缺 陷 如 多 余 的 烙 斑 或 离 子 束 产 生 的 邻 近 效 应 微 不 足 道 产 生 的 热 量 可 以 忽 略 离 子 在 抗 蚀 剂 材 料 里 减 弱 了 散 射 现 象 对 曝 光 抗 蚀 剂 来 说 离 子 仅 需 要 电 子 剂 量 的 ) 离 子 一 般 停 留 在 抗 蚀 剂 里 面 对 敏 感 的 衬 底 结 构 损 伤 小 离 子 束 光 刻 的 主 要 缺 点 有 离 子 束 需 要 在 真 空 下 工 作 硅 片 和 掩 模 操 作 不 方 便 离 子 束 是 带 电 粒 子 由 于 空 间 电 荷 使 图 形 的 清 晰 程 度 和 图 形 位 置 精 度 受 限 离 子 束 可 使 下 层 基 底 受 损 上 述 这 些 缺 点 与 其 优 点 相 比 可 以 忽 略 离 子 束 光 刻 面 临 的 技 术 挑 战 是 硅 薄 膜 掩 模 技 术 需 要 进 一 步 发 展 为 了 满 足 生 产 需 要 离 子 源 寿 命 需 延 长 套 刻 技 术 还 须 进 一 步 研 究 产 量 和 成 本 要 求 还 需 作 出 指 标 要 求 7 218 干 涉 光 刻 干 涉 光 刻 技 术 是 利 用 干 涉 效 应 以 接 近 最 终 极 限 的 分 辨 率 曝 光 周 期 性 图 形 的 技 术 当 光 束 的 个 相 干 平 面 波 以 倍 的 Η 角 相 交 时 便 会 形 成 一 种 间 距 不 必 要 的 透 光 斑 利 用 聚 焦 离 子 束 溅 射 能 力 可 将 多 Π 的 明 暗 相 间 的 干 涉 条 纹 单 个 的 明 暗 条 纹 余 的 烙 斑 去 掉 在 离 子 束 扫 描 过 程 中 同 时 通 入 某 种 Η 化 学 气 体 则 可 把 碳 或 钨 沉 积 到 透 光 斑 缺 陷 上 用 离 尺 寸 约 为 Η 由 于 几 何 上 平 面 波 夹 角 Η 可 能 为 子 束 还 可 切 断 芯 片 上 的 某 一 组 连 线 或 接 通 某 一 组 连 β 因 此 用 光 学 方 法 曝 光 可 以 产 生 的 密 集 图 形 的 最 线 从 而 可 在 芯 片 上 纠 正 设 计 错 误 提 高 芯 片 利 用 率 目 前 美 国! 日 本 等 国 家 已 有 投 影 式 离 子 束 光 刻 机 现 在 正 在 研 究 利 用 离 子 束 投 影 制 作 小 于 的 图 形 离 子 束 投 影 光 刻 采 用 泛 光 照 明 模 板 和 光 学 静 电 投 影 将 掩 模 图 形 微 缩 并 聚 焦 在 涂 有 抗 蚀 剂 的 片 子 上 欧 洲 应 用 微 电 子 开 发 项 目 支 持 的 奥 地 利 离 子 微 制 造 系 统 有 限 公 司 和 美 国 先 进 光 刻 集 团 公 司 是 从 事 离 子 束 投 影 光 刻 研 究 的 主 要 公 司 离 子 束 投 影 光 刻 的 主 要 优 点 有 可 采 用 分 布 重 复 投 影 结 构 可 利 用 光 学 抗 蚀 剂 线! 线! 或 的 抗 蚀 剂 进 行 立 体 曝 光 对 抗 蚀 剂 厚 度 或 基 底 材 料 不 敏 感 可 与 光 学 光 刻 混 合 使 用 焦 深 大 使 用 极 小 的 ΝΑ 就 足 以 使 离 子 光 学 镜 头 实 现 的 整 片 芯 片 曝 光 衍 射 效 应 可 忽 略 在 离 子 束 投 影 中 静 电 镜 头 能 够 对 改 变 线 形 焦 点 特 性 进 行 电 子 学 方 面 的 调 整 并 能 结 合 延 时 反 馈 控 制 环 或 图 形 锁 定 装 置 进 行 调 整 克 服 电 子 漂 移 和 其 他 束 流 的 紊 乱 稳 定 复 印 图 形 可 通 过 调 节 电 场 控 制 放 大 倍 率 和 焦 面 离 子 的 积 存 能 量 具 有 有 效 性 和 局 部 性 因 此 小 极 限 尺 寸 为. 对 ΧΔ 图 形 的 产 生 基 本 上 无 限 制 所 限 制 的 仅 仅 是 明 暗 条 纹 的 间 距 Π. 用 线 光 束 对 独 立 线 条 曝 光 已 经 证 实 可 得 到 的 图 形 采 用 光 源 曝 光 时 ΧΔ 尺 寸 为 以 下 其 分 辨 率 的 限 制 并 非 来 自 光 学 系 统 而 是 来 自 抗 蚀 剂 的 机 械 特 性 干 涉 光 刻 技 术 可 生 产 出 大 面 积 极 小 特 征 尺 寸 的 能 力 它 放 宽 了 传 统 光 刻 中 的 许 多 约 束 但 增 加 了 多 次 曝 光 的 复 杂 性 目 前 提 出 的 影 像 干 涉 光 刻 技 术 是 用 一 种 光 学 装 置 所 收 集 的 大 量 空 间 频 率 信 息 来 代 替 干 涉 光 刻 技 术 中 的 单 独 平 面 波 通 过 离 轴 照 明 技 术 将 掩 模 产 生 的 空 间 高 频 信 号 转 换 成 物 镜 可 以 接 收 的 空 间 低 频 信 号 然 后 再 由 镜 头 后 面 的 干 涉 光 学 系 统 将 这 些 低 频 空 间 信 息 在 硅 片 平 面 转 换 回 原 始 频 率 有 些 曝 光 图 形 需 要 足 够 范 围 的 空 间 频 率 来 实 现 正 确 的 图 形 目 前 新 墨 西 哥 大 学 和 国 家 实 验 室 正 在 开 展 这 方 面 的 研 究 工 作 219 原 子 光 刻 原 子 既 不 带 电 也 不 能 穿 透 物 质 必 须 寻 求 新 的 操 纵 原 理 和 方 法 原 子 比 电 子! 中 子 重 总 角 动 量 和 磁 矩 比 电 子! 中 子 的 大 原 子 可 以 是 玻 色 子 也 可 是 费 物 理
米 子 可 以 通 过 激 光! 静 电 场 或 磁 场 改 变 原 子 的 内 部 结 构 还 可 利 用 微 细 掩 模! 菲 涅 耳 波 片 等 物 体 改 变 原 子 的 运 动 轨 迹 用 激 光 照 射 原 子 使 原 子 吸 收 或 激 发 光 子 从 而 改 变 原 子 的 运 动 在 梯 度 光 场 作 用 下 形 成 具 有 稳 定 平 衡 点 的 光 场 分 布 原 子 在 偏 离 平 衡 点 的 任 一 位 置 上 均 受 到 一 个 回 复 力 在 陷 阱 中 受 量 子 特 性 的 影 响 捕 获 力 具 有 不 稳 定 性 导 致 速 度 变 化 形 成 热 源 使 原 子 加 热 导 致 原 子 在 陷 阱 中 停 留 时 间 有 限 主 要 的 技 术 途 径 有 以 下 三 种 基 于 微 细 掩 模 的 原 子 光 刻 其 线 宽 可 达 Δ 基 于 捕 获 原 理 磁 场! 激 光 的 最 小 线 宽 为 φ Β 基 于 湮 灭 原 理 的 极 限 分 辨 力 ν 影 响 纳 米 图 形 质 量 的 主 要 因 素 有 原 子 束 的 发 散 角 纵 向 速 度 引 起 类 似 于 色 差 的 扩 散 横 向 速 度 引 起 类 似 于 球 差 的 扩 散 由 于 德 布 罗 意 波 长 引 起 的 衍 射 也 将 使 原 子 扩 散 原 子 与 梯 度 场 的 作 用 时 间 基 底 与 驻 波 场 之 间 的 距 离 激 光 强 度 大 小 高 强 度 中 调 谐 Δ, 当 Δ 时, 原 子 速 度 变 慢, Δ 时, 原 子 速 度 变 快 ; 低 强 度 中, 调 谐 Δ, 当 Δ 时, 原 子 速 度 变 快, Δ 时, 原 子 速 度 变 慢 ; 中 等 强 度 中, 调 谐 对 速 度 的 影 响 复 杂, 取 决 于 激 光 调 谐! 激 光 强 度 和 原 子 速 度 激 光 束 剖 面 形 状 激 光 的 调 谐 频 率 激 光 梯 度 场 的 空 间 分 布 为 了 得 到 理 想 的 光 刻 图 形 必 须 对 上 述 影 响 图 形 质 量 的 主 要 因 素 进 行 仔 细 调 节 当 然 还 有 一 些 技 术 也 可 实 现 低 于 尺 寸 的 图 形 如 用 原 子 力 显 微 镜 修 改 结 构 形 成 单 原 子 构 成 的 纳 米 图 形 利 用 扫 描 探 针 显 微 技 术 可 实 现 几 个 纳 米 的 图 形 等 等 但 总 的 来 说 所 有 这 些 技 术 还 需 要 做 大 量 的 工 作 才 能 完 善 我 国 纳 米 光 刻 技 术 研 究 现 状 在 年 度 自 然 科 学 基 金 指 南 中 将 极 紫 外 光 刻 的 研 究 列 为 重 点 项 目 中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 研 究 所 在 极 紫 外 关 键 单 元 技 术 的 反 射 膜 技 术 等 方 面 做 了 大 量 工 作 中 国 科 学 院 光 电 技 术 研 究 所 微 细 加 工 国 家 重 点 实 验 室 设 计 成 功 极 紫 外 成 像 光 学 系 统 细 微 加 工 国 家 重 点 实 验 室 纳 米 技 术 小 组 还 瞄 准 纳 米 光 刻 技 术 的 前 沿 结 合 我 国 实 际 初 步 开 展 了 原 卷 年 期 子 光 刻! 波 前 工 程 技 术 结 合 光 刻! 干 涉 光 刻 技 术 等 研 究 在 实 验 室 实 现 低 于 的 图 形 目 前 正 准 备 开 展 以 下 研 究 工 作 进 一 步 改 进 原 子 光 刻 参 数 控 制 纳 米 图 形 的 面 形 制 作 特 殊 光 学 元 件 移 动 基 底 制 作 维 任 意 图 形 结 合 刻 蚀 技 术 制 作 纳 米 器 件 和 具 有 各 种 磁! 光! 电 特 性 的 纳 米 材 料 利 用 不 同 的 原 子 交 替 沉 积 并 行 制 作 新 材 料 结 合 全 息 技 术 制 作 纳 米 图 形 结 合 菲 涅 耳 波 片 制 作 纳 米 图 形 结 合 磁 场 制 作 纳 米 图 形 国 内 还 有 其 他 一 些 单 位 也 在 开 展 这 方 面 的 工 作 但 总 的 投 入 经 费 较 少 力 度 还 远 远 不 够 为 了 抢 占 世 纪 信 息 科 学 的 制 高 点 有 关 方 面 还 须 引 起 重 视 加 大 投 入 组 织 精 干 力 量 进 行 科 技 攻 关 纳 米 图 形 加 工 技 术 的 应 用 前 景 前 面 介 绍 的 各 种 技 术 都 有 希 望 实 现 低 于 的 线 宽 图 形 最 终 哪 一 种 技 术 将 得 到 广 泛 应 用 除 了 技 术 方 面 的 因 素 外 经 济 也 是 一 个 决 定 性 的 因 素 纳 米 光 刻 技 术 的 应 用 较 广 泛 其 中 包 括 纳 米 器 件 微 电 子 器 件! 量 子 器 件 纳 米 材 料 低 维 量 子 点! 量 子 线 材 料! 光 子 带 宽 材 料 纳 米 长 度 测 量 标 准 可 置 于 显 微 镜 中 光 学 光 栅 制 作 新 型 传 感 器 纳 米 电 子 技 术 以 及 纳 米 机 器 人 等 在 纳 米 光 刻 技 术 完 善 后 可 以 制 作 纳 米 级 硬 件 今 后 可 广 泛 应 用 于 信 息 科 学 和 生 命 科 学 中 纳 米 光 刻 技 术 不 仅 为 进 入 纳 米 量 级 图 形 加 工 提 供 新 方 法 而 且 为 下 一 步 实 用 技 术 研 究 开 发 物 质 到 达 纳 米 量 级 领 域 的 量 子 效 应 等 材 料 物 理 性 能 研 究 以 及 相 关 技 术 领 域 研 究 提 供 技 术 基 础 开 辟 了 从 宏 观 到 微 观 纳 米 图 形 制 作 的 新 途 径 对 制 造 微 芯 片! 特 殊 金 属 光 栅! 量 子 器 件 等 高 新 技 术 向 更 高 密 度! 更 高 速 度! 更 高 分 辨 率 和 超 微 细 化 发 展 促 进 国 防 科 技 水 平 和 信 息 科 学 的 进 步 以 及 捕 获 和 控 制 原 子 处 理 诸 如 链 和 病 毒 等 促 进 医 学 和 生 命 科 学 的 进 步 都 具 有 重 大 而 深 远 的 意 义 参 考 文 献 ετ αλ. 下 转 第 页