高精度電子束光刻技術(shù)在微納加工中的應(yīng)用

高精度電子束光刻技術(shù)在微納加工中的應(yīng)用胡超;王興平;尤春;孫鋒【摘要】對(duì)電子束光刻系統(tǒng)的原理以及在微納加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了討論.首先對(duì)光刻系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡述.然后討論了電子束光刻的關(guān)鍵工藝，如光膠的選擇、剝離工藝的優(yōu)化以及鄰近效應(yīng)對(duì)圖形的影響及修正方法.由于電子束光刻在科研領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，因此吸引了許多學(xué)者的注意.最后，舉例介紹了電子束光刻在生物醫(yī)學(xué)和硅光電子上的應(yīng)用.【期刊名稱(chēng)】《電子與封裝》【年(勤期】2017(017)005【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P28-32,36)【關(guān)鍵詞】電子束光刻;微納加工;納米電子器件【作者】胡超;王興平;尤春;孫鋒【作者單位】無(wú)錫中微掩模電子有限公司，江蘇無(wú)錫214135;無(wú)錫中微掩模電子有限公司，江蘇無(wú)錫214135;無(wú)錫中微掩模電子有限公司，江蘇無(wú)錫214135;中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫214072【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN305.7光刻(Lithography)是集成電路制造的基礎(chǔ)工藝。通過(guò)光刻，將電路圖形轉(zhuǎn)印到硅芯片上。摩爾定律［1］推動(dòng)了大規(guī)模集成電路和微光刻技術(shù)的發(fā)展，隨著摩爾定律不斷地推進(jìn)，越來(lái)越逼近技術(shù)臨界點(diǎn)，器件的特征尺寸越來(lái)越小。2010年iPhone4搭載的處理器芯片已經(jīng)是基于45nm,2017年制造工藝節(jié)點(diǎn)將突破個(gè)位數(shù)，特征尺寸將小于10nm，甚至預(yù)計(jì)到2020年有望突破5nm工藝節(jié)點(diǎn)［2］。光刻技術(shù)是集成電路制造的關(guān)鍵技術(shù)，其成本是整個(gè)芯片制造過(guò)程中最為昂貴的。目前主流光刻技術(shù)仍是傳統(tǒng)的光學(xué)曝光技術(shù)，但是由于光的衍射極限，光學(xué)曝光的分辨率取決于工藝參數(shù)、入射波長(zhǎng)以及光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA。為了提高分辨率，可以提高NA值、采用更小波長(zhǎng)的光源。但是隨著特征尺寸的減小，光學(xué)曝光技術(shù)將面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此需要尋找下一代光刻技術(shù)如X射線曝光技術(shù)、電子束曝光技術(shù)和極紫外曝光技術(shù)等。電子束光刻技術(shù)是目前已知分辨率最高的光刻技術(shù)，分辨率已經(jīng)到了10nm以下，足夠滿(mǎn)足目前任何工藝的分辨率要求［3］。直寫(xiě)式電子束光刻機(jī)的原理是將聚焦的電子束光斑直接打在光刻膠上形成圖形。直寫(xiě)式不需要光刻掩模板，大規(guī)模集成電路的光刻掩模成本很高，因此無(wú)掩模直寫(xiě)可以大大減少集成電路生產(chǎn)成本。電子束光刻機(jī)電子射線波長(zhǎng)低，所以無(wú)需考慮衍射效應(yīng)。但由于電子束光刻機(jī)曝光速率慢，很難在大規(guī)模大批量的生產(chǎn)中得到應(yīng)用。電子束光刻機(jī)目前在集成電路制造中主要用于高精度光刻掩模板和相移掩模的制作。電子束光刻機(jī)在微納加工領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，如微光學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)和特種納米器件等。而且與電子束光刻搭配的干法蝕刻與濕法蝕刻技術(shù)比起來(lái)，更容易形成良好的納米結(jié)構(gòu)。因此在微納器件領(lǐng)域無(wú)論是加工工藝還是科研都離不開(kāi)電子束光刻。本文圍繞直寫(xiě)式電子束光刻機(jī)，討論電子束光刻機(jī)的原理、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。電子束光刻技術(shù)起源于掃描電鏡，是基于聚焦電子束掃描原理的圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)［4］。聚焦電子束射線波長(zhǎng)很短，當(dāng)加速電壓達(dá)到15~20kV時(shí)，電子波波長(zhǎng)達(dá)到了0.007-0.01nm［5］。電子束束斑尺寸很小，從電子束光刻機(jī)發(fā)明以來(lái)，分辨率就—直不是問(wèn)題。電子束光刻機(jī)的主要問(wèn)題還是生產(chǎn)率低。因此如何提高電子束光刻機(jī)的生產(chǎn)率是研究電子束光刻技術(shù)的主要方向。電子束光刻系統(tǒng)由電子槍、電子光柱體、電子束發(fā)生器、真空系統(tǒng)及工件臺(tái)控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。電子發(fā)射源用于產(chǎn)生能被控制和聚焦的電子，根據(jù)工作方式不同一般分為熱電子源(thermionicsources)和場(chǎng)發(fā)射源(fieldemissionsources)。熱電子源是將陰極加熱到足夠高的溫度，陰極材料中的電子能夠獲得足夠多的動(dòng)能，使得電子能夠突破電子槍金屬功函數(shù)的勢(shì)壘而發(fā)射出來(lái)形成電子束。而場(chǎng)發(fā)射源是通過(guò)加強(qiáng)電場(chǎng)，使得電子隧穿勢(shì)壘形成電子源。電子發(fā)射源出射的電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)是在電子光柱體中完成的，電子光柱體由一系列的電子透鏡、光闌、擋板等裝置組成。電子通過(guò)光闌成型，經(jīng)過(guò)電子透鏡會(huì)聚成束斑，經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)則可以在工作臺(tái)上進(jìn)行曝光。電子束光刻系統(tǒng)的主要工作原理是將聚焦電子束斑點(diǎn)在機(jī)臺(tái)上移動(dòng)，主要有兩種掃描方式：光柵掃描和矢量掃描［6］。如圖2所示，光柵掃描方式下電子束逐點(diǎn)掃描，可以通過(guò)控制電子束的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行圖形的曝光。這種掃描模式是連續(xù)不間斷的，而且和圖形分布無(wú)關(guān)。光柵掃描模式是逐點(diǎn)掃描的，因此曝光相對(duì)穩(wěn)定，但是曝光速率則可能比較慢。如果要提高曝光分辨率，束斑尺寸相應(yīng)地要減小，因此需要更長(zhǎng)的曝光時(shí)間。如圖2所示，矢量掃描方式與光柵掃描不同的是，矢量掃描只在圖形區(qū)域進(jìn)行曝光，減少了鏡頭在非圖形區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間，因此和光柵掃描相比曝光時(shí)間減少了。在矢量掃描模式下，圖形的曝光時(shí)間與束斑投射次數(shù)有關(guān)。如圖3所示，在固定點(diǎn)束斑模式下，我們需要24次投射。為了加快曝光速率，圖形可分解為最小基本圖形的組合，以這種最小基本圖形作為電子束斑的形狀［7］。在這種修正束斑模式下只需要6次投射就可以了，減少了曝光時(shí)間。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中圖形不是一成不變的，需要經(jīng)常重設(shè)基本束斑形狀，因此需要一種更加靈活的投射方式。一種束斑可變的模式能夠應(yīng)用于圖形多樣化的情況［8,9］。如圖3所示，在可變束斑模式下，電子束斑會(huì)根據(jù)具體的圖形進(jìn)行調(diào)整，改變束斑的基本形狀，因此將投射次數(shù)減少到了3次。電子束光刻配套的干法刻蝕和薄膜沉積工藝，在制備納米電子器件中表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。直寫(xiě)式電子束光刻無(wú)需昂貴的掩模板，而且相對(duì)于傳統(tǒng)光刻有著非常高的分辨率。但是不同于投影式的曝光，直寫(xiě)式電子束曝光機(jī)是在圖形區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)掃描，遇到圖形復(fù)雜的情況，曝光比較費(fèi)時(shí)。因此在集成電路的工藝過(guò)程中，電子束光刻只用于關(guān)鍵層的曝光以及高精度掩模板的制備。但是電子束光刻機(jī)在微納加工領(lǐng)域，特別是在科學(xué)研究中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。3.1電子束光刻膠光刻膠或者抗蝕劑(PhotoResist)由感光樹(shù)脂、增感劑和溶劑3種主要成分組成。感光樹(shù)脂在經(jīng)過(guò)激光或者電子束曝光后會(huì)發(fā)生光固化反應(yīng)，使得曝光區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂物理性能如溶解性、親合性等會(huì)發(fā)生明顯變化。本節(jié)主要介紹電子束光刻劑所用的電子束光刻膠。電子束光刻要求抗蝕劑具有靈敏度高、對(duì)比度強(qiáng)以及抗干法刻蝕選擇性等。最早使用的電子束抗蝕劑是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)，這種光刻膠具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、優(yōu)異的分辨率和成本低等優(yōu)點(diǎn)。PMMA雖然具有較高的分辨率，附著能力強(qiáng)但是靈敏度較差?；瘜W(xué)放大型膠(chemicallyamplifiedresist,CAR)彌補(bǔ)了PMMA感光靈敏度的不足，提高了電子束曝光的效率。CAR中利用化學(xué)催化反應(yīng)來(lái)放大輻射粒子帶來(lái)的效應(yīng)，有效地提高了光膠靈敏度，從而提升了產(chǎn)率［10］。對(duì)于CAR來(lái)講，目前最主要的研究方向就是如何讓CAR同時(shí)滿(mǎn)足高分辨率、良好線寬毛糙度和高靈敏度。光刻膠中的長(zhǎng)鏈碳聚合物在接受到電子束曝光后，相領(lǐng)鏈上的碳聚合物接受電子束照射會(huì)產(chǎn)生位移，導(dǎo)致碳原子直接鍵合，這種過(guò)程稱(chēng)之為交聯(lián)。交聯(lián)度不同的分子在顯影液中的溶解速度也不同，高度交聯(lián)的分子溶解較快。根據(jù)曝光后光刻膠中是發(fā)生化學(xué)鍵斷裂還是交聯(lián)還可將電子束光刻膠分為正性膠和負(fù)性膠。3.2剝離工藝剝離工藝是微納加工圖形轉(zhuǎn)印中最關(guān)鍵的工藝步驟，剝離工藝往往不穩(wěn)定，因此在工業(yè)生產(chǎn)中并不常用?？梢酝ㄟ^(guò)增加單層膠的厚度或者使用雙層膠來(lái)提高剝離的成功率。其中使用雙層膠來(lái)提高剝離效率已經(jīng)被大量報(bào)道［11~13］。Marcus［13］等人利用HSQ/PMMA雙層光刻膠將工藝提高到了10nm以下。該雙層膠的結(jié)構(gòu)如圖4所示，首先在基底上先鍍一層80nm厚的PMMA950k犧牲層，然后再鍍上—層30nm厚的HSQ膠層。該結(jié)構(gòu)的好處在于頂層HSQ具有高分辨率能力而底層的PMMA易于剝離，因此這種雙層結(jié)構(gòu)能提高剝離工藝的效率。3.3光學(xué)臨近效應(yīng)［14］上文提到電子束光刻可以刻寫(xiě)高分辨率圖形。然而電子在光膠和基板的散射效應(yīng)會(huì)影響臨近的圖形，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為臨近效應(yīng)。本節(jié)主要討論臨近效應(yīng)產(chǎn)生的原因以及修正的方法。電子束的能量很高，因此電子束射線的波長(zhǎng)很小，以至于電子束的衍射效應(yīng)帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)。但正是由于電子束的粒子性很強(qiáng)，會(huì)在光膠中發(fā)生散射從而使得曝光區(qū)域附近的非曝光區(qū)域內(nèi)的光膠發(fā)生曝光。當(dāng)高能電子束照射到正性光膠上時(shí)，光膠中的分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂，該區(qū)域的溶解性變得易溶于顯影液。目前在電子束光刻中，電子的能量一般為10-100keV，這種電子束能在光膠中的可傳播距離在10pm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前光刻膠的厚度。因此，高能電子能夠輕而易舉地穿透光刻膠層到達(dá)基底表面。當(dāng)電子在光膠中傳輸和穿透光膠接觸基底表面時(shí)，電子束一般發(fā)生兩種散射，即前向散射和后向散射，如圖5所示。前向散射是非彈性散射，電子與光膠或者基底中的原子外層電子發(fā)生碰撞，被碰撞的原子發(fā)生電離（或者在材料中產(chǎn)生二次電子）。如果碰撞發(fā)生在光膠的分子中，那么分子鏈就會(huì)發(fā)生斷裂。由于是非彈性碰撞，因此電子的散射角度很小。后向散射是指電子與原子核發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞會(huì)大幅度改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而導(dǎo)致臨近效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)主要電子在光膠中減速時(shí)，它們將能量轉(zhuǎn)化為許多二次電子，能量約為2~50eV左右。這些電子是光刻膠被曝光的主要原因。這些電子能量相對(duì)較低，因此在光膠中傳播的距離只有數(shù)納米，因此單個(gè)電子對(duì)臨近效應(yīng)的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)。但是所有二次電子集合和發(fā)生前向散射的電子造成曝光區(qū)域的擴(kuò)大是不可避免的，這也是電子光刻機(jī)提高分辨率的瓶頸。主要電子在損失其所有能量前所傳播的距離是由電子所攜帶的能量和光膠材料決定的。特別的，如果入射電子能量越高，電子傳播路線所受前向散射造成的影響越小。少量發(fā)生后向散射的電子的散射角隨著電子能量的增強(qiáng)而增強(qiáng)。而且后向散射的影響與基底的關(guān)系也很大，基底材料的原子序數(shù)越小即原子核越小，后向散射帶來(lái)的影響也越小。已經(jīng)有很多方法來(lái)修正鄰近效應(yīng)帶來(lái)的影響，如背曝修正、圖形修正技術(shù)和曝光劑量修正技術(shù)。其中曝光劑量修正技術(shù)即對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的曝光劑量進(jìn)行修正，這種方法并不適用于直寫(xiě)式電子束光刻系統(tǒng)。圖形修正方法中，并不需要對(duì)曝光劑量進(jìn)行修正，使用單一的曝光劑量即可，因此被目前的直寫(xiě)式電子束光刻系統(tǒng)所采用。通過(guò)修正原有圖形，使得經(jīng)過(guò)曝光顯影后的圖形盡可能和設(shè)計(jì)的圖形接近。背曝技術(shù)則是利用二次曝光來(lái)修正圖形，二次曝光采用與原有設(shè)計(jì)相反的圖形。在電子束光刻系統(tǒng)中，電子散射效應(yīng)是目前電子束光刻系統(tǒng)制備高分辨率圖形主要的難點(diǎn)。如圖5所示，是否對(duì)鄰近效應(yīng)進(jìn)行修正對(duì)顯影出來(lái)的圖形質(zhì)量有著決定性的影響。對(duì)于電子束光刻系統(tǒng)，高能電子意味著高分辨率，但也帶來(lái)了更大的鄰近效應(yīng)。因此電子束光刻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡考慮精度、速度和準(zhǔn)確度。4.1生物傳感[16]同時(shí)探測(cè)多種生物標(biāo)記物如胞外信號(hào)分子，在疾病診斷中發(fā)揮著重要的作用。在微納尺度下，精確測(cè)定表面抗體的位置對(duì)于分子量級(jí)的生物傳感、診斷以及測(cè)定技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)于芯片特征尺寸的微型化提出了要求。電子束光刻有著超高的分辨率，無(wú)需昂貴的掩模就可以刻寫(xiě)出各種微納結(jié)構(gòu)，在生物科研領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。UlandY.Lau[16]等人利用電子束光刻來(lái)刻寫(xiě)蛋白質(zhì)圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)于活細(xì)胞的復(fù)細(xì)胞因子的檢測(cè)。利用電子束光刻系統(tǒng)來(lái)制備蛋白質(zhì)抗體圖形的主要流程如圖7所示。硅片上涂覆了聚乙二醇（PEG）薄膜，厚度約為2.68±0.11nm。然后在基片上涂覆含有抗體、多聚蛋白質(zhì)和抗壞血酸的混合溶液作為電子束光刻膠。當(dāng)基板被電子束照射時(shí)，混合溶液中的多聚物也會(huì)像其他多聚物一樣，多聚物中的分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂變得可溶于顯影液［17,18］。制備過(guò)程為：將水溶液以500rpm的旋轉(zhuǎn)速度在基底上涂覆5s，逐漸提升至1000rpm轉(zhuǎn)速涂5s，隨后2000rpm涂5s，最后以4000rpm速度涂10s。PEG薄膜基底首先旋轉(zhuǎn)涂布超純水，然后再將基底旋轉(zhuǎn)涂覆抗體、多聚蛋白質(zhì)和抗壞血酸混合溶液。電子束光刻系統(tǒng)的加速電壓為30kV，光斑尺寸為34nm,曝光劑量為25K/cm2。隨后的工藝即為顯影、剝離和二次涂覆。二次涂覆的作用是為了形成多層蛋白質(zhì)。如圖8為用電子束光刻加工的多抗體圖形的顯微照片。4.2硅光波導(dǎo)［19］硅光子由于表現(xiàn)出可以兼容成熟的微電子工藝而逐漸獲得大量的關(guān)注。在集成光學(xué)領(lǐng)域，絕緣體上硅（SOI）中由于Si和SiO2存在著大折射率差可以成為優(yōu)良的光波導(dǎo)。M.Gnan［19］等人利用基于HSQ光膠工藝的電子束光刻制備出了單模SOI光子線波導(dǎo)和布拉格光柵。制備過(guò)程為：用于制備SOI波導(dǎo)包括在硅基底上260nm厚的導(dǎo)光Si層和1000nm厚的SiO2緩沖層。在基板樣品上涂上250nm厚的HSQ層，利用電子束光刻機(jī)進(jìn)行刻寫(xiě)。電子束能量為100keV，曝光劑量為1700mC/cm2。該圖形用感應(yīng)耦合等離子體（inductivelycoupledplasma（ICP））離子刻蝕工藝進(jìn)行干刻。圖9是制備的SOI光子線波導(dǎo)和布拉格光柵［19,20］。4.3先進(jìn)掩模制造電子束由于其精度高、直寫(xiě)式的特點(diǎn)在集成電路高精度掩模制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)錫中微掩模電子有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)〃中微掩?！保┗贚eicaSB350電子束曝光機(jī)擁有0.13pm以上的二元掩模和高階相移掩模（PSM）的研發(fā)和生產(chǎn)能力。掩模板主要由石英基板、鉻金屬層和電子束光刻膠組成。電子束刻寫(xiě)掩模板的流程主要是曝光、顯影、蝕刻和去膠。如圖10為掩模板曝光顯影后的顯微照片。經(jīng)過(guò)蝕刻和去膠后的掩模板只剩下鉻層，掩模利用鉻層作為遮光層將電路圖形轉(zhuǎn)印到晶圓上。相移掩模的制備和普通掩模板有所不同，在工藝流程中多了二次曝光的過(guò)程，而且遮光層的材料不是鉻而是相移層。中微掩?；贚eicaSB350配合具有二次曝光能力的激光束曝光機(jī)Omega6600E可實(shí)現(xiàn)相移掩模的制造[21]。集成電路的發(fā)展推動(dòng)著高分辨率光刻技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。高分辨率直寫(xiě)式電子束曝光成為目前下一代光刻技術(shù)的熱點(diǎn)之一。電子束光刻技術(shù)將廣泛地應(yīng)用于微電子、微光學(xué)、硅光電子和生物化學(xué)等科研領(lǐng)域。集成電路中加工技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展，誕生了新的交叉學(xué)科如納米電子學(xué)、微納光學(xué)和硅光電子學(xué)等。電子束光刻機(jī)存在生產(chǎn)率低的瓶頸，目前在集成電路領(lǐng)域中主要用于掩模板的制造。如果能突破該瓶頸，電子束光刻機(jī)將會(huì)在微納加工及納米器件制備等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。胡超(1990-)，男，江蘇江陰人，碩士，現(xiàn)在無(wú)錫中微掩模電子有限公司從事掩模工藝技術(shù)研究?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】MooreGE.Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits[J].Electronics,1965,38(8):114-117.周蘭.我國(guó)集成電路制造最新態(tài)勢(shì)及未來(lái)展望[J].現(xiàn)代電信科技，2016,46(4):19-22.HuWW,SarveswaranK,LiebermanM,etal.Sub-10nmelectronbeamlithographyusingcolddevelopmentofpoly(methylmethacrylate)[J].JournalofVacuumScience&TechnologyB,2004,22(4):1711-1716.BroersAN.TechnicalDigest—IEDM[M].Washington,DC,1978:1-5.顧文琪.電子束曝光微納加技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004:5.OkazakiS.Highresolutionopticallithographyorhighthroughputelectronbeamlithography:Thetechnicalstrugglefromthemicrotothenano-fabricationevolution[J].MicroelectronicEngineering,2015,133:23-35.PfeifferHC.Newimaginganddeflectionconceptforprobe-formingmicrofabricationsystems[J].JournalofVacuumScience&Technology,1975,12(6):1170-1173.PfeifferHC.Variablespotshapingforelectron-beamlithography[J].JournalofVacuumScience&Technology,1978,15(3):887-890.SaitouN,OzasaS,KomodaT,etal.Variablyshapedelectronbeamlithographysystem,EB55:IIElectronoptics[J].JournalofVacuumScience&Technology,1981,19(4):1087-1093.ItoH,WillsonCG.Chemicalamplificationinthedesignofdrydevelopingresistmaterials[J].PolymerEngineering&Science,1983,23(18):1012-1018.TannerSM,RogersCT.Fabricationprocessforcantileverswithintegratedtunneljunctions[J].JournalofVacuumScience&TechnologyB,2008,26(2):481-486.Xia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