軟X射線完整版本

軟X射線光刻技術電科141時雷軟X射線簡介

波長小于0.1埃的稱超硬X射線，在0.1～1埃范圍內(nèi)的稱硬X射線，1～10埃范圍內(nèi)的稱軟X射線(X射線波長略大于0.5nm的被稱作軟X射線).發(fā)展背景：

軟X射線投影光刻技術是現(xiàn)有可見-近紫外投影光刻技術向軟X射線波段(1～30nm)的延伸.但是,由于此波段任何材料的折射率均接近于1,而且吸收較大,微縮投影光學系統(tǒng)必須采用反射系統(tǒng),而單層膜反射鏡對正入射軟X射線的反射率幾乎為零,無法利用其組成正入射系統(tǒng).70年代后,隨著超光滑表面加工技術和超薄膜制備技術的不斷提高,目前人們制備的13nmMo/Si多層膜反射率已接近70%.這使人們利用多層膜反射鏡集成軟X射線投影光刻系統(tǒng)成為可能.目錄:1.軟X射線投影光刻系統(tǒng)的概述及最小刻劃線寬2.軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀3.我國的軟X射線投影光刻關鍵技術的進展軟X射線投影光刻系統(tǒng)的概述及最小刻劃線寬

由圖所示,未來軟X射線投影光刻設備由激光等離子體光源、照明光學系統(tǒng)、微縮投影光學系統(tǒng)、掩模及硅片精密工作臺、減震系統(tǒng)及相應的真空室組成。微縮投影光學系統(tǒng)是由二塊或三塊非球面鏡組成的反射式光學系統(tǒng)。此時,像差最小區(qū)域是以光軸為中心的圓環(huán),為獲得足夠的光刻范圍,必須使反射式掩模和硅片作同步掃描。在結構上，微縮投影光學系統(tǒng)為像方遠心光路，以免焦深范圍內(nèi)的倍率變化。為提高系統(tǒng)光能量效率，各多層膜系的帶寬須嚴格匹配。微縮光學系統(tǒng)理論分辨率d由Fraunhofer公式、系統(tǒng)焦深fd由Rayleigh公式給出d=k1λ/NA,fd=k2λ/欲提高系統(tǒng)分辨率或減小最小刻劃線寬,可減小系統(tǒng)工作波長和增大數(shù)值孔徑。但從系統(tǒng)焦深表達式fd可知，減小工作波長和增大數(shù)值孔徑也會使焦深變小，不利于光刻系統(tǒng)的調(diào)整。為此，必須在系統(tǒng)分辨率與焦深間折衷,使焦深≥1μm,以便硅片對準和調(diào)整.軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀軟X射線投影光刻技術由于工作波長短,目前尚有許多關鍵技術問題需要解決。1.光源技術在軟X射線投影光刻的光源中，激光等離子體光源比同步輻射源體積小、價格便宜、易于在現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)線上安裝。但常規(guī)激光等離子體光源在激光直接照射在固體靶上時,除輻射出所需軟X射線外,還產(chǎn)生大量的碎屑,會污染并縮短光學元件的壽命。為此，實用化的光刻系統(tǒng)必須使用無污染的激光等離子體光源。在低碎屑激光等離子體軟X射光源研究初期,主要是設法減少金屬靶光源所產(chǎn)生的碎屑對軟X射線光學元件的影響。一是減少碎屑產(chǎn)生,二是設法阻止碎屑到達軟X射線光學元件表面而減少對元件的影響。經(jīng)常采用機械斬片法、質(zhì)量限制法和充氣阻截法。近年來,人們嘗試用氣體冷凍靶消除碎屑。但這種光源的光斑空間位置穩(wěn)定性差,很難與高質(zhì)量的聚光系統(tǒng)相匹配；同時未經(jīng)氣化的飛濺粒子仍可能損傷多層膜。美國Sandia國家實驗室發(fā)展了氣體噴射靶等離子體光源技術，以適應軟X射線投影光刻系統(tǒng)要求。這種光源以噴嘴向真空中噴出的脈沖狀高密度氣體為靶體,雖然其轉(zhuǎn)換效率較低,但因完全消除了對光學元件污染，可使聚光系統(tǒng)長期工作，而且可保證高精度光斑空間位置，有望發(fā)展為實用光源.軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀2.軟X射線微縮投影光學系統(tǒng)目前,軟X射線多層膜反射率在11～14nm波段為最高,但只接近70%,因此光學設計時應盡量減少反射鏡數(shù)目。迄今,軟X射線微縮投影光學系統(tǒng)多采用二塊非球面結構。近年來,隨著多層膜反射率及光源強度提高,開始設計三塊非球面鏡的光學系統(tǒng),以提高微縮投影光學系統(tǒng)的視場。軟X射線投影光刻系統(tǒng)為了實現(xiàn)近衍射極限性能的分辨率,微縮投影光學系統(tǒng)的RMS波像差應小于工作波長的1/14。深入研究表明,與不同空間頻率對應的表面起伏變化對入射光波散射后造成的影響不同。空間頻率對應于103mm以上的高頻粗糙度,引起入射光波的廣角散射,雖影響多層膜的反射率,但不影響成像質(zhì)量。而空間頻率為1～103mm的中頻波紋度引起入射光波的小角散射,對光學系統(tǒng)成像影響較嚴重。這類表面波紋度應控制在0.2nm以下。軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀

對上述面形精度、中頻波紋度和高頻粗糙度可分別采用相移干射儀、WYKO輪廓儀和原子力顯微鏡進行檢測。反映了軟X射線投影光刻用反射鏡的表面精度及現(xiàn)狀.軟X射線投影光刻系統(tǒng)的最后波差要達到K/14(0.95nm),因此光學元件裝配應采用無應力裝調(diào),以消除裝配應力引起元件面形變化,滿足系統(tǒng)波差要求。3.反射式掩模軟X射線投影光刻掩模是制備在多層膜上的反射式掩模。由于有微縮光學系統(tǒng),它有較大的特征尺寸;同時在它制備的鍍有多層膜的較結實基片上,能避免軟X射線照射引起的掩模熱變形，便于實現(xiàn)高精度的光刻另一種是在多層膜上去除不需要的多層膜的去除型。前者是目前公認較好的方法，它除了可以獲得較高的反射襯度,特別利于掩模缺陷的修復。后一種方法能夠達到很高的襯度,但無法進行掩模缺陷的修補。軟X射線投影光刻用反射掩模要求其反射部分的反射率大于60%,缺陷的密度小于0.1個/cm2。實驗表明,小于掩模最小線寬1/6的缺陷對最后成像結果沒有影響,這是缺陷的最大允許尺寸。目前,人們已制備出反射率大于60%、缺陷密度小于0.03個/cm2的反射掩模。4.軟X射線多層膜技術多層膜制備主要有電子束蒸發(fā)和濺射方法兩類。電子束蒸發(fā)法是利用高能電子束氣化待鍍材料，使其沉積到基板，其真空度高,特別適于蒸鍍易氧化材料。但此法產(chǎn)生的蒸鍍粒子動能，膜系疏松,實現(xiàn)穩(wěn)定的鍍膜速率控制較難。濺射法分離子束濺射和磁控濺，它用氣體離子將被鍍材料濺射沉積到基板上。此產(chǎn)生的濺射粒子的動能較大,在基板上堆積緊密,膜系密度較大;此外,濺射過程容易控制,能得到穩(wěn)定的鍍膜速率。目前,用于軟X射線投影光刻的多層膜大都用濺射鍍膜法制成。軟X射線投影光刻使用的多層膜要求在較大的面積上獲得高且均勻的反射率,因而鍍制在曲面基板上的多層膜,應根據(jù)入射角度變化調(diào)整多層膜周期厚度。此外,多層膜還應具有最小應力,使膜層應力不對鏡面面形產(chǎn)生影響。軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀5.光刻膠技術在光刻系統(tǒng)中,光刻膠的好壞直接影響著生產(chǎn)效能。軟X射線投影光刻系統(tǒng)的光刻膠應具有小于0.1μm的分辨本領及20mJ/cm2感光度,大于0.5μm抗刻蝕能力和85°的側(cè)壁傾角。傳統(tǒng)的光刻膠PMMA具極高的分辨本領,但感光度極低,通常為60mJ/cm2。近年采用的具有化學增強作用的光刻膠,如美國SharplanLasers公司的SAL-601,在分辨率和感光度上都適于軟X射線投影光刻,在13nm波長處的感光度達1.3mJ/cm2,并在對比度及光刻圖形邊緣光滑特性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的高分子光刻膠PMMA。但光刻膠對13nm波長的輻射吸收較大，曝光深度僅為0.2μm,作為單層結構使用時,如此薄的光刻圖形不利于后續(xù)刻蝕。為此,必須采用新的光刻膠技術。近年來,利用光刻膠表面潛影,采用后續(xù)刻蝕工藝,解決單層光刻膠刻蝕能力低的問題。三層光刻膠結構作為表面成像技術之一,已被Sindia實驗室用于軟X射線投影光刻,制備出線寬為0.1μm的NMOS。它采用離子束刻蝕工藝將最上層的SAL-601曝光顯影后的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,雖然解決了抗蝕性,但工藝十分復雜,目前主要適用于器件試制。最可能采用的光刻膠技術是用硅烷化反應的全新表面成像技術,其光刻膠是單層結構。它首先利用硅烷化劑處理光刻后的抗蝕劑表面,此時非光刻部分將形成硅氧烷結構,然后利用反應氧離子刻蝕進一步處理光刻部分。為提高此種處理工藝的尺寸控制性,應使硅烷化層盡可能薄,并抑制其橫向擴散。這樣,光刻膠處理技術在分辨本領、抗蝕能力、側(cè)壁傾角和感光度等方面表現(xiàn)出巨大潛力,有望近期發(fā)展為實用的光刻膠技術。軟X射線投影光刻關鍵技術研究的現(xiàn)狀

軟X射線投影光刻系統(tǒng)要獲得大的光刻范圍,必須使掩模和硅片同步掃描。同步掃描時,通常要求掩模和硅片對準精度為光刻特征線寬的1/4～1/5,對0.1μm特征線寬光刻系統(tǒng),對準精度要小于0.025μm,這對掃描及對準機構精度提出了極高要求。光刻系統(tǒng)在真空環(huán)境工作,其掃描機構除需減小振動和傳動裝置的熱量、提高同步掃描控制精度外,還須采用可在真空環(huán)境工作的精密導向機構。目前,可在真空中工作的精密導向機構是磁浮機構。相比傳統(tǒng)的導向機構,它無摩擦、不產(chǎn)生粉塵、不需潤滑、相對容易制造,并且功耗低。美國的Sindia實驗室已制成用于投影光刻實驗裝置的磁懸浮工作臺,穩(wěn)定性達5.5nm.掩模和硅片步進掃描時采用可見光莫爾條紋技術來對準。它是將形成莫爾條紋所需的光柵刻到掩模和硅片的邊緣,然后通過投影物鏡將掩模上的光柵成像到硅片上,將這兩個合成圖像成像在一個帶十字絲的像面上,最后利用CCD相機接收上述像面的像。目前在x、y軸方向均可達到10～15nm的對準精度.為保證工作臺的硅片能在系統(tǒng)焦深范圍內(nèi),需要在垂直于硅片方向進行調(diào)整。目前,已建成的光刻系統(tǒng)采用了掠入射自動調(diào)焦系統(tǒng),其焦面調(diào)整精度為±0.15μm，焦深通常為±1μm,能滿足軟X射線投影光刻的調(diào)整精度。我國的軟X射線投影光刻關鍵技術的進展

始于70年代末的我國軟X射線光學技術研究涉及軟X射線光源、軟X射線輻射計量、超精密光學加工/檢測和軟X射線多層膜技術等。在作為主要技術基礎的軟X射線成像光學方面,長春光機所居國內(nèi)領先。近年在投影光刻的關鍵技術及系統(tǒng)集成上有了重要進展。1.軟X射線激光等離子體光源長春光機所開展了無污染軟X射線投影光刻用激光等離子體光源技術研。先后研制出CO2冷凍靶及氣體靶激光等離子體軟X射線光源,在軟X射線投影光刻工作波段(13nm)測得了較強的輻射。2.軟X射線多層膜技術在軟X射線多層膜元件研制中,鍍膜材料光學常數(shù)是所有計算和設計的基礎。在膜厚為納米量級情況下,鍍膜材料的光學常數(shù)既是波長函數(shù),也是膜厚函數(shù)。B.L.Henke等人利用測光吸收定出原子散射因子計算的光學常數(shù)和D.L.Windt等人利用反射率方法測量的光學常數(shù)都對應塊材料或較厚的膜(d≥100nm),而軟X射線多層膜的膜厚一般都小于10nm。積累超薄膜狀態(tài)下的軟X射線波段光學常數(shù)已成為研究的一個迫切需要。長春光機所與日本東北大學科學計測所合作,精確地測定60～900eV之間Au、C、Mo、Rh、Ru、Pt、W、Si等物質(zhì)的光學常數(shù)。3.浮法拋光超光滑表面加工技術超光滑基板是制備軟X射線多層膜的基礎,而傳統(tǒng)光學加工難以做到表面粗糙度小于0.5nm。1992年起長春光機所開始研究浮法拋光技術,經(jīng)一年多努力,以錫磨盤的浸液拋光新工藝研制出浮法拋光機原理實驗樣機。經(jīng)工藝實驗平面樣品表面粗糙度小于0.3nm。4.軟X射線正入射成像系統(tǒng)從1991年起開始研制18.2nmSchwartzschild型軟X射線顯微鏡。它由軟X射線激光等離子體光源、鍍有多層膜的球面聚光鏡、10×Schwartzschild顯微物鏡、Al/C軟X射線濾光片組成,實現(xiàn)小于1μm的空間分辨率。在軟X射線正入射顯微成像系統(tǒng)研究基礎上,設計了工作波長13nm的軟X射線投影光刻原理裝置,它由軟X射線激光等離子體光源、橢球