纳米科学与技术-第五讲

纳米科学与技术 第五讲

微纳米加工技术杨延莲 国家纳米科学中心 2011年03月08日 年 月 日

材料

表征

组装

?

器件

Top-down + bottom-up

主要内容 光刻 (Photolithography) ) 聚焦电子束 (EBL) ) 聚焦离子束(FIB) )Electron Beam lithography

Focused Ion Beam

软刻蚀(Soft lithography) ) 纳米压印(Nanoimprint) )

Nanofabrication Equipments洁净间 Clean room,百级，千级，万级 ，百级，千级， 磁控溅射 电子束蒸发 紫外光刻

反应离子刻蚀

电子束直写

纳米压印

光刻工艺概况 首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 寸的图形 其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形晶圆

光刻是一种多步骤的图形转 光刻是一种多步骤的图形转 移过程， 移过程，首先是在掩膜版上 形成所需要的图形， 形成所需要的图形，之后通 过光刻工艺把所需要的图形 转移到晶园表面的每一层。 转移到晶园表面的每一层。

表面层 晶圆 图形层 晶圆

图形转移首先，图形被转移到光刻胶层。 首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反)。再通过化学溶剂( )。再通过化学溶剂 化(由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反)。再通过化学溶剂(显 影剂)把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔， 影剂)把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩 膜版不透光的部分相对应。 膜版不透光的部分相对应。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶

园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。 园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。

对准 曝光

去除非 聚合的 光刻胶

刻蚀Si 刻蚀 表面

去除光 刻胶

掩膜版如果掩膜版的图形是由 不透光的区域决定的 ， 称其为亮场掩膜版； 称其为亮场掩膜版； 暗场掩膜版的图形是用 相反的方式编码的， 相反的方式编码的 ， 如 果按照同样的步骤， 果按照同样的步骤 ， 就 会在晶园表面留下凸起 的图形。 的图形。 暗场掩膜版主要用来制 作反刻金属互联线。 作反刻金属互联线。

亮场

暗场

光刻胶photoresist 光刻胶对光有负效应的光刻胶，称为负性胶； 对光有负效应的光刻胶，称为负性胶； 对光有正效应的光刻胶，称为正性胶。 对光有正效应的光刻胶，称为正性胶。

用正性胶

和亮场掩膜版在 晶园表面建立凸起图形。 晶园表面建立凸起图形。 右图显示了用不同极性的 掩膜版和不同极性的光刻 胶相结合而产生的结果。 胶相结合而产生的结果。 通常是根据尺寸控制的要 求和缺陷保护的要求来选 择光刻胶和掩膜版极性的

光刻胶极性 掩 模 亮场 版 极 暗场 性

负胶 正胶 凹坑 凸起 凸起 凹坑

光刻胶的组成光刻胶由4种成分组成： 光刻胶由4种成分组成： 聚合物 成分 溶剂 聚合物 感光剂 添加剂溶剂 功能 当被对准机光源曝光时， 聚合物结构由可溶变成 聚合(或反之) 稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜 在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应 各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色

光刻胶是光刻工 艺的核心， 艺的核心，光刻 过程中的所有操 作都会根据特定 的光刻胶性质和 想达到的预期结 果而进行微调。 果而进行微调。

感光剂

添加剂

负性光刻胶 负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚 负性胶， 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 戊二烯类型 在光照接受光照后聚合， 类型。 戊二烯类型。在光照接受光照后聚合，变为不 可溶的聚合物。 可溶的聚合物。CH CH CH ×× × ×× × × × ×× 未聚合的 能量

双键 CH (a)

聚合的

(b)

正性光刻胶正性胶的基本聚合物是 苯酚 甲醛聚 正性胶 的基本聚合物是苯酚 - 甲醛 聚 的基本聚合物是 苯酚- 合物，也称为苯酚 甲醛树脂。如图所示。 苯酚- 合物，也称为苯酚-甲醛树脂。如图所示。邻位 ( 2 和 6 )

间位 ( 3 和 4 ) 对位( 4 )

间甲 酚

甲醛

在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 用适当能量的光照后变成可溶状态。 用适当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应 称为光溶解反应。 称为光溶解反应。

光刻胶产品中的溶剂、 光刻胶产品中的溶剂、感光剂和添加剂

溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转 旋转的方法涂在晶园 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园 表面。 表面。

感光剂光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差， 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度 增加感光灵敏度， 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度， 而且限

制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。

添加剂光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。

分辨率 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻 胶的分辨率。 胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不 仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有 关，比如：曝光光源、显影工艺等。 粘结能力 光刻胶与衬底膜层(SiO2 、Al等)的粘结能 力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘 结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能 力。 曝光速度 灵敏性和曝光源 光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所必 须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光 强度是和光源特定的波长有关系。

光刻胶的要求

工艺宽容度 整个光刻过程步骤多，而且每一步骤都会影响最终的图形 尺寸， 另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶 对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园表 面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越 大。 针孔 所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶 工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构 上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。 硅晶片 阶梯覆盖度 再氧化之前 随着晶园表面上膜层的不断增加，表面 (a) 不再是完全平坦化的，所以要求光刻胶必 台阶 硅晶片 须具有良好的阶梯覆盖特性。再氧化之后 (b)

光刻胶的要求

正胶和负胶的比较在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2~5微 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 正胶的缺点是粘结能力差，成本比负胶高，但良品率高。 正胶的缺点是粘结能力差， 正胶的缺点是粘结能力差 成本比负胶高，但良品率高。 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2微米 负胶所用的显影剂容易得到， 负胶所用的显影剂容易得到 显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2 的工艺还是

选择负胶 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不 同光刻胶结合，由于光在图形周围的衍射效应，在晶园表面光刻得到的尺寸不一样。 同光刻胶结合 ， 由于光在图形周围的衍射效应 ， 在晶园表面光刻得到的尺寸不一样 。

晶圆 (a)

非聚合光刻胶 聚合光刻胶

亮场掩膜版和负胶组合图形尺寸变小

晶圆 (b) 暗场掩膜版和正胶组合图形尺寸变大

用正胶和暗场掩 膜版组合还可以 在晶园表面得到 附加的针孔保护。 附加的针孔保护。 如果是亮场掩膜 版，大部分区域 是凹坑，这样， 是凹坑，这样， 玻璃上的任何缺 陷及污染物微粒 都会影响光刻质 量，若是暗场掩 膜版则可以避免 上述缺陷的产生。 上述缺陷的产生。

曝光

铬 (a)

玻璃裂纹 污垢

负胶 氧化物 晶圆

(b)

两种类型光刻胶属性的比较

光刻工艺 表面准备 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处 理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。 微粒清除、 微粒清除 脱水和涂底胶。 微粒清除 高压氮气吹除 虽然光刻前的每一步工艺(氧化、掺杂等)都是在清洁区域完成 化学湿法清洗 的，但晶园表面有可能吸附一些颗粒状的污染物。 旋转刷刷洗 高压水流 脱水烘焙 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分(亲水 性表面),所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥(憎水性表面), 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 1.涂底胶 一是保持室内温度在50℃以下， 一是保持室内温度在 ℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能 亲水 性 憎水 性 快的进行涂胶。 快的进行涂胶。 涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园表面的粘结能力。 表面 表面 2. 方法有：沉浸式 旋转式 蒸汽式 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 方法有：3. 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。

涂光刻胶 目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷 薄而均匀并且没有缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和 严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.5~1.5µm,均匀性：±0.01µm 光刻胶膜的最终厚度是由 常用方法： 常用方法：旋转涂胶法 光刻胶的粘度、 旋转速度、 光刻胶的粘度 、 旋转速度 、 分手动，半自动，全自动 表面张力和光刻胶的干燥 性来决定的。 性来决定的。 静态涂胶工艺

涂光刻胶光刻 胶浇 注

不充 分 覆盖

完整光 刻

胶 覆盖

过多 光刻 胶

旋转 后

光刻胶覆盖

动态喷洒 随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要 求薄而均匀的光刻胶膜。

涂光刻胶

低转 速 真空

高转 速

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