纳米级电子束光刻技术及icp深刻蚀工艺技术的研究.pdf
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1、 中国科学 E E 辑: : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 6 期: : 1047 1053 中国科学杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 纳米级电子束光刻技术及 ICP 深刻蚀工艺技术 的研究 李群庆*, 张立辉, 陈墨, 范守善 清华大学物理系清华-富士康纳米科技研究中心, 北京 100084 * E-mail: 收稿日期: 2008-10-16; 接受日期: 2009-03-02 国家重点基础研究发展计划(“973”计划) (批准号: 2007CB935301)资助项目 摘要 对 100 kV 高压电子束光刻系统的曝光工艺进行了系统研究, 针对正性电子束抗
2、蚀剂 ZEP520A 进行了工艺参数的优化, 在具有合理厚度、 可供后续加工的光刻胶上获得了占空比为1:1, 线宽为50 nm的光栅图形. 针对ICP刻蚀工艺进行了深入研究, 探讨了刻蚀腔体气压、电极功率、气体流量等工艺参数对刻蚀效果的影响, 最终在硅基底上获得了线宽为 100 nm, 占空比为 1:1, 深度为 900 nm 的光栅图形, 光栅的边壁波纹起伏小于 5 nm. 100 nm 以下深硅刻蚀技术的发展, 有利于工作区域在可见光范围的纳米光学器件的制备. 关键词 电子束光刻 ZEP520 电子抗蚀剂反应离子刻蚀 纳米加工 随着微电子集成度的不断提高, 带动了微纳加工能力的不断进步,
3、同时也使得多个学科与纳米科技交叉, 进入到纳米时代, 其中以光学领域的变化尤为引人注目. 传统的光学光刻技术和光学成像技术已经突破光学衍射极限, 与光相互作用的结构和器件的特征尺寸已经从波长量级进一步减小到纳米(nm)量级, 使得微光学的发展过渡到纳米光学和亚光波长光学阶段. 而先进的光刻技术1、刻蚀技术和薄膜技术则占据纳米光学的核心位置, 是实现理论设计思想和器件集成应用的前提. 纳米光学元件主要是周期性结构、 半周期性结构, 如光栅(密集线条结构)、波带片(环状结构)、 光子晶体(周期性孔状结构). 这些纳米结构通常要求在较大的区域内有相当好的均匀性及误差控制, 同时纳米光学器件还具有高深
4、宽比的特性, 因此对光刻技术和后续工艺都提出了相当高的要求. 亚波长光栅在纳米光学领域有着极为重要的作用, 其结构由超长密集纳米线条组成, 通常需要长度达几个毫米以上, 且线条宽度小于200 nm, 占空比达到 1:1. 电子束直写曝光系统具有易于控制、 精度高、灵活性大的特点, 成为当今纳米结构研究的重要制备工具2. 目前一般实验室条件下使用的纳米级电子束光刻系统由于受到加工稳定性(电子束漂移)和电子束曝光效率低等因素的影响, 主要用于小范围的图形加工, 比较难应用于大面积、长而直的结构图形的曝光. 国际上加工亚波长光栅等复杂结构的元器件主要通过X射线曝光手段实现. 但由于X射线目前还难实现
5、扫描图形曝光, 通常只能用于复制曝光, 而电子束曝光用的掩模(通常是在硅片上制造出薄膜衬底的金属吸收体掩模图形)依然需要电子束曝光系统技术来制备. 因此, 在实验室条件下对电子束直写曝光工艺技术在纳米结构加工领域的应用研究仍然十 1047 李群庆等: 纳米级电子束光刻技术及 ICP 深刻蚀工艺技术的研究 分重要. 硅深刻蚀工艺在尺寸为微米量级的MEMS器件的制备中得到广泛的应用. 但当沟槽宽度为几百纳米时, 利用反应离子刻蚀工艺制备高深宽比的硅基结构在工艺中存在相当的困难. 采用电感耦合等离子体源(ICP)设备及 BOSCH工艺可以帮助制备陡直性很好的沟槽结构, 已经有多个研究组报道利用BOS
6、CH工艺制备沟槽宽度在 200 nm到微米量级的结构37. 但是这种工艺的缺点则在于刻蚀后容易产生沟槽尺寸大于掩模图形的尺寸, 同时侧壁的平滑度较差. 目前报道的用BOSCH工艺实现的侧壁表面波纹起伏在 20 nm左右8. 本文重点针对 100 kV 电子束光刻系统的曝光工艺进行深入的研究, 特别是针对密集图形这一难度较高的纳米结构在正性电子束抗蚀剂情况下的曝光参数进行了优化, 在刻蚀工艺需要的抗蚀剂厚度上获得了高精度纳米光栅结构, 使得后续加工工艺可以顺利开展. 同时针对 ICP刻蚀工艺进行了深入研究, 获得了周期为 200 nm, 深宽比为 9:1, 侧壁平滑度为5 nm 的硅基光栅结构.
7、 1 实验条件 本文中采用的衬底材料为硅单晶基底材料. 首先将正性电子束胶 ZEP520A 旋涂在衬底上, 涂胶速率 25007500 r/min, 旋涂时间 60 s, 然后用热板在180前烘120 s以去除其中的有机溶剂. 电子束曝光使用的设备是日本电子公司的 100 kV-JBX6300FS 系统, 通常采用的曝光束流为100500 pA. 曝光后用乙酸正戊酯显影 90 s, 异丙醇定影 30 s . 电子束曝光、显影后, 利用氧等离子体去除样品上的底膜, 保证在曝光区域没有残余的光刻胶. 然后利用 ICP 刻蚀系统(日本 Anelva 公司的 Helicon 型号刻蚀系统)将曝光图形转
8、移到硅基底上. 实验中选择的参数变化范围: 射频功率 250500 W; 基板自偏置功率 511 W; 刻蚀气体 SF6 流量 20100 sccm, 刻蚀周期 26 s; 保护气体 C4F8 流量 20100 sccm, 沉积周期 211 s; 气压 0.61.0 Pa. 最后利用丁酮去胶. 电子束抗蚀剂胶层厚度采用椭偏仪测定. 曝光结果及刻蚀结果利用荷兰 FEI 的 Sirion200 扫描电镜进行观测及分析. 2 电子束光刻工艺研究 2.1 电子束光刻系统 电子束曝光过程中, 通过增加加速电压, 可以有效的减小电子束的前散射和背散射电子对抗蚀剂成像的影响, 从而有效抑制由于电子散射造成的
9、临近效应, 有利于高深宽比超微细结构图形的加工. 最高电子加速电压为 100 kV 的 JBX-6300FS 电子束曝光系统是一部典型的矢量扫描圆形电子束曝光系统, 采用高亮度 ZrO/W 肖特基热场发射电子枪, 以及四级电子束聚焦系统. 该系统表现为工作效率较高, 具有极高的稳定性, 可以长时间连续工作并保证加工样品的均匀性. 它的工作方式有两种: 快速模式(4th 透镜)和纳米光刻模式(5th 透镜). 两种模式下扫描主频均可达 12 MHz, 但扫描场大小不同. 如在100 kV, 4th 透镜的扫描场最大为 500 m500 m, 而5th 透镜的扫描场只有 62.5 m 62.5 m
10、, 相应最小扫描步距则分别为 1 nm 和 0.125 nm. 曝光时步距的设定受扫描主频的限制, 为使曝光图形的边缘平滑应在主频允许下选择尽量小的步距. 通常来说, 电子束的束斑大小决定了曝光最细设计线宽, 设计线宽应至少为束斑的 3 倍以上9. 本系统的最小束斑约为 2 nm, 而在 50 nm厚的ZEP520A电子抗蚀剂上我们可以获得的最细线宽为 8 nm, 这也是此系统的极限线宽. 由于电子束的束斑大小和束流大小、光阑大小等直接的相关, 而束流大小、步距等又决定了曝光时间的长短, 因此, 工作时需要综合考虑决定采用的束流及工作模式. 图 1 分别为 100 kV两种工作模式下电子束束斑
11、随束流变化的情况. 可以看出, 在 5th透镜时利用 25 m的物镜光阑, 电子束束斑最小约为 2 nm, 而在 4th透镜时则需采用 60 m的物镜光阑, 电子束束斑最小约为6 nm, 并且这一束斑大小在一定束流范围内都比较稳定. 2.2 正性抗蚀剂 ZEP520A 的工艺条件研究 ZEP520A是一种分辨率很高的非化学放大正性电子抗蚀剂10. 与PMMA相比, 它的灵敏度更高11, 曝光速度快 3 倍12. 由于ZEP520A具有较强的抗刻蚀能力, 可以直接将其曝光显影后的抗蚀剂图形作为掩模进行干法刻蚀, 将转移到衬底上, 因此是最为 1048 中国科学 E 辑: 技术科学 2009 年
12、第 39 卷 第 6 期 图图 1 电子束束斑与束流大小的关系电子束束斑与束流大小的关系 (a) 第四级透镜工作时; (b) 第五级透镜工作时 常用的正性电子束抗蚀剂之一, 对它的曝光特性的研究对于精细图形的加工非常必要. 在电子束曝光研究中, 由于电子束临近效应的影响, 设计图形的形貌与实际曝光显影后得到的图形会有一定的偏差. 这一偏差值与图形结构、 尺寸以及曝光剂量密切相关, 准确掌握这一偏差对于设计意图的最终实现尤为重要, 这就是电子束曝光邻近效应几何修正或剂量校正技术. 我们对设计图形占空比为 1:1, 长度为 1 cm的密集线条进行了多次曝光实验, 结果显示, 对于涂胶速率 5500
13、 r/min(胶厚 330 nm)来说, 当设计图形线宽为100 nm时, 只有当曝光剂量达到 200 C/cm2, 图形才可以得到完全曝光, 这一曝光剂量明显比 50 kV电子束曝光机曝光同一尺寸图形所需曝光剂量大. 这是由于高压电子束的穿透能力强, 因而前散射及背散射相应变小导致13. 表 1 中列出了不同设计线宽时所需最小剂量, 以及曝光图形的实际线宽. 可以看出, 当束流较小(100 pA), 使用最小剂量时, 设计图形与实际图形的偏差基本在20 nm左右, 这一数值相对50 kV 电子束曝光机也要小得多14. 这一偏差随着曝光剂量的增加, 也会有相应的增加. 实验中还发现, 对百纳米
14、以下图形的曝光, 曝光条件较为苛刻, 曝光窗口很窄. 曝光剂量不宜过小, 否则曝光量不足导致欠曝光, 显影时抗蚀剂不能显到底或图形不可分辨. 但曝光剂量稍大则过曝光, 显影后线条变窄容易坍塌. 当目标线宽/间距(L/S)为 70 nm/ 70 nm 时, 首先可以调整设计图形的 L/S 为 50 nm/ 90 nm, 同时曝光剂量区间只能选择 280320 C/cm2. 图 2 清晰的显示了随着曝光剂量的增加, 曝光图形的变化. 表表 1 不同尺寸的孤立线条及密集线条在不同曝光剂量时的实际线宽不同尺寸的孤立线条及密集线条在不同曝光剂量时的实际线宽, 号表示在此剂量下图形无法完全曝光号表示在此剂
15、量下图形无法完全曝光 剂量/Ccm2 设计线宽/nm 结构 200 240 280 320 360 400 孤立线条 30 密集线条 50 孤立线条 88 94 50 密集线条 70 73 孤立线条 95 111 118 123 70 密集线条 90 94 105 110 118 孤立线条 122 128 140 145 145 151 100 密集线条 120 118 122 138 149 150 孤立线条 220 240 240 262 260 260 200 密集线条 208 225 237 241 237 252 1049 李群庆等: 纳米级电子束光刻技术及 ICP 深刻蚀工艺技术的
16、研究 图图 2 图形设计为图形设计为 L/S: 50 nm/90 nm 时时, 不同曝光剂量下获得的图形不同曝光剂量下获得的图形 (a) 200 C/cm2; (b) 240 C/cm2; (c) 280 C/cm2; (d) 320 C/cm2; (e) 360 C/cm2; (f) 400 C/cm2 后续的实验显示, 当我们改变胶厚时, 不同设计线宽所需最小剂量也有所改变, 如表 2 所示. 在不同的抗蚀剂灵敏度和抗蚀剂厚度的条件下, 对于某固定厚度的抗蚀剂存在着分辨率工艺极限, 所以也不能完全通过调整工艺参数, 准确调节曝光系统等手段来无限制提高曝光分辨率. 例如使用 330 nm 厚
17、的ZEP520A 胶, 在快速模式下(4th 级透镜)只能实现 70 nm 密集线条的曝光, 更换至纳米模式下(5th 级透镜), 减小电子束束斑, 也只能实现 50 nm 密集线条的曝光. 要想进一步提高工艺分辨能力, 需要减小抗蚀剂的厚度. 根据以上曝光实验的结果, 我们为了得到目标图形, 在设计图形时就应适当调整图形的尺寸. 根据曝光图形与设计图形的偏差, 在设计时, 调整光栅尺寸的 L/S 为 70 nm/110 nm, 曝光剂量采用 240 C/cm2, 成功获得了线宽为 90 nm, 周期为 180 nm 的 ZEP520胶的密集线条图形. 如图 3(a)可以看出曝光及显影充分,
18、线条的陡直度很好; 如图 3(b)可以看出为达到线宽/间距(L/S)为 50 nm/50 nm, 1:1 占空的光栅图形, 则 L/S 应设计为 30 nm/70 nm, 并且曝光剂量只能选择为在 400 C/cm2. 表表 2 不同尺寸的孤立线条及密集线条在不同胶厚不同尺寸的孤立线条及密集线条在不同胶厚, 所需的最小曝光剂量以及在此剂量获得的实际线宽所需的最小曝光剂量以及在此剂量获得的实际线宽, 号表示在此厚度下胶图形无法完全曝光号表示在此厚度下胶图形无法完全曝光 胶原 剂量/线宽 7500 rmin1/285 nm 6500 rmin1/308 nm 5500 rmin1/330 nm 2
19、500 rmin1/486 nm 设计 30 nm 孤立线条 设计 30 nm 密集线条 (L/S 30 nm/70 nm) 340 C/52 nm (n-mode) 400 C/50 nm (n-mode)400 C/50 nm (n-mode) 设计 50 nm 孤立线条 280 C/70 nm 280 C/75 nm 360 C/80 nm 280 C/75 nm 设计 50 nm 密集线条 (L/S 50 nm/90 nm) 240 C/60 nm 280 C/67 nm 280 C/70 nm 280 C/70 nm 设计 70 nm 孤立线条 240 C/90 nm 240 C/9
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- 纳米 电子束光刻 技术 icp 深刻 工艺技术 研究
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