微納加工課件

1、一、側(cè)壁沉積法二、橫向軸減法三、橫向添加法四、垂直抽減法五、納米球陣列法六、多步加工法七、超級分辨率法1第九章 間接納米加工技術(shù)光刻技術(shù)：包括光學(xué)曝光、電子束、離子束、掃描探針、壓印技術(shù)、微接觸印刷技術(shù)等。此加工技術(shù)有一個共同點即加工結(jié)構(gòu)或者圖形的最小尺寸直接決定于各種光刻技術(shù)的分辨率。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)也會對最后的尺寸結(jié)構(gòu)有所影響，但圖形轉(zhuǎn)移也是以光刻形成的掩膜為依據(jù)的。間接技術(shù)：意指非直接光刻技術(shù)，圖形結(jié)構(gòu)的分辨率不決定于某種光刻的分辨率。例如：當(dāng)無法用電子束或者光學(xué)直接曝光實現(xiàn)小于10nm的線條圖形，可以先加工一個寬線條圖形，然后從線條兩邊一點一點的挖除，直到線條寬度小于10nm。這也是所謂的

2、間接方法。引言2間接加工技術(shù)的優(yōu)缺點：間接加工技術(shù)不是顯而易見的“光刻+圖形轉(zhuǎn)移”的加工技術(shù)，而是比較復(fù)雜的、通常涉及多道工藝環(huán)節(jié)的加工技術(shù)。間接加工技術(shù)通常不像直接加工技術(shù)那樣具有普適性和靈活性；間接加工技術(shù)一般很難制作任意形狀的圖形結(jié)構(gòu)；34一、側(cè)壁沉積法側(cè)壁光刻1、定義2、應(yīng)用所謂側(cè)壁沉積法，是通過向側(cè)壁沉積薄膜材料的方法制作窄細線條結(jié)構(gòu)，通常又稱為側(cè)壁光刻或邊緣光刻。51、定義側(cè)壁沉積法的加工過程： (a) 用傳統(tǒng)光刻與硅刻蝕方法制作大尺寸的支撐結(jié)構(gòu)（b）在支撐結(jié)構(gòu)外表面沉積一層二氧化硅薄膜材料（c）將支撐結(jié)構(gòu)頂部與底部的二氧化硅薄膜通過刻蝕清除（d）將刻蝕溝槽用光刻膠填平（e）氧等離

3、子體輕度刻蝕光刻膠，僅將凸起結(jié)構(gòu) 頂部的光刻膠去除，暴露出新鮮硅表面（f）硅刻蝕，將二氧化硅側(cè)壁包圍的硅除去（g）用等離子體將光刻膠去除，獲得僅由二氧化硅側(cè)壁組成的圖形62、應(yīng)用右圖是用這一工藝獲得的高深寬比二氧化硅結(jié)構(gòu)，最小線寬可以做到25nm，高達700nm72、應(yīng)用側(cè)壁沉積法制作的線條結(jié)構(gòu)的線寬不決定于光刻的分辨率，而決定于側(cè)壁薄膜的厚度，因此稱為側(cè)壁光刻。成功實現(xiàn)側(cè)壁光刻需要滿足兩個條件：一、要保證支稱結(jié)構(gòu)的側(cè)壁足夠垂直，這樣清除頂部薄膜時不會損傷側(cè)壁的薄膜二、在腐蝕去除支撐結(jié)構(gòu)材料時刻蝕或腐蝕化學(xué)對薄膜材料無影響，這樣才能保證在清除支撐結(jié)構(gòu)時薄膜結(jié)構(gòu)能完整保留下來。82、應(yīng)用9側(cè)壁光

4、刻最初的工藝是光刻膠制作支撐結(jié)構(gòu)，用PECVD技術(shù)在光刻膠結(jié)構(gòu)上沉積SiO2薄膜，用RIE（CF4氣體）去除頂部的SiO2薄膜，最后用氧等離子體去除光刻膠支撐結(jié)構(gòu)。后來進行改進免去了SiO2薄膜沉積環(huán)節(jié)，而對光刻膠結(jié)構(gòu)進行硅烷基化處理。硅烷基化工藝是通過化學(xué)反應(yīng)將硅原子植入光刻膠表層的工藝，經(jīng)過處理后的光刻膠能夠有效阻止氧等離子體的刻蝕。通過控制工藝條件可以有效控制硅原子在光刻膠層的擴散深度。最后形成的結(jié)構(gòu)是摻有硅原子的光刻膠結(jié)構(gòu)，它可以作為反應(yīng)離子刻蝕掩膜而將線條圖形繼續(xù)轉(zhuǎn)移到襯底材料上。2、應(yīng)用側(cè)壁光刻技術(shù)自從報道以來一直被沿用至今，基本原理沒有變化，唯一變化的是不同的支撐材料與薄膜材料的

5、組合，但無論何種材料組合只要滿足前述兩條件，均可以實現(xiàn)側(cè)壁光刻。優(yōu)：側(cè)壁光刻是一種低成本制作納米圖形結(jié)構(gòu)的方法，盡管制做程序要比直接光刻方法復(fù)雜一些。缺點;側(cè)壁光刻法制作的圖形形狀受到支撐圖形的限制。工藝過程的說明103、優(yōu)缺點（a）通過反應(yīng)離子刻蝕硅形成硅的錐形支撐結(jié)構(gòu)（b）沉積金屬薄膜（c）將附有金屬薄膜的錐體用光刻膠掩埋（d）通過反應(yīng)離子刻蝕將頂層的光刻膠剝離，使其只露出錐尖部分（e）作為支撐結(jié)構(gòu)的硅全部腐蝕清除，留下開口的金屬錐形結(jié)構(gòu)上圖為該工藝過程的說明11 線條圖形是最容易由側(cè)壁光刻法實現(xiàn)的圖形。 也可以形成其他的圖形，但需要巧妙設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)圖形。如果支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)壁不垂直，可以將側(cè)

6、壁的薄膜保護起來。保護的方法之一是將支撐結(jié)構(gòu)掩埋，只留出頂部供刻蝕。如下圖12二、橫向抽減法1、定義2、應(yīng)用3、目的4、其他方法13橫向抽減加工方法： 橫向抽減法是將一個寬圖形從兩側(cè)逐漸抽減使之最后變成窄圖形的方法。 利用化學(xué)濕法腐蝕的各向同性和反應(yīng)離子刻蝕的部分各向同性，是實現(xiàn)橫向抽減的一種有效途徑。使用這一技術(shù)的關(guān)鍵是要盡可能使刻蝕達到各向同性，即達到盡可能顯著的橫向刻蝕。1、定義硅線條在RIE（反應(yīng)離子刻蝕）過程的演變 RIE方法制作的納米硅尖陣列由上可以看出隨著時間的增加，一方面刻蝕的深度增加，另一方面圖形頂部的橫向尺寸減小。2 、應(yīng)用14這是另一種橫向抽減方法是：通過氧化將一部分硅轉(zhuǎn)

7、化為二氧化硅，然后利用化學(xué)濕法腐蝕將二氧化硅部分腐蝕掉，從而形成尖細的硅結(jié)構(gòu)。常使用的腐蝕材料是氫氟酸，由于刻蝕深度有限，故需要多次進行“氧化腐蝕”的循環(huán)過程。反之，也可以將硅腐蝕，保留二氧化硅，形成非常窄細的溝道。氧化削尖工藝過程2 、應(yīng)用1516 橫向抽減法希望刻蝕或者腐蝕過程盡可能各向同性，但各向異性的濕法腐蝕也可以通過巧妙的設(shè)計腐蝕方法來實現(xiàn)橫向抽減的間接加工。例如KOH對硅的腐蝕是各向異性的，腐蝕速率與晶面指數(shù)有關(guān)，通過設(shè)計特殊的掩模圖形可以實現(xiàn)所要求的納米結(jié)構(gòu)。3 、目的 我們也可以通過“修剪”的方法來將寬粗結(jié)構(gòu)變?yōu)檎毥Y(jié)構(gòu)。其中聚焦離子束（FIB）是一種最好的，最靈活的微納米修剪

8、技術(shù)。FIB既可以實現(xiàn)微納米尺度的濺射刻蝕，也可以實現(xiàn)微納米尺度的濺射沉積。FIB最成功的例子是修剪計算機硬盤的讀寫磁頭。 其他一些方法可以在不改變光刻分辨率的情況下獲得高分辨率的圖形結(jié)構(gòu)。例如巧妙運用正型光刻膠與付型光刻膠的顯影特性的差別，可以實現(xiàn)遠小于光學(xué)曝光分辨率的圖形。 窄細結(jié)構(gòu)的電極在量子電子學(xué)研究和生物學(xué)中單分子行為的研究中具有廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的間隙一般要求在10nm以下，傳統(tǒng)的光刻與刻蝕技術(shù)很難獲得如此小的電極間隙。一般，我們可以通過橫向抽減法和橫向添加法來獲得。4 、其他方法1718三、橫向添加法1、定義2、應(yīng)用3、工藝流程橫向添加法是獲得窄細的間隙結(jié)構(gòu)的一種間接加工方法。

9、 傳統(tǒng)的方法是電子束曝光+反應(yīng)離子刻蝕或者聚焦離子束方法。 所謂的橫向添加法就是從一個寬帶間隙開始，通過沉積的方法不斷從兩端橫向添加材料，使得寬的間隙變窄。 通過控制間隙的起始量和材料的沉積量，可以使間隙縮小到只有23nm。最精確也是最靈活的方法是聚焦離子束或者聚焦電子束輔助沉積。聚焦電子束的沉積結(jié)果更準(zhǔn)確但效率較低。1、定義1920（1）利用類似的技術(shù)可以用來縮小孔的直徑。步驟：薄膜沉積，孔縮小的程度與薄膜沉積的厚度有關(guān)； 通過各向異性刻蝕去除襯底表面和孔底的薄膜； 圖形轉(zhuǎn)移。（2）利用這一個技術(shù)也可以密封的溝道。步驟：通過各向異性刻蝕獲得矩形溝槽； 通過各向同性刻蝕將矩形溝槽變成圓形截面溝

10、槽； 薄膜沉積，保護溝槽的開口 通過原子層沉積（ALD）填充溝槽內(nèi)壁，隨著沉積 層的加厚，最后將溝槽封死。2、應(yīng)用A、傳統(tǒng)直接加工方法得到的初始間隙B、通過材料沉積獲得的縮小的間隙二、非光刻間接方法縮小孔直徑的加工工程一、通過橫向添加材料縮小間隙的方法3、工藝流程C、聚焦電子束輔助沉積將120nm間隙縮小為5nm211、定義2、工藝步驟3、原料要求4、應(yīng)用及優(yōu)勢四、垂直抽減法22垂直抽減加工方法： 基于與側(cè)壁沉積間接加工相反過程實現(xiàn)納米尺度結(jié)構(gòu)的間接加工。側(cè)壁沉積 以沉積的薄膜作為最后的圖形結(jié)構(gòu)，而支撐結(jié)構(gòu)在最后一步加工中被清除。垂直抽減則是將側(cè)壁的薄膜刻蝕清除，以清除后留下來的間隙作為最后的

11、圖形結(jié)構(gòu)。1、定義23步驟：1、低分辨率光刻技術(shù)（支撐結(jié)構(gòu)）2、熱氧化工藝（表面轉(zhuǎn)化二氧化硅）3、PECVD工藝（表面沉積氮化硅）4、化學(xué)機械拋光工藝（表面平整化）5、反應(yīng)離子刻蝕方法（清除多余部分）2、工藝步驟24表面轉(zhuǎn)化SiO2 熱氧化工藝支撐結(jié)構(gòu) 低分辨率光刻技術(shù)表面平整化 化學(xué)機械拋光工藝表面沉積Si3N4 PECVD工藝 清除多余部分 反應(yīng)離子刻蝕方法2、工藝步驟示意圖25這一間接加工技術(shù)已經(jīng)被用來制作納米流體器件，納米流體通道寬度可以很容易地做到小于100nm。垂直抽減法的關(guān)鍵是要求支撐材料與沉積材料的刻蝕化學(xué)不兼容，即刻蝕其中一種材料對其余材料無損傷。3、材料要求及應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢2

12、6垂直抽減+堿性腐蝕各向異性利用單晶硅在堿性腐蝕液中的腐蝕是各向異性的特點在SOI硅片上可以控制當(dāng)“V”形槽的錐底剛好在到達二氧化硅夾層時停止腐蝕。從反面實施硅深刻蝕，將硅的“把手層”去除，并刻蝕清除二氧化硅夾層，正面的“V”形槽的尖錐頂就變成了一個透明孔。小孔27 這種技術(shù)已經(jīng)用來制作沉積加工用的納米陰影掩膜，并獲得最小100nm的沉積圖形。這種小孔的制作不涉及任何高分辨率光刻設(shè)備，制作成本大大降低。優(yōu)勢28垂直抽減+分子束外延法 分子束外延技術(shù)交替生長GaAs與AlGaAs,形成超薄層異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，然后將生長層部分斷開，如圖所示，在斷口部分暴露出異質(zhì)材料的交替生長層面。 GaAs與AlGa

13、As的特點是它們可以分別不同的酸性腐蝕液腐蝕。例如，用檸檬酸與雙氧水混合液（5:1）腐蝕GaAs而不會影響AlGaAs，用稀釋的氫氟酸腐蝕AlGaAs而不會影響GaAs。29優(yōu)勢利用這一特性可以將交替生長層中的一種材料腐蝕清除而保留另一種材料，形成高密度納米線條結(jié)構(gòu)。這些線條的寬度只與MBE生長層的厚度有關(guān)。用這種技術(shù)可以間接制作出間隙只有23nm寬的分離電極結(jié)構(gòu)，還制作出只有6nm間距的納米壓印印模。301、定義2、工藝步驟3、納米球陣列掩膜4、優(yōu)勢與局限五、 納米球陣列法31納米球陣列法是利用自組裝技術(shù)在在襯底表面形成規(guī)則排列的聚苯乙烯納米小球陣列。這些尺寸均勻一致的小球鋪在襯底材料表面，

14、在球與球之間的間隙會形成規(guī)則的點陣圖形。當(dāng)向納米球覆蓋的表面進行熱蒸發(fā)沉積金屬薄膜時，蒸發(fā)材料的分子只能通過球與球之間的間隙沉積到襯底材料表面。納米球陣列起到了掩膜的作用。1、定義2、工藝步驟納米球陣列掩膜制作點陣結(jié)構(gòu)的過程包括：納米球自組裝、蒸發(fā)鍍膜、去除納米球掩膜層等步驟。321、納米球自組裝：利用普通甩膠機將含有納米球的懸浮 液旋轉(zhuǎn)涂覆到樣品表面，通過納米球間液體毛細管作用 形成規(guī)則排列，形成納米球陣列掩膜。2、蒸發(fā)金屬鍍膜。鍍膜厚度為1020nm。3、酸中溶解 將鍍膜后的樣品放在氯乙酸中，將聚苯乙烯納米球溶解， 最后在襯底材料表面留下納米金屬點陣。2、工藝步驟33圖示金屬點陣如圖所示，

15、這些只有幾十個納米的金屬點陣可以用于量子點器件、高密度磁存儲器件等應(yīng)用。34納米球陣列可以做刻蝕掩膜，將納米球陣列的間隙圖形轉(zhuǎn)移到襯底材料上，此處需要二氧化硅納米球陣列做掩膜，刻蝕形成納米孔的點陣。二氧化硅納米球陣列還可以作為微透鏡陣列。每一個二氧化硅都是一個球形透鏡，可以將入射光匯聚成一點。納米球陣列刻蝕掩膜35將二氧化硅小球排列在光刻膠層上，入射光進入球透鏡陣列會聚對光刻膠曝光，顯影后在光刻膠上形成孔陣列。小孔的大小不僅與球透鏡會聚光斑的大小有關(guān)，還與曝光劑量有關(guān)。如用0.97微米直徑的二氧化硅小球和365nm波長紫外光可以在光刻膠上得到250nm的孔陣列。若要制作100nm以下的孔陣列，

16、需要用深紫外波長的光源曝光。納米球陣列刻蝕掩膜36如圖所示，如果不是垂直輻照，而是以一定角度入射，并沿空間一定方向掃描，則曝光得到的圖形不是點陣而是短線條陣列。這一技術(shù)最吸引人之處是它的制作過程簡單與低成本，不需要任何復(fù)雜高昂的曝光設(shè)備。但局限性也很大，點的直徑與點陣的周期均受到納米球直徑的限制。4、優(yōu)勢與局限37六、多步加工法1、定義2、工藝步驟3839 多步加工是指通常只需要一步加工制作的微納米圖形結(jié)構(gòu)，由于加工分辨率的限制無法用一步加工實現(xiàn)，于是將一步加工分解成多步加工。1、定義 本節(jié)多步加工法是針對高密度圖形難以實現(xiàn)的高分辨率的矛盾所提出的解決辦法。 其實，單一的或稀釋的高分辨圖形并不

17、難實現(xiàn)，最難制作的是高密度的精細圖形。 原因：當(dāng)時圖形彼此之間靠的很近時，光學(xué)曝光中的光波的衍射或電子束曝光中電子的散射會導(dǎo)致密集圖形之間的相互影響。因此單一或稀疏的圖形的尺度已經(jīng)不能真實反映大規(guī)模集成電路加工的難度，而需要采用“半周期”的尺度來衡量集成電路的集成度。 目前最新一代的最小周期尺寸已達到32nm，進一步縮小周期尺寸已經(jīng)遭到光學(xué)曝光理論上和實踐上難以逾越的障礙。多步加工方法則提供了一條克服這些障礙的途徑。 多重加工的優(yōu)點：可以繼續(xù)用大部分傳統(tǒng)投影光學(xué)曝光技術(shù)與工藝。40兩步法制作圖形密度加倍的硅納米線條結(jié)構(gòu)實驗步驟： 1.先制作低密度的二氧化硅圖形。(a)2.用CVD方法制備沉積氮

18、化硅層，將二氧化硅圖形結(jié)構(gòu)埋起來。(b)3.用CMP方法將頂層的氮化硅磨去，暴露出原來制備的二氧化硅結(jié)構(gòu)。(c)4.將二氧化硅結(jié)構(gòu)刻蝕消除，留下來是氮化硅結(jié)構(gòu)。(d)412、工藝流程42結(jié)果分析：此時的氮化硅結(jié)構(gòu)的密度已是原來二氧化硅結(jié)構(gòu)的2倍。通過反應(yīng)離子刻蝕將氮化硅圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到襯底上就得到了比原來二氧化硅掩模圖形加倍的硅圖形結(jié)構(gòu)。利用這一技術(shù)已經(jīng)成功地獲得了100nm半周期的密集圖形。七、超級分辨率法431、定義2、工藝步驟44利用光學(xué)曝光的光強部分或電子束曝光部分的電子束流密度分布特性得到比普通曝光較高的分辨率的方法。 1、定義接觸式光學(xué)曝光技術(shù)45 當(dāng)掩模與光刻膠表面嚴密接觸時，光刻

19、膠上的光強分布如右圖中的虛線分布形狀。 它是一種無衍射的近場光強分布，其寬度與掩模圖形寬度一致。但如果掩模離開光刻膠表面一定距離（圖中所示為1um),光的衍射使光強分布變化,如圖中的實線分布形狀，其分布寬度在不同光強水平是不一樣的。 如果控制光刻膠的靈敏度(感光度)，使其僅在高光強水平感光，則有可能得到比掩模圖形小得多的光刻膠曝光圖形。圖中掩模圖形的寬度是1um，而在光強大于1.0的感光水平，得到的光刻膠圖形的寬度可以小于300um。 46 在這種超級分辨的概念很早就被 用來實現(xiàn)“以大變小”的間接加工。圖9.25顯示了由開口為152nm的X射線的掩模圖9.25(a)得到線條寬度為61nm的曝光

20、圖形圖9.25(b)。能做到這一點的訣竅是控制掩模的距離X射線抗蝕劑顯影時間。 如以上圖9.24所示，調(diào)整掩模高度可以改變抗蝕劑表面的X射線能量分布形狀。調(diào)整曝光劑量或顯影時間則可以使抗蝕劑僅在某一水平的能量被曝光，而曝光圖形寬度僅與該水平的能量分布寬度有關(guān)。2、工藝流程 使用低靈敏度抗蝕劑可以達到同樣效果。在上圖的例子中使用X射線抗蝕劑是SAL601化學(xué)放大型負型抗蝕劑。獲得61nm曝光線條寬度的顯影時間為1min45s。如果顯影時間延長至2min，曝光線條可以進一步縮小到43-46nm。延長曝光時間等效于負型抗蝕劑僅在高端能量曝光，其能量分布亦較窄。正型膠則相反，需要縮短顯影時間。通過調(diào)節(jié)

21、調(diào)整曝光劑量可以改變干涉曝光光線條的寬度和周期。 472、工藝流程48 另一種產(chǎn)生超分辨曝光 效果的途徑是”吸收調(diào)制光學(xué)曝光”技術(shù)（AMOL）。 AMOL技術(shù)的基礎(chǔ)是某些光致變色材料，如偶氮苯、二芳烯只在特定的光照下變色，在另外的波長退色。如果用一個環(huán)形或“夾心”光源，即外環(huán)光的波長為L1，中心光的波長為L2,L1光使材料變色（變透明為不透明），L2光使材料退色（變不透明為透明）。 該”夾心”光源照射這種光致變色材料時，由外環(huán)光與中心光的合成產(chǎn)生一個透明的孔，孔的直徑遠小于中心光的波長。中心光通過這個透明孔對光致變色 層下面的光刻膠曝光，可以產(chǎn)生遠小于中心光波長的曝光分辨率。如右圖2、工藝流程

22、 利用能量分布的寬窄控制曝光圖形的寬窄也是電子束曝光中常用的技術(shù)。這是因為能使低靈敏度抗蝕劑曝光的只有電子束分布的高端部分，而呈高斯分布的電子束高端部分要比地段部分窄的多。曝光獲得的尺寸自然也窄的多。 同樣道理，如果以電子束單線掃描曝光線條圖形，曝光線條的寬度則與曝光的劑量有直接關(guān)系。曝光劑量越高，線條越粗。 因為在高的劑量下，電子束的高斯部分的低端也參與了抗蝕劑的曝光，而越低低端的高斯分布束直徑越大。當(dāng)然，顯影的時間越長越發(fā)揮重要的作用，短顯影時間與低試劑量曝光的作用是一樣的。492、工藝流程除了上述方法之外，巧妙地利用電子的散射效應(yīng)也可以實現(xiàn)超分辨率電子束曝光。通過單線掃描的電子束是相互重疊的，圖（a）中重疊的圓環(huán)所示。當(dāng)然實際的曝光線條可能不僅決定與束直徑，而且決定與曝光劑量和顯影條件。如果電子束掃描不是連續(xù)的，而是有意斷續(xù)，形成很小的間隙。如果曝光點的間隙足夠小，盡管電子束不連續(xù)也有可能在斷開出處產(chǎn)生曝光作用，因為電子束從兩側(cè)向斷開處的橫向散射造成的實際的曝光，或者解釋為電子束的高斯部分的低端拖尾將斷開處連接起來，形成連續(xù)線條，圖（b）所示。由于斷開處極弱的電子曝光作用，顯影后的抗蝕劑線條將正常曝光的線條細的多，實現(xiàn)了超分辨率的曝光。圖（c）是用上述方法得到的3nm的電子束的曝光線條圖形。要想成功實現(xiàn)這種超分