圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

納米結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)納米結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)物理方法化學(xué)方法圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)光學(xué)光刻技術(shù)非光刻圖形制備技術(shù)納米結(jié)構(gòu)的自組裝技術(shù)傳統(tǒng)方法Herecomesyourfooter2傳統(tǒng)的光學(xué)光刻技術(shù)光刻是制造半導(dǎo)體器件和集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，思路起源于印制技術(shù)中的照相制版，屬于平面工藝。光學(xué)平面印制工藝分為兩步：掩膜的制備和圖形的轉(zhuǎn)移。Herecomesyourfooter3傳統(tǒng)光刻技術(shù)遇到的困境：最小特征線寬（MinimumFeatureSize，MFS）決定不僅與曝光光源波長以及光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)，而且還與曝光材料等工藝細(xì)節(jié)有關(guān)：MFS=k1λ/NA式中：k1是為工藝因子；λ為曝光波長；NA為投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑。1）降低工藝因子(k1)：OAI（離軸照明）、PSM（移相掩模）及OPC（光學(xué)鄰近效應(yīng)校正）等2）縮短曝光波長(λ)：

436nm(g線)→365nm(i線)→248nm(KrF)→193nm(ArF)→157nm→NGL(下一代光刻術(shù))3）提高物鏡的數(shù)值孔徑(NA)：非浸沒式：0.28→0.42→0.48→0.60→0.68→0.75→0.78→0.82→0.85(極限)浸沒式：1.3(2003)→1.44(04-06)→1.64(2007)Herecomesyourfooter4新一代光刻技術(shù)和納米制造曝光波長限制了光學(xué)光刻技術(shù)向更小尺寸器件的應(yīng)用，進(jìn)入0.1μm以下的光刻必須采用新一代光刻技術(shù)，如X射線光刻(XRL)、極紫外光刻(EUVL)、電子束光刻(EBL)和離子束光刻(IBL)等。但是由于短波長光源的獲得，以及新的透鏡材料、更高數(shù)字孔徑光學(xué)系統(tǒng)的加工，還有大部分材料都強(qiáng)烈的吸收深紫外而被破壞，而且，光刻設(shè)備所花費(fèi)的巨大成本，均成為了光刻技術(shù)的瓶頸。Herecomesyourfooter5電子束光刻（ElectronBeamLithography）1在顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其研究始于20世紀(jì)60年代，由德意志聯(lián)邦共和國杜平根大學(xué)的G.Mollenstedt和R.Speidel提出2用電磁場將電子束聚焦成微細(xì)束輻照在電子抗蝕劑上，由于電子束可以方便地有電磁場偏轉(zhuǎn)掃描，所以可以將復(fù)雜的電路圖形直接寫到硅片上而無需掩模版.3優(yōu)點(diǎn)：高分辨、長焦深、無需掩模(即電子束直寫)、可以在計(jì)算機(jī)控制下直寫任意圖形；缺點(diǎn)：曝光速度慢；生產(chǎn)效率比較低；難以實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)準(zhǔn)和套刻4電子束光刻中使用的曝光機(jī)一般有兩種類型：直寫式與投影式。直寫式就是直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上，不需要光學(xué)光刻工藝中最昂貴和制備費(fèi)時(shí)的掩模；投影式則是通過高精度的透鏡系統(tǒng)將電子束通過掩模圖形平行地縮小投影到表面涂有光刻膠的襯底上。Herecomesyourfooter6幾種電子束曝光系統(tǒng)的性能Herecomesyourfooter7極紫外光刻和X射線光刻采用波長在0.1~10nm的X射線或者波長在10~70nm的軟X射線（即紫外光）進(jìn)行光刻，縮小特征線寬的極限；傳統(tǒng)的透鏡對(duì)極紫外光不是透明的，也不能聚焦X射線，而其能量輻射會(huì)很快地破壞掩模和透鏡用的材料；最顯著的特點(diǎn)是采用Mo/Si多層材料構(gòu)成布拉格反射器，而非傳統(tǒng)光學(xué)光刻中的球面透鏡，用做掩模的材料是可以吸收極紫外線的TaN,Cr,W等；XRL的優(yōu)點(diǎn)：高分辨力；大焦深和大像場等；分辨力可達(dá)40nm，它可用于UL-SI、納米加工和MEMS等。XRL的缺點(diǎn)：采用大型的、昂貴的同步加速器，巨額耗資，對(duì)量產(chǎn)IC工藝難以接受；高集成的1倍掩模版難制作；與光學(xué)光刻機(jī)相比，生產(chǎn)效率極低。制作所需的設(shè)備將是非常昂貴Herecomesyourfooter8離子束光刻技術(shù)離子束光刻(IPL)的研究始于20世紀(jì)70年代，它是將離子源(氣體或液態(tài)金屬)發(fā)出的離子通過多極靜電離子透鏡，將掩模圖像縮小后聚焦于涂有抗蝕劑的片子上，進(jìn)行曝光和步進(jìn)重復(fù)操作。IPL的優(yōu)點(diǎn)：離子束曝光基本上不存在鄰近效應(yīng)，故有比電子束光刻更高的分辨力；在同樣能量下，感光膠對(duì)離子的靈敏度要比電子高數(shù)百倍。IPL的缺點(diǎn)：液態(tài)金屬離子源發(fā)射的離子具有較大的能量分散，而聚焦離子束系統(tǒng)所采用的靜電透鏡具有較大的色差系數(shù)，色差會(huì)影響離子束聚焦；由于離子的質(zhì)量大，在感光膠中的曝光深度有限，故限制了離子束曝光的應(yīng)用范圍。Herecomesyourfooter9原子光刻技術(shù)原子光刻技術(shù)(AL)是貝爾實(shí)驗(yàn)室G.Timp等人最早提出的，它是利用激光梯度場對(duì)原子的作用力來改變?cè)邮髟趥鞑ミ^程中的密度分布，使原子按一定規(guī)律沉積在基板上，在基板上形成納米級(jí)的條紋、點(diǎn)陣或所需要的特定圖案。AI的優(yōu)點(diǎn)：原子呈中性，不像電子和離子那樣容易受到電荷的影響，因而具有極高的分辨力；原子的德布羅意波長非常短，其衍射極限比常規(guī)光刻所用的紫外光的衍射極限小很多。AL的缺點(diǎn)：部分原子在聚焦時(shí)偏離理想聚焦點(diǎn)，形成原子透鏡的像差；原子與梯度場的作用時(shí)間等也影響成像質(zhì)量Herecomesyourfooter10摩爾定律：1965年GordonMoore提出了芯片集成度每兩年翻一番(后來改為每18個(gè)月翻一番)。自那時(shí)以來，IC集成度的增長一直遵循這一定律。從光學(xué)光刻的發(fā)展來看：分辨率(R)每三年縮小0.7倍，曝光波長(λ)每六年上一新臺(tái)階，數(shù)值孔徑(NA)每年增加0.03，工藝因子(K1)每年減少0.03，并相應(yīng)提高了套刻精度、像場尺寸、片徑和生產(chǎn)率。光學(xué)光刻的進(jìn)展示意圖Herecomesyourfooter11非光刻圖形技術(shù)（1）納米壓印技術(shù)和軟刻印技術(shù)

代替物理的光和電子源，利用一塊橡膠聚合物作為工具，采用日常所見的印刷、模鍛、模鑄和壓印等力學(xué)過程來制造納米結(jié)構(gòu)，稱之為軟刻印技術(shù)（SoftLighography）和納米壓印技術(shù)(Nano-ImprintLithography，NIL)。（2）掃描探針技術(shù)徹底抱起自上而下的手段，采用自底而上的人工組裝方法，也就是從移動(dòng)原子或者分子的開始組裝并構(gòu)建納米功能結(jié)構(gòu)，最成功的是STM微分析技術(shù)發(fā)展而來的掃描探針技術(shù)。Herecomesyourfooter12軟刻印技術(shù)軟刻印術(shù)主要有兩鐘：微接觸印刷法、毛細(xì)管微模制法。微接觸印刷法是由Whitesides等人于1993年提出的。它的主要思想是使用具有納米圖案的彈性印章將自組織單分子膜印到基片上。用毛細(xì)管微模制法制作納米圖形結(jié)構(gòu)，也要像微接觸印刷法那樣，先制作淺浮雕式母板并且由母板制作PDMS印章，但在這里不稱其為印章而稱為鑄模更合適。微接觸印刷法的工藝流程圖毛細(xì)管微模法的工藝流程圖Herecomesyourfooter13納米壓印技術(shù)納米壓印技術(shù)是軟刻印技術(shù)的發(fā)展，采用繪有納米圖案的剛性壓模將基片上的聚合物薄膜壓出納米級(jí)花紋，通過熱的或者化學(xué)的方法固化在聚合物上保留模板圖形，再對(duì)壓印件進(jìn)行常規(guī)的刻蝕、剝離等加工，最終制成納米結(jié)構(gòu)和器件。

它可以大批量重復(fù)性地在大面積上制備納米圖形結(jié)構(gòu)，并且所制成的高分辨率圖案具有相當(dāng)好的均勻性和重復(fù)性。該技術(shù)還有制作成本低、簡單易行、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印技術(shù)和紫外壓印技術(shù)。Herecomesyourfooter14熱壓印工藝紫外壓印工藝熱塑性聚合物：PMMA等Tg以上透明印章：石英玻璃印章（硬模）或PMMA印章（軟模）聚合反應(yīng)而固化成型保持足夠的模壓時(shí)間，施加足夠的模壓壓力，使聚合物填充滿模腔。等固化完全時(shí)再脫模，脫模要小心，防止用力過度而使模具損傷Herecomesyourfooter15紫外壓印一個(gè)新的發(fā)展，是提出了步進(jìn)-閃光壓印，它可以達(dá)到10nm的分辨率。紫外壓印的工藝過程是：先將低粘度的單體溶液滴在要壓印的襯底上，用很低的壓力將模板壓到園片上，使液態(tài)分散開并填充模板中的空腔。紫外光透過模板背面輻照單體，固化成型后，移去模板。最后刻蝕殘留層和進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，得到高深寬比的結(jié)構(gòu)。采用小模板的方式,提高了在基板上大面積壓印轉(zhuǎn)移的能力，降低了掩模板制造成本，也降低了采用大掩模板（光刻膠厚度不均勻）帶來的誤差。另外，紫外壓印相對(duì)于熱壓印來說，不需要高溫、高壓的條件，可以廉價(jià)的在納米尺度得到高分辨率的圖形。生產(chǎn)中常采用步進(jìn)-閃光納米壓印技術(shù)Herecomesyourfooter16Herecomesyourfooter17（a）SiO2壓模被用12次后的SEM照片（b）用（a）壓模壓成的聚合物圖案的SEM照片Herecomesyourfooter18三種壓印技術(shù)的比較Herecomesyourfooter19掃描探針技術(shù)前面提到幾種圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)都是從一個(gè)宏觀的大尺度圖形開始，在刻出納米結(jié)構(gòu)之前按比例縮小圖形的橫向尺度。但是沒有哪一種自上而下的方法能夠簡單而低成本的制造各種材料的納米結(jié)構(gòu)。于是一些科學(xué)家開始研究自底向上的方法，也就是從原子或者分子開始組裝并構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)。這些方法可以制備最小的納米結(jié)構(gòu)，而且不是很昂貴。人工組裝技術(shù)自組裝技術(shù)掃描探針技術(shù)Herecomesyourfooter20掃描探針技術(shù)掃描探針顯微鏡不僅僅可以讓科學(xué)家觀察原子世界，它們也可以利用針尖和表面原子、分子的相互作用力來操縱單個(gè)原子、單個(gè)分子或者用來制備表面納米結(jié)構(gòu)，即談針尖可以沿著表面移動(dòng)納米粒子并使其重新排列，說制作的納米圖形特征線寬可以達(dá)到單個(gè)原子的寬度。操作模式主要包括橫向操作和縱向操作。Herecomesyourfooter21移動(dòng)過程中第一個(gè)垂直的STM操作是由Eigler完成的，他在液氦溫度線移動(dòng)35個(gè)Xe原子在單晶Ni（110）表面過程了最小的IBM公司商標(biāo)下圖是48個(gè)Fe原子在Cu（111）表面構(gòu)成的一個(gè)量子圍欄，圍欄說構(gòu)成的量子阱誘導(dǎo)表面電子的量子限域效應(yīng)，從而在圖中可以觀察到電子波的駐波現(xiàn)象。Herecomesyourfooter221993年Eigler等在Cu(111)表面上成功地移動(dòng)了101個(gè)吸附的鐵原子，寫成中文的“原子”兩個(gè)字，這是首次用原子寫成的漢字，也是最小的漢字。Herecomesyourfooter23中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1993年底至1994年初，以超真空掃描隧道顯微鏡（STM）為手段，在Si重構(gòu)表面上開展了原子操縱的研究，取得了世界水平的成果。他們?cè)谑覝叵?，用STM的針尖，并通過針尖與樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成一定規(guī)則的圖形，如“中國”等字樣，這些溝槽的線寬平均為2nm，是當(dāng)時(shí)在室溫時(shí)，人們?cè)赟i表面“寫”出的最小漢字。凹陷的地方是原子被撥出后顯示的深黑色溝槽，凸起的亮點(diǎn)是散落的原子形成的，顯白色。Herecomesyourfooter24Nano-imprintlithography:Templates,imprintingandwaferpatterntransferW.J.Dauksher*,N.V.Le,E.S.Ainley,K.J.Nordquist,K.A.Gehoski,S.R.Young,J.H.Baker,D.Convey,P.S.MangatMotorolaLabs,EmbeddedSystemsResearch,2100E.ElliotRoad,MD:EL-317,Tempe,AZ85284,USAMicroelectronicEngineering83(2006)929–932Herecomesyourfooter25backgroundknowledgeAdvancementinresolutionShorterwavelengthHighpriceProhibitiveformanycompanyNano-imprintlithographyLowpressure，RoomtemperatureItsresolutionisonlylimitedbytheresolutionofthetemplatefabricationprocess.Defect-freetemplatefabricationandahighthroughputimprinttoolmeetingoverlayrequirements.Herecomesyourfooter26alowviscosityphotocurablemonomerUltravioletlightphotopolymerizesthemonomerHerecomesyourfooter27Nano-imprinttemplatesEarlyimprinttemplatefabricationMorerecently,twomethodshavebeenemployedtofabricatetemplatesusinga6in.*6in.*0.25in.conventionalphotomaskplateandleveragedestablishedCr-basedprocessestode?nefeaturesintheglasssubstrateThe?rstmethodusesamuchthinner(~15nm)layerofCrasahardmask，whichactsasasu?cienthardmaskbecauseofthehighetchselectivityofglasstoCrina?uorine-basedprocess.ThesecondfabricationschemeattemptstoaddressissuesrelatedtoSEManddefectinspectionbyincorporatingalayerofconductingandtransparentindiumtinoxide(ITO)ontheglasssubstrate.Herecomesyourfooter28Nano-imprinttemplatesThecurrentfocus:

theneedsfor32nmnodelithography、highresolutionThestandardtemplatemanufacturingprocessusesathinresistlayerofZEP-520Aandachromethicknessof15nmastheetchmasktode?nethequartzimagesusingaLeicaVB6·Toachievesmallerdimensions,thethicknessofboththeresistandthechromelayersneededtobereduced.Forthepostfabrication,wehavetargetedanaspectratioof1:2.5whichminimizedtheliquiddevelopsurfacetensionissuethatoftencausesfeaturestofallover.Asforthecontacts,thenew

resistthicknessof100nmprovidedtheresolutionnecessarytocreatethesmallerstructures.Herecomesyourfooter29Highresolutionpostsandcontacts.Atemplateonwhich1:1postsof40nmand1:7.5contactsof30nmhavebeencreatedHerecomesyourfooter30InspectionInspectionofthetemplatesusingelectronbeamsforapplicationsrequiringsub-50nmlithographywillbeneeded.Hence,thetemplatewillrequireaschemetodissipatechargeduringtheinspectionprocessThe

ITOlayer：

doanexcellentjobcontrollingthecharging.E-beaminspectionimagesofanITOtemplate:

140nmfeatureswithprogrammeddefectshavebeensuccessfullyinspected(at50nmpixelinspection).Herecomesyourfooter31repairationWehaverecentlyfocusedonexploringrepairingclearandopaquedefectsonnano-imprinttemplatesusingfocusedionbeam(FIB)ande-beamtechnologiesRepairswereperformedontemplatesafterchromepatterningandafterreliefetchingofthequartzSEMimagesoftheimprintedtemplatesrevealedhighspotsinthecuredmonomerwheretherepairshavebeenmade.Thesehighspotsappeartobecausedbyexcessmilling,orlackofdepthcontrol.Herecomesyourfooter32Nano-imprinttoolImprio100tool(MolecularImprintsInc.):designedasastep-and-repeatpatterningtoolandcanaccommodatewafersizesupto200mmindiameterclass0.1mini-environment:Inordertominimizedefectissuesduringtheimprintprocess,thetoolisequippedwithaclass0.1mini-environment.amultiplejetdispensehead:forthedispensingoftheetchbarrierwhichledtoreducingtheimprinttime.Etchbarrierthicknesscomparisonbetweensingleandmulti-jetdispensesystems.Herecomesyourfooter33Patterntransferamulti-layerscheme:patterntheunderlying?lmsBecauseofthepresenceofaresiduallayeroftheetchbarrier(EB)overthetransferlayer,itisessentialtominimizethethicknessoftheetchbarrierforsubsequentpatterntransferofsub-45nmfeaturesintowafer-level?lmssuchasoxides.Ourfocushasbeenondevelopingaveryrobustwafer-levelpatterntransferprocesswithanoptimizedimprintingprocessusingamulti-jetdispense

systemwhichresultsinaverythinlayeroftheresiduallayer.Herecomesyourfooter34FabricationofcomplexnanoscalestructuresonvarioussubstratesKang-SooHan,Sung-HoonHong,andHeonLeeaDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,KoreaUniversity,APPLIEDPHYSICSLETTERS91,1231182007Herecomesyourfooter35SignificanceThreedimensional3Dnanostructuresonvarioussubstrates,includingSiwafer,glassplate,andpolyethyleneterephtalatePETpolymerfilm,canbeusedformicro-andnanoelectro-mechanicalsystemdevices,photonicbandgapstructures,optoelectronicdevices,bionanodevicesandtissueengineeringAdvancedreversenanoimprintlithography’syield-limitingstep:thedetachmentofthemold.HighpressureandtemperatureHerecomesyourfooter36Creativepoint:byusingPVAmaterialasamoldandanUVglue,theUVlightbasedreversenanoimprintingprocessisdonewithlowpressure.PVA:polyvinylalcoholUVglue:3%ofUVinitiator(IGAcure184?),7%ofethyleneglycoldimethacrylate,whichiscommonlyusedasacross-linkingagent,and90%ofethanolHerecomesyourfooter37Reasons:UVglue:appropriatebondstrengthandlowviscosity.Afterbonding,noresiduallayerneedstoberemained.ThequartzmoldwaseasilydetachedbecausethebondingstrengthofthenanostructuredlayertothequartzmoldwasstillweakerthanthatofthePVAmoldHerecomesyourfooter38ExperimentalprogramFIG.FabricationprocedureofthePVAmold.2000rmp;20s;2-3timesatRTSi-basedtemplatewasusedasthemastermold:usingconventionaldeepultravioletpho