光學(xué)光刻技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

長期以來，光學(xué)光刻技術(shù)被用于集成電路的網(wǎng)格處理。光刻技術(shù)的發(fā)展在集成電路的重建中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，這直接決定了單個設(shè)備的物理尺寸。光學(xué)光刻技術(shù)受限于工藝因子、光源波長和數(shù)值孔徑,即著名的瑞利公式。R=k1λNA(1)R=k1λΝA(1)式中:k1—工藝因子;λ—入射光的最小波長;NA—數(shù)值孔徑。據(jù)此,可以從此三個方面提高光學(xué)光刻的分辨率。光源從早期的g(436nm)和i(365nm)譜線光源到KrF(遠(yuǎn)紫外線248nm)、ArF(深紫外線193nm)和F2(157nm)等準(zhǔn)分子激光光源,更有采用浸潤式光刻變相縮短入射波長的新型浸潤光刻機出現(xiàn),且已經(jīng)在45nm節(jié)點工藝形成產(chǎn)能。數(shù)值孔徑從早期的0.28nm提高到最新報道的1.6nm,但數(shù)值孔徑也不宜過大,因成像景深隨數(shù)值孔徑的減小呈平方減小,數(shù)值孔徑過大,景深會大幅度減小。通過改善照明條件和改進(jìn)掩模設(shè)計,如光學(xué)臨近效應(yīng)校正、移相掩模和離軸照明等,可使工藝因子k1縮小,經(jīng)過優(yōu)化組合,甚至可使k1值接近0.25nm的極限。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,需要的光學(xué)光刻設(shè)備越來越復(fù)雜且昂貴,而且進(jìn)一步的發(fā)展解決更低加工技術(shù)節(jié)點也越來越困難。必須尋找新的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)才能保證半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)沿摩爾定律高速發(fā)展,在下一代圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)中,納米壓印技術(shù)、電子束直寫技術(shù)和X射線曝光技術(shù)占有重要位置,而且近年都取得了重大技術(shù)進(jìn)步。1光刻膠加熱壓印技術(shù)納米壓印技術(shù)最早由StephenYChou教授在1995年率先提出,這是一種不同與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的全新圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。納米壓印技術(shù)的定義為:不使用光線或者輻照使光刻膠感光成形,而是直接在硅襯底或者其它襯底上利用物理學(xué)的機理構(gòu)造納米尺寸圖形。傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)主要有三種:熱塑納米壓印技術(shù)、紫外固化壓印技術(shù)和微接觸納米壓印技術(shù)。熱塑納米壓印技術(shù)主要的工藝流程:制備高精度掩模板,一般采用硬度大和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的SiC、Si3N4、SiO2,利用電子束蝕刻技術(shù)或反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)來產(chǎn)生圖案;利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻膠,常見的是PMMA和PS;加熱至光刻膠的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度(Tg)之上50℃～100℃,然后加壓(500kPa～1000kPa)于模板并保持溫度和壓力一段時間,液態(tài)光刻膠填充掩模版圖形空隙;降低溫度至Tg以下后脫模,將圖形從模板轉(zhuǎn)移到基片上的光刻膠;采用反應(yīng)離子刻蝕去除殘留光刻膠,就將圖形轉(zhuǎn)移到基板上。為了減小空氣氣泡對轉(zhuǎn)移圖案質(zhì)量的影響,整個工藝過程都要在小于1Pa的真空環(huán)境中進(jìn)行。壓印過程如圖1所示。熱塑納米壓印技術(shù)一個最主要的特點是需要將光刻膠加熱到玻璃化溫度之上,常采用加熱板加熱,此方法在加熱的過程中會造成熱量的散失;加熱和降溫的過程,會浪費大量的時間,不利于批量生產(chǎn)的需求。中國臺灣清華大學(xué)提出一種改進(jìn)方法:利用頻率27kHz超聲波來直接加熱光刻膠至其玻璃化溫度,實驗中獲得了寬300nm,高500nm的柱陣,這種改進(jìn)可以將加熱降溫的過程縮短至幾秒鐘,有利于降低功耗、提高產(chǎn)量和降低成本。還有報道稱通過改進(jìn)光刻膠性能,不用加熱其至玻璃化溫度,改型光刻膠HSQ可以在常溫下加壓(2451kPa)即能獲得寬200nm,高100nm的壓印圖案。氣體輔助納米壓印技術(shù)是對施壓方式的改進(jìn),壓印前將掩模和基板對準(zhǔn)后固定再置于真空腔體內(nèi),再向腔體內(nèi)充入惰性氣體加壓。氣體輔助壓印技術(shù)有兩個優(yōu)點:一是真空環(huán)境可以使光刻膠中的氣體順利排出,減少光刻膠中氣泡對圖形質(zhì)量的影響。二是利用氣體施壓壓力均勻,壓力的大小可以用進(jìn)氣量的多少控制,避免了機械施壓過程中承片臺需要采用多自由度自適應(yīng)校正的難題。紫外固化納米壓印技術(shù)由德州大學(xué)CGWillson教授提出。主要工藝過程:先制備高精度掩模板,而且要求掩模板對紫外光是透明的,一般采用SiO2材質(zhì)作為掩模版;在基板上旋涂一層液態(tài)光刻膠,光刻膠的厚度為600nm～700nm,光刻膠要求黏度低,對紫外光敏感;利用較低壓力將模板壓在光刻膠之上,液態(tài)光刻膠填滿模板空隙,從模板背面用紫外光照射,紫外光使光刻膠固化;脫模后用反應(yīng)離子蝕刻方式除去殘留光刻膠,將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。壓印過程如圖2所示。紫外固化納米壓印技術(shù)與熱塑壓印技術(shù)相比不需要加熱,可以在常溫下進(jìn)行,避免了熱膨脹因素,也縮短了壓印的時間;掩模板透明,易于實現(xiàn)層與層之間對準(zhǔn),層與層之間的對準(zhǔn)精度可以達(dá)到50nm,適合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的要求。但紫外固化納米壓印技術(shù)設(shè)備昂貴,對工藝和環(huán)境的要求也非常高;沒有加熱的過程,光刻膠中的氣泡難以排出,會對細(xì)微結(jié)構(gòu)造成缺陷。生產(chǎn)中常常采用紫外固化納米壓印技術(shù)和步進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,形成步進(jìn)式快閃納米壓印技術(shù),工藝過程如圖3所示。該方法采用小模板分步壓印紫外固化的方式,大大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帶來的誤差。但此方法對位移定位和驅(qū)動精度的要求很高。微接觸壓印技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法,分別為微接觸納米壓印技術(shù)和毛細(xì)管微模版法。微接觸納米壓印技術(shù)由哈佛大學(xué)的WhitesidesGM等人提出,工藝過程:用光學(xué)或電子束光刻技術(shù)制得掩模板,用一種高分子材料(一般是PDMS)在掩模版中固化脫模后得到微接觸壓印所需的模板;將模板浸沒到含硫醇的試劑中;再將PDMS模板壓在鍍金的襯底上10s～20s后移開,硫醇會與金反應(yīng)生成自組裝的單分子層SAM,將圖形由模板轉(zhuǎn)移到襯底上。后續(xù)處理工藝有兩種:一種是濕法蝕刻,將襯底浸沒在氰化物溶液中,氰化物使未被SAM單分子層覆蓋的金溶解,這樣就實現(xiàn)了圖案的轉(zhuǎn)移;另一種是通過金膜上自組裝的硫醇單分子層來鏈接某些有機分子,實現(xiàn)自組裝,此方法最小分辨率可以達(dá)到35nm,主要用于制造生物傳感器和表面性質(zhì)研究等方面。壓印過程如圖4所示。毛細(xì)管微模版法由微接觸納米壓印技術(shù)發(fā)展而來,掩模板制作的方式與微接觸壓印技術(shù)相同;模板放置在基板之上,將液態(tài)的聚合物(一般為聚甲基丙烯酸)滴在模板旁邊,由于虹吸作用,聚合物將填充模板的空腔;聚合物固化后脫模,再經(jīng)過蝕刻就將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。工藝過程如圖5所示。2納米壓印技術(shù)在納米壓印技術(shù)的發(fā)展歷程中,近年出現(xiàn)了一些新的實現(xiàn)方法,或者是在傳統(tǒng)技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn),如激光輔助納米壓印技術(shù)、靜電輔助納米壓印技術(shù)、氣壓輔助納米壓印技術(shù)、金屬薄膜直接壓印技術(shù)、超聲波輔助熔融納米壓印技術(shù)、彈性掩模版壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等。金屬薄膜直接壓印技術(shù)是在Si基板上利用離子束濺射技術(shù)產(chǎn)生一層Cu、Al和Au等金屬薄膜,直接用超高壓在金屬薄膜上壓印出圖案。此工藝需要油壓系統(tǒng)提供超高的壓印壓力,達(dá)到幾百MPa。有文章稱利用50000N的高壓可以在220nm厚的金屬薄膜上壓出73nm～169nm的壓痕。如此高壓有可能會將基板壓壞,為了解決這個問題,在金屬薄膜和基板之間加入一層緩沖層(NEB-22或SUB-8),緩沖層可以使壓力減少為原來的1%,只需要2MPa～40MPa。同時使用尖銳的掩模板,以增強對薄膜的壓力,如圖6所示。利用油壓系統(tǒng)提供4MPa～20MPa的壓力,在溫度為40℃～80℃的范圍內(nèi)用模板直接壓Au-聚合物薄膜,可以得到理想的圖形轉(zhuǎn)移。激光輔助壓印技術(shù)就是用高能準(zhǔn)分子激光透過掩模版直接熔融基板,在基板上形成一層熔融層,該熔融層取代傳統(tǒng)光刻膠,然后將模板壓入熔融層中,待固化后脫模,將圖案從掩模板直接轉(zhuǎn)移到基板之上。采用的準(zhǔn)分子激光波長要能透過掩模版而能量盡量避免被吸收,掩模版常采用SiO2,據(jù)報道利用激光融化Si基板進(jìn)行壓印工藝可以實現(xiàn)低于10nm的特征線寬,工藝流程如圖7所示。因為是直接將圖案轉(zhuǎn)移到基板之上,不需要蝕刻過程,也減少了曝光和蝕刻等工藝,可以大大減少納米壓印的時間,降低生產(chǎn)成本。納米壓印技術(shù)大都是不連續(xù)的生產(chǎn)工藝過程,難以進(jìn)行大規(guī)模和大面積的生產(chǎn),為了進(jìn)行量產(chǎn),只有采用很大的掩模版或者是需要高對準(zhǔn)精度和自動化操作的步進(jìn)紫外固化技術(shù)。大掩模版加工困難,且易損壞;步進(jìn)快閃技術(shù)工藝環(huán)節(jié)多,控制難度大,為克服這些難題,一種新的連續(xù)的納米壓印技術(shù)—滾軸式納米壓印技術(shù)得以出現(xiàn)。滾軸式納米壓印技術(shù)有連續(xù)壓印、產(chǎn)量高、成本低和系統(tǒng)組成簡單等特點。有兩種實現(xiàn)工藝:一種是將掩模版直接制作到滾軸上,可以通過直接在金屬滾軸上刻蝕或者利用彈性掩模套在滾軸上實現(xiàn),滾軸的轉(zhuǎn)動將圖形連續(xù)地壓入已旋涂好光刻膠(溫度達(dá)到玻璃化溫度以上)的基板上,滾軸的滾動實現(xiàn)了壓入和脫模兩個步驟,如圖8(a)所示。還可以是在彈性掩模版上利用滾軸滾動施壓,但均勻性難以保證;另一工藝是將滾軸式壓印技術(shù)和紫外壓印技術(shù)相結(jié)合,紫外固化納米壓印技術(shù)光刻膠本身就是液態(tài),紫外光固化可以將紫外光束很好地控制到滾軸和光刻膠分離的區(qū)域,采用的基板可以是彈性基板或者是如Si樣的硬基板。其彈性基板的工藝流程如圖8(b)所示。電磁輔助納米壓印和氣壓輔助納米壓印都是對壓印工藝中壓印壓力的施壓環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn),提高壓力作用的均勻性,延長掩模版的使用壽命,從壓力作用分布和承片臺自適應(yīng)要求來看,氣壓輔助納米壓印技術(shù)較有優(yōu)勢,但氣囊施壓還不能完全體現(xiàn)氣體施壓壓力均勻的特點,氣體直接接觸掩模版和光刻膠,也還需要考慮氣流對系統(tǒng)對準(zhǔn)、光刻膠氣泡和氣壓作用方式等多方面的問題。3納米壓印系統(tǒng)國內(nèi)也有很多科研單位從事納米壓印技術(shù)研究和應(yīng)用,臺灣清華大學(xué)利用超聲波輔助對熱塑納米壓印作了重大改進(jìn)。西安交通大學(xué)自己建立了一套壓印系統(tǒng),采用彈性掩模、紫外固化技術(shù)和六自由度自適應(yīng)承片臺。中科院電工研究所設(shè)計了一套氣囊氣缸式壓印系統(tǒng),利用氣囊充氣解決壓力施壓和承片臺自適應(yīng)問題。上海交通大學(xué)設(shè)計建立了真空負(fù)壓紫外固化納米壓印系統(tǒng)。華中科技大學(xué)也設(shè)計了一套熱塑納米壓印系統(tǒng)。目前全球已有五家商業(yè)公司提供納米壓印機,包括美國的MolecularImprin