PDF《纳米光刻技术的现状和未来 #》

!!!!! !!!!! 评述纳米光刻技术的现状和未来# 陈献忠 姚汉民= 陈旭南 李展罗先刚 (中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室 成都 610209) 摘要纳米技术是

21 世纪信息科学的一项关键技术, 纳米结构制作是纳米技术的重要组成部分.

纳米光刻技 术是制作纳米结构的基础, 具有重要的应用前景.文章对光学光刻技术进行了概述, 介绍了几种纳米光刻技术的新 途径、 发展现状和关键问题, 最后讨论了纳米光刻技术的应用前景. 关键词 纳米技术, 纳米光刻, 纳米结构制作, 应用前景 THE PRESENT AND FUTURE OF NANOLITHOGRAPHY CHEN Xian-Zhong YAO Han-Min= CHEN Xu-Nan LI Zhan LUO Xian-Gang (State Key Laboratory of Optical Technologies for Microfabrication, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China) Abstract Nanotechnology will play a key role in information science in the 21st century. The fabrication of nanostructures,an important part of nanotechnology,is based upon nanolithography which will be widely employed in the future. We shall first briefly review optical lithography,then describe the development and key issues of several new methods of nanolithography. Prospective applications of nanolithography are discussed at the end. Key words nanotechnolgy,nanolithography,nanostructure,applied perspective # 中国科学院知识创新工程项目 (批准号: A2K0009) ;

微细加工光 学技术国家重点实验室开放基金课题 (批准号: KFS4) 资助项目

2002 -

05 -

09 收到初稿,

2002 -

07 -

09 修回 = 通讯联系人 . E-mail: yhm@ ioe. ac. cn

1 引言 一尺之棰, 日取其半, 永世不竭 这是我国古代 流传下来的朴素的物质可以无穷分割的思想. 科学 技术的发展使人们认识世界的思路不断地拓宽, 不 仅向地球、 月亮、 星际、 太空方向探索, 也向着微观世 界进行了孜孜不倦的研究.诺贝尔奖获得者理查德 ・ 费恩曼在

1959 年曾说过: 如果有一天可以按人的 意志安排一个个原子, 将会出现什么奇迹? 这个梦 想在今天已有可能成为现实, 并形成了一门崭新的 科学技术― ― ―纳米技术, 成为面向

21 世纪的研究热 点[1―5] .纳米电子学、 纳米材料、 纳米机械、 纳米生物 学共同组成了纳米高技术群体, 其出现标志着高新 技术进入了一个崭新的发展阶段. 早在

1974 年, 日 本精密机械学会等联合举办的国际生产工程技术会 议(ICPE) 上已论及纳米技术的概念, 但加工精度的 最终目标并不明确. 基于加工技术的进步和提高加 工精度的可能性, 又因固体物质结构的极限尺寸 ― ― ―原子间距为 0.1―0.3nm, 加工精度界限应为纳 米级 (1 * 10-

9 m) .若要求加工精度为 1nm, 必然要求 亚纳米级精度的测量和控制技术, 因此纳米技术至 少是包括材料、 加工、 测量和控制技术的统一体.

1986 年获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope, STM) 的发明, 实现了 人类亲眼看到微观原子世界真面目的愿望, 它是观 察研究纳米材料的有力手段之一. STM 具有非常高 的空间分辨率, 横向分辨率达到 0.1nm, 纵向可达到 0.01nm, 可直接观察到物质的原子结构, 所以, STM 广泛地用于纳米材料的研究. 借助于扫描隧道显微 镜和原子力显微镜 (atomic force microscope, AFM) , 物 理学家把化学和分子生物学的处理方法结合起来, 开辟了从专用集成电路到微型机电系统, 到专用集 成型仪器, 再到纳米技术的批量加工工具技术. 纳米科技是

20 世纪

90 年代初才逐步发展起来 的, 是现代物理 (介观物理、 量子力学和混沌物理等) 和先进工程技术 (计算机、 微电子和扫描隧道显微镜 ・

1 9

6 ・

31 卷(2002 年)11 期 等技术) 相结合的一门前沿科技领域. 白春礼院士在谈到纳米时代时说过, 纳米时代 是否到来的重要标志是纳米器件本身的研制水平和 应用程度 [1, 2] . 纳米结构制作是纳米器件研制的前 提, 成为研究微观量子世界的重要基础之一, 其制作 技术已成为当前世界科学研究急需解决的问题.美、 日、 德等发达国家对此十分重视 [5] , 纷纷投入了大量 的人力、 物力进行研究开发.1991 年3月22 日, 美国 国家关键技术委员会向美国总统提交了 《美国国家 关键技术》 报告, 将纳米技术列为政府重点支持的

22 项关键技术之一, 美国国家基金会将纳米技术列 为优先支持的关键技术, 康奈尔等多所大学设立了 纳米技术研究开发机构;

日本将纳米技术列为优先 高科技探索研究项目之一, 投资

2 亿美元进行研究 开发, 筑波大学交叉学科研究中心将纳米技术列为 两个主要发展方向之一. 目前纳米图形制作的主要 途径有两个: 一是采用现代化学技术, 由单个原子聚 积而成.另一是采用光刻手段在物体上制作纳米量 级图形, 但这需要大幅度提高现有光刻的分辨力.光 刻技术的不断更新和新的光刻技术的涌现, 使纳米 光刻技术可以制作小于 100nm 线宽图形, 并朝着制 作几十个纳米, 乃至几个纳米特征图形的方向发展. 通常采用的方法有电子束、 离子束、 X 射线、 深紫外 加波前工程 [6―11] 、 干涉光刻 [12] 、 原子光刻 [13―15] 等. 本文从光学光刻技术谈起, 介绍纳米光刻技术的新 途径、 存在问题、 发展趋势及应用前景.

2 光学光刻技术 在过去的三十多年里, 以集成电路为核心的微 电子技术迅速发展, 高密度、 高速度和超高频器件不 断出现, 促进了以计算机、 网络技术、 移动通信技术、 多媒体传播等为代表的信息技术的发展. 尤其是近 十年, 按照摩尔规律, 单位面积硅片上的晶体管集成 度以每三年翻四番的速度增长. 能够把集成电路的 集成度越做越高完全得益于微细加工技术的不断进 步, 特别是光学光刻技术的不断进步. 2.1 光刻成像系统像质评价的几个重要指标 (1) 分辨率 R = k1 λ NA , 表示能分辨的最小线宽, 能分辨的线宽越小, 分辨率越高. (2) 焦深 DOF = k2 λ (NA) 2, 表示一定工艺条件下, 能刻出最小线宽时像面偏离理想焦面的范围. 焦深 越大, 对图形的制作越有利. (3) 对比度 CON = Imax - Imin Imax + Imin , 是评价成像图形 质量的重要指标.对比度越高, 光刻出来的微细图形 越好. 上述指标由系统的工作波长λ, 数值孔径 NA, 工艺因子 k

1、 k2, 像差, 照明条件, 掩模图形和系统 的光学传递特性等因素决定. 2.2 光学光刻的发展概况 从20 世纪60 年代初期的20 ? m 到目前的0.25 ? m 以下的特征尺寸, 光学曝光技术经历了从接 触式曝光、 接近式曝光、 扫描投影式曝光到目前普遍 采用的分步重复投影式曝光技术. 光学光刻与电子 束光刻和 X 射线光刻相比, 具有生产率高、 易实现 高的对准和套刻精度、 掩模制作相对简单、 工艺条件 容易掌握及良好的继承性等优点, 在微电子工业中 一直处于主力地位.特别是近年来, 采用更大的数值 孔径的光刻物镜和进一步缩短曝光波长并结合各种 分辨率增强技术, 使光学光刻极限分辨率的预言不 断被打破.2000 年3月, AMD 公司、 Intel 公司相继推 出主频为 1GHz 的Athlon、 PentiumⅢ微处理器均已采 用0.18 ? m 钢连线工艺. 由瑞利 (Rayleigh) 分辨率公式: R = k1 λ/ NA, 分 辨率的提高可通过增大光刻物镜的数值孔径 NA 和 缩短曝光波长λ 来实现. 目前最先进的光刻物镜的 数值孔径 NA 己经达到0.8, 曝光波长己从g线(436nm) 、 i 线(365nm) 缩短到深紫外 (DUV) 的准分子 激光 KrF (248nm) 以及真空紫外(VUV) 的ArF (193nm) 、 F2 (157nm) 等. 然而, 波长的减小和数值孔 径的进一步增大将使焦深和视场范围迅速缩小, 影 响工艺因子 k1, 使高分辨率的优点不能充分利用, 面临着必须克服焦深缩短所带来的问题. 目前, 曝光波长为 248nm (KrF) 、 193nm (ArF) 的 准分子激光光刻已经成为主流光刻技术.157nm (F2) 光刻作为小于 0.10 ? m 的光刻技术仍在研究之中.其 难度之一是镜头的光学材料和加工工艺问题: 熔石 英和 CaF2, LiF 是使用于准分子激光步进扫描光刻 机镜头和掩模基片的选用材料. 其中熔石英具有易 加工和稳定性高的特点, 但在 193nm 和157nm 波长 具有很大的吸收损失, 在高强度准分于激光照射后 易产生光损伤;

而CaF2 由于是单晶材料, 不存在光 子碰撞引起的光损伤问题, 但其加工难以达到要求 的光洁度.难度之二是高平均功率、 长寿命的 ArF 和F2 激光器制作困难. 目前, F2 激光器已取得重大突 ・

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6 ・ 物理 破.难度之三是光致抗蚀剂的开发. 现己研制出与 248nm 及193nm 波长匹配的光致抗蚀剂, 但与 157nm 波长相匹配的光致抗蚀剂还需做大量的工作. 波长的缩短和数值孔径的增大, 虽然可以提高 分辨率, 但同时因有焦深 DOF = k2 λ/ (NA)

2 , 使焦深 急剧减小 (见表 1) . 表1光学光刻的发展进程 年代 NA k1 λ/ nm R / nm 曝光面积 / mm * mm DOF /? m

1990 0.50 0.70

365 500

20 *

20 1.5

1995 0.60 0.60

248 250

22 *

22 1.0

1999 0.70 0.50

248 180

26 * 34* 0.6

2002 0.70 0.45

248 /193

150 /130

26 * 34* 0.5

2005 0.75 0.40

248 /193

130 /100

26 * 34** 0.4

2008 0.80 0.35

193 /157

80 /70

26 * 34** 0.3

2012 0.80 0.35

157 50 0.3 *1 维扫描 **2 维扫描 因此光学光刻面临的一个主要问题是如何利用 现有工艺和设备进行分辨率和焦深这两个矛盾参数 的选择, 而且带来新光源、 抗蚀剂、 掩模、 工艺、 透镜 材料与设计等诸多问题需要解决, 并且也存在发展 极限.除了不断增大数值孔径和缩短曝光波长之外, 工艺系数 k1 的不断减小也是提高光刻分辨率的一 个十分重要的因素.从1990 年至今的

10 多年中, 工 艺系数 k1 的值从 0.70 减小到 0.40, 而且在今后的

10 年中, 还将进一步减小到 0.35 左右, 据称其极限 为0.2, 这将成为今后一段时期光学光刻继续发展 的一项重要措施. 光学投影光刻的一个发展趋势是混合匹配曝光 技术, 将365nm、 248nm 及193nm 投影光刻机进行匹 配曝光, 由高档的步进机完成图形 CD 层曝光, 用较 低档次的步进机完成其他层曝光, 从而达到既降低 生产费用、 提高生产效率, 又实现对超微细图形曝光 的目的.

3 纳米光刻技术 3.1 电子束光刻 电子束光刻具有极高的分辨率, 甚至可以达到 原子量级.由电子束曝光制作的最小尺寸可以达到 10―20nm.英国剑桥大学微电子中心利用 100kV 电 子束曝光机制作出 1―2nm 的单电子器件. 电子束 光刻由于是无掩模直写型的, 因此具有一定的灵活 性, 可直接制作各种图形. 电子束曝光机主要有三 种: 高斯电子束、 矩形电子束、 变形电子束.由于电子 束是扫描成像型的, 因此它的生产率极低, 虽然现在 己开始采用单元投影、 成形光刻斑和限角散射电子 束投影光刻 (SCALPEL) 等技术来提高生产率, 但还 远未达到光学光刻所能达到的

40 到100 片/小时的 生产率.为了弥补电子束光刻的不足, 目前正在研究 光学光刻与电子束光刻的混合匹配曝光技术, 即电 路的大部分工艺由光学光刻完成, 超精细图形由电 子束光刻完成, 结合两者的优势, 弥补不足. 正由于 这些特性, 目前电子束光刻一般用于制作高精度掩 模. 3.2 X 射线光刻 X 射线光刻早在

20 世纪

70 年代初期就已经出 现, 由于其波长很短, 所以可获得极高的分辨率. X 射线光刻的焦深容易控制, 对于 0.13 ? m 的光刻分辨 率, 其焦深也可达

7 ? m.X 射线曝光的视场远远大于 光学光刻, 可达 50mm * 50mm 以上, 而且可方便地应 用单层工艺, 工艺简单. 因此, X 射线光刻是未来替 代光学光刻的首选技术.不过, X 射线光刻也有一些 关键技术问题尚需解决, 如X射线聚焦、 掩模制作 和X射线点光源等.因此, X 射线光刻目前还很难动 摇光学光刻的地位. 3.3 离子束光刻 离子束曝光技术的研究起源于

20 世纪

70 年代, 自从

80 年代液态金属离子源出现之后, 离子束 曝光技术才真正得以发展.由于离子质量比电子大, 所以散射少得多, 因此不易产生类似电子束光刻的 那种邻近效应, 而且具有比电子束光刻更高的分辨 率.不过, 离子束光刻尚处于发展阶段, 需要解决抗 蚀剂的曝光深度、 掩模制作、 高能离子束源及离子束 的聚焦等问题, 距离实用化还有一段路要走. 3.4 深紫外加波前工程 要想在 193nm 曝光波长下实现 100nm 线宽以下 的图形, 必须结合波前工程技术.目前波前工程技术 主要有: (1) 改变照明条件, 采用离轴照明 [10] 方法, ・

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6 ・

31 卷(2002 年)11 期 通过改变照明函数调制成像系统的传递函数, 提高 图形的对比度和焦深. (2) 对成像掩模 [6] 进行调制, 常用的方法是利用相位调制的相移掩模或利用振幅 相位同时调制的衰减相移掩模.基本原理是: 在高度 集中的光掩模中, 所有相邻的透明区域上相间隔地 增加 (或减少) 一层透明介质, 使透过这些相移层的 光与相邻透明........