亞穩(wěn)態(tài)氦原子光刻蝕法制備納米尺度分辨率硅片

亞穩(wěn)態(tài)氦原子光刻蝕法制備納米尺度分辨率硅片

自20世紀(jì)60年代以來，集成技術(shù)取得了快速發(fā)展，集成規(guī)模和集成效率顯著增加。傳統(tǒng)光刻技術(shù)及電子束光刻技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的制備工藝。近年來,為提高集成度,在追求最小特征尺寸和極限分辨率的情況下,對(duì)儀器設(shè)備的要求越來越苛刻,傳統(tǒng)光刻技術(shù)正面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。受光學(xué)衍射極限的限制,提高光子能量是降低特征尺寸的唯一途徑。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)中,光刻技術(shù)的曝光光源已從可見光波段發(fā)展到極深紫外光波段,也提高了制備短波光學(xué)元件的材料及工藝要求。在電子束光刻技術(shù)中,由于空間電荷效應(yīng)的影響,特征尺寸的縮小是以昂貴設(shè)備為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)的。在這些情況下,作為一種潛在光刻技術(shù)的原子光刻技術(shù)有望成為下一代集成電路和微型器件加工的新型納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。根據(jù)采用的原子種類及其工作原理,原子光刻技術(shù)可分為兩大類:原子直沉積技術(shù)和中性原子光刻技術(shù)。原子直沉積技術(shù)的主要特點(diǎn)是:利用金屬原子在襯底表面直接制備相關(guān)的微納米結(jié)構(gòu),主要的金屬原子為鉻、鐵等。自組裝單分子層抗蝕劑輔助的中性原子光刻技術(shù)的主要特點(diǎn)是:利用中性原子的內(nèi)能或強(qiáng)化學(xué)活性與襯底表層生長的單分子層作用來改變曝光區(qū)域的化學(xué)或物理性質(zhì),再利用濕法化學(xué)刻蝕技術(shù)或者反應(yīng)性離子刻蝕技術(shù)把相關(guān)微納米結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)印到襯底上。這類原子有:堿金屬、堿土金屬原子、惰性氣體原子(氦、氖、氬)[4~16]。以亞穩(wěn)態(tài)氦原子(He*)為例:He*本身呈電中性,不會(huì)引起空間電荷效應(yīng),由于其德布羅意波長僅幾個(gè)pm,衍射效應(yīng)可忽略不計(jì),這就意味著在狹小區(qū)域內(nèi)可以使用超大曝光劑量。He*的壽命長達(dá)8000s,所攜帶的內(nèi)能為19.8eV。處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子可以確定的能量在真空中穿行而不和別的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)其撞擊表面時(shí),破壞了量子力學(xué)選擇定則,將從亞穩(wěn)態(tài)返回基態(tài)并釋放能量。該能量代替光刻技術(shù)中沉積光子能量作用到抗蝕劑表面,斷開分子中的化學(xué)鍵,改變曝光區(qū)域的化學(xué)、物理性質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)中性原子光刻。本文采用抗蝕劑輔助的原子光刻技術(shù)手段,以He*作為曝光原子源,以硅表面直接生長的十八烷基硅烷自組裝單分子層為抗蝕劑,通過濕法化學(xué)刻蝕方法把物理掩膜的圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底的表面上。并通過改進(jìn)掩膜支撐模式,來提高空間分辨率。大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在獲得硅結(jié)構(gòu)圖形高度約30nm的同時(shí),可將特征邊緣分辨率達(dá)到~20nm,且具有較高的再現(xiàn)性。1初始he#的檢測實(shí)驗(yàn)裝置如圖1示,其主體包括兩大部分:曝光源腔和樣品腔,均與真空系統(tǒng)相連。曝光源腔內(nèi)的真空度可達(dá)3×10-7Pa,樣品腔的真空度為4×10-6Pa。高純度氦氣(99.9999%)經(jīng)銅管和微量氣體計(jì)量表后進(jìn)入曝光源腔,在直流電觸發(fā)模式下把氦氣體原子從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)后,利用He*束對(duì)樣品進(jìn)行曝光。偏轉(zhuǎn)電壓為1000V的橫向電場施加在原子束上,用來除去其中包含的離子或電子,避免這些帶電粒子撞擊樣品表面時(shí)引起損傷。He*束穿過直徑為700μm的隔離器導(dǎo)向一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的中空三棱柱鉭樣品架。中空三棱柱的兩個(gè)側(cè)面用來安裝樣品,另一側(cè)面用來檢測初始He*的強(qiáng)度。早期實(shí)驗(yàn)中采用帶孔的金屬Ta片支撐掩模,掩膜和自組裝單分子層(SAM)間的距離取決于Ta片的厚度[7~13]。本實(shí)驗(yàn)中掩模和十八烷基硅烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)自組裝單分子層(OTS-SAM)直接接觸,如圖1示。He*與表面碰撞后釋放能量誘導(dǎo)電子發(fā)射,通過測量電子強(qiáng)度估算He*束通量。在樣品和鉭片處測量的電流典型值分別為100nA和180nA,對(duì)應(yīng)的電子發(fā)射率約為6.2×1011s-1cm-2和1.1×1012s-1cm-2。實(shí)驗(yàn)程序如下:利用超聲清洗器依次在去離子水、乙醇和丙酮中清洗15mm×20mm大小的硅片;接著在1vol%的氫氟酸中除去硅片表面的氧化層,在硅表面形成硅-氫懸掛鍵,再用氬氣吹干硅表面;最后將硅片浸入20mmol/L的十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液中密封反應(yīng)48h,在硅表面可生長形成OTS-SAM;取出后用甲苯清洗,氬氣吹干后放入真空干燥器保存?zhèn)溆?。將樣品和帶有掩模的支撐體如圖1中所示方式固定到可旋轉(zhuǎn)樣品架上送入樣品腔,密封并抽真空。本實(shí)驗(yàn)中的掩模支架由15mm×20mm的較硬不易彎曲變形的金屬Ta片構(gòu)成,Ta片上均勻分布了五個(gè)或七個(gè)小孔,其直徑20mm。樣品在He*原子束下曝光時(shí)間為1~120min,室溫下采用濕法化學(xué)刻蝕法用0.1mol/LKOH溶液進(jìn)行蝕刻。最后使用1vol%HF和去離子水清洗,氬氣吹干后利用AFM(DigitalInstrumentNanoscopeDimension3100型)和SEM(JEOL6500型)進(jìn)行表征觀察。2koh溶液的刻蝕過程在硅片表面直接生長的十八烷基三氯硅烷自組裝單分子層的厚度約2nm。圖2a是以透射電鏡銅網(wǎng)作為掩模的SEM圖像,圖2b和d為對(duì)應(yīng)的硅(100)襯底上正負(fù)硅結(jié)構(gòu)圖形的AFM圖像。從圖可見銅網(wǎng)的掩模圖形可以完美地在硅襯底上得以復(fù)制,經(jīng)過不同曝光時(shí)間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,再現(xiàn)性非常好。利用該技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大于2cm2的平行陣列圖形。完整、清晰的硅表面充分說明在經(jīng)過一系列諸如曝光、刻蝕和清洗等技術(shù)環(huán)節(jié)處理后,硅表面上沒有出現(xiàn)裂痕。圖2c是沿圖2b中白線方向的線掃描圖。從圖可獲得以下信息:(1)負(fù)圖形的圖案尺寸為7.5μm、圖案間的間隔為5μm與銅網(wǎng)參數(shù)一致。圖案臺(tái)階的高度約30~40nm,遠(yuǎn)大于硅片表面生長的單分子層厚度;(2)圖案的邊緣分辨率約20nm。多次實(shí)驗(yàn)證明:降低刻蝕時(shí)間,刻蝕深度僅有幾個(gè)納米,但邊緣分辨率可達(dá)到10nm左右;增加刻蝕時(shí)間,刻蝕深度可達(dá)到微米量級(jí),圖案的邊緣分辨率也相應(yīng)增大。這種展寬源自發(fā)散的原子束及刻蝕過程:所用曝光源并非理想的“點(diǎn)”源;KOH溶液刻蝕為各向異性,長時(shí)間刻蝕使得圖形高度增大,可能破壞圖形的邊緣結(jié)構(gòu);(3)硅表面的均方根粗糙度約2~8nm。圖3給出了以SAM自組裝單分子層作為抗蝕劑制備的結(jié)構(gòu)陣列圖的正負(fù)圖形AFM圖像。圖3a、b中的孔結(jié)構(gòu)尺寸分別為4μm和1μm的正圖形。圖3c和d為分別對(duì)應(yīng)尺寸的負(fù)圖形。從圖可見,孔結(jié)構(gòu)陣列圖形可以很好地轉(zhuǎn)移到硅襯底的表面上。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在最低曝光劑量約4×1013atomscm-2,即最短曝光時(shí)間為60s時(shí),即可通過化學(xué)刻蝕得到幾乎不可見的正圖形。同一種自組裝單分子層,通過控制He*曝光劑量,經(jīng)濕法化學(xué)刻蝕后可得到不同對(duì)比度的正負(fù)圖形。為了研究其形成機(jī)理,需了解He*束對(duì)OTS-SAM的輻照過程。OTS-SAM輻照后的時(shí)間飛行質(zhì)譜結(jié)果表明[17~19]:在不同的He*曝光劑量輻照下,得到了不同的離子碎片:H+、CH2+、CH+等。在曝光劑量低于臨界He*劑量(約為5×1014atomscm-2),即曝光時(shí)間低于約20min的情況下,在時(shí)間飛行質(zhì)譜中得到的主要為H+,此時(shí)曝光區(qū)域呈現(xiàn)親水性,而非曝光區(qū)域?yàn)槭杷?。這種性質(zhì)差別使得在KOH溶液中刻蝕時(shí),KOH溶液在曝光區(qū)域比非曝光區(qū)域更容易滲透穿過OTS-SAM層,對(duì)硅襯底進(jìn)行刻蝕,導(dǎo)致曝光區(qū)域被刻蝕掉,所以其結(jié)果表現(xiàn)為正圖形。曝光劑量越接近臨界劑量,KOH溶液刻蝕后得到的正圖形的質(zhì)量越好。相反,曝光劑量高于臨界He*劑量(約為5×1014atomscm-2),即曝光時(shí)間長達(dá)20min以上時(shí),質(zhì)譜測量得到的主要飛行離子為H+、CH2+、CH+等,此時(shí)SAM層的曝光區(qū)域含有大量離子自由基,在真空下SAM層內(nèi)的離子自由基之間可以發(fā)生相互化學(xué)反應(yīng),形成交聯(lián)的難溶于水的碳化物分子,這就導(dǎo)致了在KOH溶液中刻蝕時(shí),曝光區(qū)域比非曝光區(qū)域更難滲透穿過SAM層。對(duì)硅襯底進(jìn)行刻蝕,非曝光區(qū)域被刻蝕掉,此時(shí)其結(jié)果為負(fù)圖形。曝光時(shí)間比臨界時(shí)間越長,KOH溶液刻蝕后所得到的負(fù)圖形質(zhì)量越好。由電觸發(fā)產(chǎn)生的He*是發(fā)散的,經(jīng)隔離器錐形頂端的直徑為700μm的孔約束,出射的原子束也并非是平行束,而是以發(fā)散狀態(tài)在樣品腔中飛行,這使得除去電子和離子的He*束并不是垂直入射到樣品上。樣品和掩模之間的距離不可忽略,這些因素都可能引起圖形邊緣分辨率的變化。與早期的掩模支撐不同,作者采用了一種新的掩模支撐方法,掩模與OTS-SAM間的距離由原來的100μm降至小于50μm,成功地提高了邊緣分辨率。3硅結(jié)構(gòu)的化學(xué)刻蝕技術(shù)作者利用亞穩(wěn)態(tài)氦原子束為曝光源的原子光刻技術(shù),十八烷基硅烷單分子層作為抗蝕劑,透射電鏡銅網(wǎng)