纳米光刻技术现状与进展，本文主要内容关键词为：光刻论文,纳米论文,进展论文,现状论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
引言
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的前沿交叉学科领域，它的发展大大拓展和深化了人们对客观世界的认识，并将带来新一轮的技术革命。纳米电子学、纳米材料、纳米机械共同组成了纳米高技术群体，它的出现标志着高新技术进入了一个崭新的发展阶段。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[1]，纷纷投入了大量的人力、物力进行研究开发。我国已将纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务，这为我国在21世纪初纳米科技的快速发展奠定了重要的基础。
目前纳米结构制作的主要途径是采用光刻手段在物体上制作纳米量级图形。随着光学光刻的极限分辨率可以达到光源波长的一半，193nm波长的光源分辨率则可以达到100nm，157nm波长的光源分辨率将达到70nm。而由于深紫外线能被各种材料强烈吸收，继续缩短波长将难以找到制作光学系统的材料，这使得光学光刻在70nm时在技术上遇到其难以跨越的困难。
从现在的发展水平看，国外一些技术领先的芯片制造商从2003年下半年起已经采用90nm工艺量产多种IC，芯片制造工艺进入纳米时代。按2001《国际半导体技术指南（ITRS）》规划，2007年芯片特征尺寸达60nm，2010年达45nm。为了适应集成电路技术的迅猛发展，在光学光刻努力突破分辨率极限的同时，替代光学光刻的下一代光刻技术在最近几年内获得了大量的研究，这些技术包括：极紫外（EUV）光刻技术、电子束光刻技术、纳米压印光刻技术等等。
这些光刻技术均是当前很有前景的集成电路制造技术，但自身所具有的技术上的缺陷限制了它们在实际生产中的应用，表1示出了各种光刻技术的优势和面临的挑战。目前科学界也不断对这些光刻技术进行改进以适应生产的要求。本文综述几种当前最新的纳米光刻技术研究现状，并对它们的应用前景进行讨论。
表1 各种光刻技术的优势和面临的挑战
157nm光刻
下一代光刻技术
光学技术
EUVL
XRL 纳米压印技术
基本原理 157nmF[，2]激光投影光学
4倍缩小扫描投影，约80层 1倍X射线接近式投影光刻，
加热聚合物/紫外曝光，印章压
光刻 Mo-Si结构多层膜，激光等 1X掩模
印，聚合物固化
离子体光源
前景
分辨率：70nm 分辨率：100nm延伸至30nm
分辨率：100nm延伸至40nm
分辨率：100nm延伸至5nm以下
应用领域：大规模集成电
以下应用领域：ULSI，GaAsIC， 应用领域：ULSI，纳米加工，
路 应用领域：ULSI
MEMSMEMS
重大课题 掩模，薄膜，光刻胶，透镜 无缺陷反射式掩模，多层膜，大面积平行电子束，1X掩模 大面积压印模板的制作，压印过
成本，环境 光源功率，真空环境
程的平整度
1 EUV光刻技术
EUV光刻采用13nm波长的软X射线，设备的微缩投影光学系统倍率为1/4，采用四镜形式，包括三块非球面和一块平面；掩模为在多层膜基底上添加重金属形成的反射式掩模。光源采用了气体喷射靶激光等离子体光源，工作气体为Xe气体。激光等离子体光源产生的EUV辐射，经过由多层膜反射镜组成的聚光系统聚光后，照明反射式掩模，并经微缩投影光学系统，在涂有光刻胶的硅片上复制被微缩四倍的掩模图形。
EUV光刻技术利用短波长曝光，可以在很小的数值孔径下获得线宽小于100nm的图形，焦深足够长，满足实际生产的需要，是现有可见—近紫外投影光刻技术向软X射线波段（1～30nm）的延伸，因此发展该技术具有良好的技术延伸性。尽管EUV设备、掩模、工艺等方面的成本高，同时还有诸多待攻克的技术难关，尤其是深亚纳米级镜面加工和多层膜制备技术。然而，技术路线与解决问题途径也基本明确。目前相当多的科学家认为该技术是制造未来纳米集成电路的较佳候选者。
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、NTT公司、Canon公司、Nikon公司、俄罗斯别捷列夫物理研究所等在EUV光刻领域做了很多卓有成效的工作。1992年，NTT研制成带有扫描机构的样机，可在10mm×12.5mm硅片上复制线宽达0.15μm的图形[2]。1993年至1994年，日立和Nikon公司先后实现了0.05μm线宽的光刻复制。1995年，美国Sandia国家实验室利用已建成的实验装置完成了线宽为0.1μm门电路（NMOS）的制作[3]。1996年起，国际上开始产、学、研联合攻关，计划到2007年将制造DRAM容量为16Gbit、特征线宽0.1μm的软X射线投影光刻设备工业生产。
始于20世纪70年代末的我国EUV技术研究涉及EUV光源、EUV辐射计量、超精密光学加工/检测和EUV多层膜技术等。其中中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在EUV成像光学方面进行了国内领先的研究，近年在投影光刻的关键技术及系统集成上也有了重要进展[4]。
2 PREVAIL光刻技术
电子束光刻技术具有极高的分辨率，其曝光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。电子束光刻是无掩模直写型的，具有一定的灵活性，可直接制作各种图形。但是对于电子束曝光而言，获得大面积能量分布均匀的平行电子束一直是困扰电子束曝光的主要问题。
目前在电子束投影曝光系统中，PREVAIL（Projection Reduction Exposure Variable Axis Immersion Lension）技术实现了大量平行像素投影，从而提高了曝光效率。PREVAIL技术采用的曝光面积为1mm[2]，相对于传统电子束曝光，这无疑是惊人的进步。图1是PREVAIL系统中电子光柱体的结构示意图。
附图
图1 PREVAIL系统结构简图
从位于电子光柱体上方的电子枪发射的电子通过高压电场加速，进入电子光柱体。通过成形光阑将电子束截取成为方形的具有均匀能量分布的电子束。成形后的电子束经过一个曲线可变轴透镜系统，在掩模上成像为面积为1mm[2]的能量均匀分布的方形电子束。该系统最大的电子束偏转距离为±10mm，曲线可变轴透镜可以修正电子束进行大范围偏转引起的畸变，减少工作台的移动次数，从而提高了效率。
垂直穿过掩模的电子束继续向下进入一组偏转/移轴偏转器，该部分的作用就是将电子束移到其子场位置，最后通过物镜缩小投影到硅片相应的部分。由于系统的曝光缩小倍率为4，因此投影在硅片上的范围可以达到±2.5mm。 由最大偏转距离可以推算出， 若只采用扫描方式，只能进行20mm×20mm的掩模版曝光面积，对应的最大硅片曝光面积为5mm×5mm。这显然不能满足目前IC生产的要求。因此必须采用掩模版和硅片同时移动来完成全场曝光，即电子束扫描和工作台步进相结合的曝光方式。
一般情况下，偏转器可以高速实现电子束在大范围内的扫描，但当电子束偏离轴中心时将导致严重畸变。PREVAIL技术采用曲线可变轴透镜能够实现电子束的扫描范围足够大，解决了大范围内的扫描和电子束畸变这对矛盾，从而实现了大范围内的电子束扫描，大大提高了效率。
3 纳米压印光刻技术
纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在20世纪1995年首先提出的[5]。这项技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点，已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能实现分辨率达5nm以下的水平[6]。纳米压印技术主要包括热压印（HEL）、紫外压印（UV－NIL）以及微接触印刷（μCP）。
纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。
3.1 热压印技术
纳米热压印技术是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法。该技术在高温条件下可以将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛用于微纳结构加工。它的主要工艺过程如图2所示。
附图
图2 热压印工艺流程
整个热压印过程必须在气压小于1Pa的真空环境下进行，以避免由于空气气泡的存在造成压印图案畸变，如图3所示[8]。
附图
图3 热压印过程中由于空气存在造成的图形畸变
热压印印章选用SiC材料制造，这是由于SiC非常坚硬，减小了压印过程中断裂或变形的可能性。此外SiC化学性质稳定，与大多数化学药品不起反应，因此便于压印结束后用不同的化学药品对印章进行清洗。在制作印章的过程中，先在SiC表面镀上一层具有高选择比（38∶1）的铬薄膜，作为后序工艺反应离子刻蚀的刻蚀掩模，随后在铬薄膜上均匀涂覆ZEP抗蚀剂，再用电子束光刻在ZEP抗蚀剂上光刻出纳米图案。为了打破SiC的化学键，必须在SiC上加高电压。最后在350V的直流电压下，用反应离子刻蚀在SiC表面得到具有光滑的刻蚀表面和垂直面型的纳米图案。整个热压印过程可以分为三个步骤：
（1）聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。这样可减少在压印过程中聚合物的粘性，增加流动性，在一定压力下，就能迅速发生形变。但温度太高也没必要，因为这样会增加升温和降温的时间，进而影响生产效率，而对模压结构却没有明显改善，甚至会使聚合物弯曲而导致模具受损。同时为了保证在整个压印过程中聚合物保持相同的粘性，必须通过加热器控制加热温度不变。
（2）在印章上施加机械压力，约为500～1000KPa[9]。在印章和聚合物间加大压力可填充模具中的空腔。
（3）压印过程结束后，整个叠层被冷却到聚合物玻璃化温度以下，以使图案固化，提供足够大的机械强度，便于脱模。
然后用反应离子刻蚀将残余的聚合物（PMMA）去掉，模板上的纳米图案完整地转移到硅基底表面的聚合物上，再结合刻蚀技术把图形转移到硅基底上。图4[9]展示了用热压印技术在200mm硅圆片上复制的纳米图案。
附图
图4 热压印技术复制高为100nm，直径为85nm的纳米圆柱阵列
美国普林斯顿大学的Y.Chou和Mechael Austin Stephen用纳米热压印技术成功地制作了一个缝隙小于10nm的金纳米接点，为生产在分子自组装中有重要应用的大数目纳米接点提供了一种快速有效的方法，大大提高了成功捕获单分子的可能性[10]。 国内的一些单位如中国科学院光电技术研究所、长春光学精密机械与物理研究所等已经着手这方面的研究，但与国外相比还有一定的差距。
3.2 紫外压印光刻技术
紫外压印工艺是将单体涂覆的衬底和透明印章装载到对准机中，在真空环境下被固定在各自的卡盘上。当衬底和印章的光学对准完成后，开始接触压印。透过印章的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。与热压印技术相比，紫外压印对环境要求更低，仅在室温和低压力下就可进行，从而使用该技术生产能大大缩短生产周期，同时减小印章磨损。
由于工艺过程的需要，制作紫外压印印章要求使用能被紫外线穿过的材料。以往紫外压印工艺中印章是用PDMS材料涂覆在石英衬底上制作而成。PDMS是一种杨式模数很小的弹性体，用它制作的软印章能实现高分辨率。然而在随后的试验中发现由于PDMS本身的物理软性，在压印过程中在外界低压力下也很容易发生形变，如图5[11]所示。
附图
图5 紫外压印过程中可能出现的印章形变示意图
近来，法国国家纳米结构实验室提出使用一种3层结构的软性印章，以减小紫外压印印章的形变。该印章使用2mm厚的石英衬底，中间一层是厚度为5mm的PDMS缓冲层，顶层是由PMMA构成。具体制作印章步骤是先将PMMA均匀涂覆在被离子激活的PDMS材料上，在PMMA上镀上一层30nm厚的锗薄膜作为后续工艺中的刻蚀掩模，再在锗薄膜上涂覆对电子束灵敏度高的抗蚀剂，随后用电子束光刻及反应离子刻蚀就可在印章顶层PMMA上得到高纵横比的图案，最后将残余锗薄膜移去即可。使用该方法可以在保持高分辨率情况下大大提高印章的坚硬度，减小印章压印形变，图6 所示为在这种印章上获得的纳米图案[11]。
附图
图6 3层结构印章顶层PMMA上获得的纳米图案
4 展望
纳米科技现在已成为倍受人们关注、最为活跃的前沿学科领域，它使人类在改造自然方面进入到原子、分子级的纳米层次，从而给国民经济和国家安全带来深远的影响。正像产业革命及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米科技的发展将带来一场工业革命，成为21世纪经济增长的新动力。
纳米光刻技术是纳米科技发展的基础，它涵盖了从电子束到极紫外的宽光谱范围，包括纳米压印技术以及更多的创新性概念。目前美、日两国在纳米光刻领域的研究处于世界领先地位。2003年东京精密和索尼以及其它各大厂家联合开发出低能电子束投影光刻（LEEPL），它能达到30nm线宽，价格仅为上代光刻机的三分之一。为了应对纳米技术的挑战，最近几年欧洲通过开展国家间的大型合作项目技术对纳米光刻技术进行深入的研究和发展，期望能衍生出更加完备的微加工技术方法，从而适于复杂图案和器件的制造。
纳米光刻技术可用于纳米材料制作、纳米器件加工、纳米长度测量、纳米物质的物理特性研究等方面，还可用于对DNA链和病毒进行处理等，在生物工程中具有重要的应用前景。只有掌握最新纳米结构制造技术，才能在未来科技发展中拥有竞争力。