图5-5是采用EUVL技术在硅片上刻蚀的线宽分别为200nm、 150nm和100nm的纳米线条图案。
• Ｘ射线光刻技术(XRL) Ｘ射线曝光过程与光学曝光过程类似，都是将掩模板上的图形 转移到硅表面的光刻胶上。由于到目前为止还无法对Ｘ射线 聚焦，采用的曝光系统基本都是无投射光学系统的近贴式和 1:1投影式(图5-6)。
Ｘ射线光刻技术(XRL)的特点 •波长短，可获得极高的分辨率； •焦深容易控制； •Ｘ射线可用高能电子束轰击不同的金属靶材料产生，也可用激 光等离子体方法或高能同步辐射加速器所产生的同步辐射获得
• Ｘ射线掩模板是由氮化硅或碳 化硅等轻元素材料做成； • 掩模的制作难度大，同时使用 过程中的受热变形问题是Ｘ射 线光刻技术需解决的难关。 图5-7展示了采用XRL技术在 硅片上刻蚀的线宽和线间距都 为75nm的纳米线条图案。
第五章 有序纳米结构及其应用
定义
有序纳米结构是指由零维纳米微粒、一维纳米材料构 筑的，在长程范围内具有一定排布规律，有序稳定 的纳米结构。
纳米尺度的加工技术有两类： •“ 自上而下” 方式(Top-down) 用光线或电子束等削除大片材料，从而 留下所需要的微细图形结构，主要用于 制造存储器和CPU等半导体器件，如 纳米刻蚀技术。 •“ 自下而上” 方式(Bottom-up) 用人工手段把原子或分子一层一层淀积 (在极端情况下可以把原子或分子一个 一个的淀积)来形成新的晶体结构(人工 晶格)，从而造出新的物质或者新的器 件，如自组装方法。
光刻技术主要包括图形复印和定域刻蚀两个方面。 •图形复印 经曝光系统将预制在掩模板上的器件或电路图形按所要求的位 置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层 上。光通过光掩模板透射到光致抗蚀剂上，通过改变抗蚀剂的 化学性质和溶解性，在基片上印上一定图样的电路。 即用普通光学手 段将模板上的图 形透射到抗蚀剂 层(曝光工序) ， 经显影在曝光区 (对于正抗蚀剂) 或未曝光区(对 于负抗蚀剂)便 能留下干净的半 导体表面，流程 图见图5-2。
• 极紫外光刻技术(EUVL) 用波长范围为11~14nm的光，经过周期性多层膜反射镜，照射 到反射掩模上，反射出的 EUV光再经过投影系统，将掩模图形 形成在硅片的光刻胶上(图5-4)。
极紫外光刻技术(EUVL)的特点 •与传统光刻技术中的透射式光学系统不同，EUVL技术采用了 反射式光学系统； •工艺兼容性、技术规范和系统要求与传统光刻技术非常相似， 容易被现代的半导体工业接受和采用； •曝光波长短，很容易获得高的分辨率； •无需采用近邻效应校正技术和移相掩模技术，有利于降低光刻 成本。
• 纳米掩膜刻蚀技术 将具有纳米结构的材料有序排布成所需的阵列，通过转移技术 转移到基片表面；利用有序排布的纳米结构做掩膜，结合反应 离子刻蚀(RIE) 等工艺所需的纳米图形。形成纳米结构图形的 关键在于构建稳定的纳米阵列掩膜，并将其规则有序地转移到 基底表面。 纳米掩膜刻蚀技术工艺简单，成本 低，适合大规模生产，颇有发展前 景。但该技术还不够完善，其发展 方向为：精确控制结构纳米尺寸， 规则操控排布纳米掩膜，把微阵列 转移排布到特定的区域构建纳米结 构器件原型，在大的面积范围内规 则定义图形。
定域刻蚀 利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介 质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图 形完全一致的图形。示意图见图5-3所示。
光刻技术成像质量的评价两个重要的指标：分辨率和焦深。 •分辨率 表示能分辨的最小线宽，能分辨的线宽越小，分辨率越高。光 学光刻的分辨率决定了芯片上单个器件的最小尺度。 •焦深 表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想脚面的 范围。焦深越大，对图形的制作越有利。 R = k1 λ/ NA D = k2 λ / (NA)2 其中，R为分辨率，D为焦深，λ为曝光波长，NA为数值孔径， 由成像系统决定，k1和 k2是与系统有关的常数。减小波长、增 加数值孔径、减小 k1等方式都可以提高光刻曝光系统的分辨率， 其中减小波长是主要手段。 瑞利定律： 因此为了能制备更小尺寸的微结构，人们对光刻技术的光源作 了不断的改进，形成了包括极紫外光刻技术(EUVL)和Ｘ射线光 刻技术(XRL)等在内的后光学光刻或下一代光刻技术。
5.1.3 纳米压印技术(NIL)
将具有纳米图案的模版以机械力（高温、高压） 压在涂有高分 子材料的硅基板上，等比例压印复制纳米图案，进行加热或紫 外照射，实现图形转移。 • 加工分辨力只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最 短曝光波长的物理限制，可以制作线宽在5nm以下的图案； • 低成本、高产出。 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 5.2. 自组装技术 5.3. 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米 结构 5.4 有序纳米结构的应用
5.1. 纳米刻蚀技术 5.2. 自组装技术 5.3. 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米 结构 5.4 有序纳米结构的应用
5.1.1 极紫外光刻(EUVL)和X射线光刻(XRL) 5.1.2 电子束刻蚀(EBL)和离子束刻蚀(IBL) 5.1.3 纳米压印技术(NIL) 5.1.4 其他几种纳米刻蚀技术
• 离子束刻蚀(IBL)的特点 由于离子是从一个在外电场作用下形成的极小的液体尖端发 射的，其发射面积仅为几个纳米，因而可以较容易地利用离 子光学系统将发射的离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率 离子束曝光； 由于离子质量重，在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度 要比对电子高数百倍； 液态金属离子源发射的离子具有较大的能量分散，而聚焦离 子束系统所采用的静电透镜有较大的色差系数，由于色差的 影响，无法将离子束聚焦成电子束一样细，因而其分辨率比 电子束曝光低； 由于离子质量重，在感光胶中的曝光深度有限，大大限制了 离子束曝光的应用范围。
• 电子束刻蚀(EBL)的特点 电子束的辐射波长则可以通过增大能量来大大缩短，因此电子 束曝光的分辨力远远超过光学光刻分辨力; 电子束曝光利用电磁场将电子束聚焦成微细束，辐照在电子抗 蚀剂上，避开了光学透镜材料的限制； 电子束可方便地由电磁场偏转扫描，复杂的电路可直接写在硅 片上而无须使用掩模板，具有灵活性，可直接制作各种图形。 由于电子束是把电路图形一个像素一个像素地扫描曝光到硅片 上，速度慢，无法适应大工业批量生产的需要； 由于电子质量极轻，在感光胶中的散射范围很大，这些散射电 子会影响邻近电路图形的曝光质量，邻近效应很难控制。 图5-9展示了采用 EBL技 术在硅片上刻蚀的线宽 分别为100nm和12nm的 纳米线条，以及规则的 六角图案。
• 微接触印刷(CP) 用弹性模板结合自组装单分子 层技术在基片上印刷图形的技 术。是一种形成高质量微结构 的低成本方法，可以直接应用 于制作大面积的简单图案，适 用于微米至纳米级图形的制作， 最小分辨率可达 35nm。
图5-13所示为 Co纳米粒子微接 触印刷过程示意图。
纳米压印技术除操作简单外，还可以采用层层压印的方式获得 三维有序纳米结构，图5-14展示了这种层层压印方式的示意图，以 及一个三层压印技术获得的立体纳米线条图案。
• 热压印(HEL) 在高温条件下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。
• 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； • 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，且其化学性质稳定， 与大多数化学药品不起反应，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(350V)，再用反应离子刻蚀在SiC表面 得到具有光滑的刻蚀表面和垂直面型的纳米图案。
热压印的主要工艺过程如图5-10所示.
整个热压印过程可以分为三步： 1. 聚合物被加热到它的玻璃化温度 以上； 2. 在印章上施加机械压力 ； 3. 压印过程结束，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5-11展示了热 压印技术所用的 硅印章以及在硅 圆片上复制的纳 米图案，还有线 宽200nm的线条 图案。
5.1.2 电子束刻蚀(EBL)和离子束刻蚀(IBL)
在光学光刻技术中，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 统和掩模板的材料，这使得光学 光刻在技术上遇到其难以跨越的 困难。为此，人们将目标从光学 光刻技术转到了无须使用掩模板、 波长更短、可以用电磁透镜聚焦 的高能带电粒子束(电子和离子) 刻蚀，示意图见图5-8。 • 电子束刻蚀(EBL) 是以电子束作为集成电路的刻蚀手段
• 纳米压印的特点 • 高分辨率，因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光 中的散射现象。 • 高产量，因为它可以像光学曝光那样并行处理，同时制作成 百上千个器件。 • 低成本，因为它不像光学曝光机那样需要复杂的光学系统或 像电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统。
5.1.4 其他几种纳米刻蚀技术 1. 纳米掩膜刻蚀技术 2. 基于扫描探针显微镜(SPM)的纳米刻蚀技术 3. 蘸笔纳米印刷术(DPN)
5.1.1 极紫外光刻(EUVL)和X射线光刻(XRL)
Extreme Ultravoilet Lithography, EUVL; X-Ray Lithography, XRL 传统半导体加工中的光刻工艺 •光刻 利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩模板对光透射的 选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程。 •光致抗蚀剂 简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后能改变抗蚀能力的高分子 化合物，包括正抗蚀剂和负抗蚀剂两种。 正抗蚀剂--紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶； 负抗蚀剂--紫外光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶。 •光掩模板 俗称光掩模或光刻板，是指在光照时覆盖于光刻胶膜上，除特 定区域外均对光有掩蔽作用的图样，也就是晶体管制作所需图 样的模板。