极紫外光刻技术 ❖ 极紫外光的波长可达11～14nm，采用Si和Mo组成
的多层膜作为掩模板，可实现理论分辨率为7nm 的光刻
EUVL光刻实例
X射线光刻技术 ❖ X射线的波长更短，通常采用0.4～1.4nm的X射线。
XRL光刻实例
电子束刻蚀（EBL）和离子束刻蚀（IBL）
电子束刻蚀和离子束刻蚀
分类
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 来，形成新的晶体结构，从而造出新的 物质或者新的器件，如自组装方法。
❖ 定域刻蚀：利用化学或物理方法，将光刻胶薄层未掩蔽的 晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得 与光刻胶薄层图形完全一致的图形。
分辨率和焦深
❖ 在光刻技术中，对成像质量的评价有2个重要指标： ❖ 分辨率：
即能分辨的最小线宽，线宽越小，分辨率越高。分辨 率决定了芯片上单个器件的最小尺寸
❖ 焦深：
❖ 为制备更小尺寸的微结构，人们对光源不断改进，即出现 了极紫外光刻技术(EUVL)和X射线光刻技术（XRL）
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)。
传统光刻工艺中的一些基本概念
❖ 光刻：
利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩膜板对光透射的选 择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程
❖ 光致刻蚀剂：
简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后可改变抗蚀能力的高分子化 合物。区分为正、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
纳米刻蚀技术
极紫外光刻（ EUVL ）
X射线光刻（XRL）
电子束刻蚀（EBL）
离子束刻蚀（IBL）
纳米压印技术（NIL）
其它纳米刻蚀技术
纳米掩膜刻蚀技术
基于扫描探针显微 镜的纳米刻蚀技术
蘸笔纳米印刷术
极紫外光刻（EUVL）和X射线光刻（XRL）
Extreme Ultravoilet Lithography, EUVL; X-Ray Lithography, XRL
电子束刻蚀的缺点
❖ 电子束刻蚀也存在一些严重缺点范围大，散射电子会 影响邻近电路图形的曝光质量
❖ 目前的趋势是，将电子束刻蚀与光学光刻混合， 即大部分工艺由光学光刻完成，精细图形由电子 束刻蚀完成
离子束刻蚀
❖ 离子束刻蚀的加工原理与电子束类似 ❖ 采用高能离子的轰击作用直接对被加工工件进行
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。
传统光刻工艺过程—定域刻蚀
复印好的图形
腐蚀
剥离
剥离
介质层
抗蚀剂
衬底
沉积物
传统光刻工艺中的定域刻蚀过程示意图
打印有序纳米结构和自组装 (2)
精品
关于有序纳米结构
❖ 有序纳米结构：是指由零维、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
❖ 一直以来，科学家都梦想对纳米材料的可控制备， 有序纳米结构的出现，实现了这个梦想。因为它 更强调按照人们的意愿设计、组装、开发纳米材 料
❖ 因此，有序纳米结构组装体系是今后纳米材料合 成研究的主导领域，是将纳米材料走向器件应用 的关键一步
即能够刻出最小线宽时，像面偏离理想脚面的范围。 焦深越大，对图形制作越有利
瑞利定律
❖ 根据瑞利定律
Rk1 NA
Dk2(N)A2
❖ 减小波长、增加数值孔径、减小k1和k2是等都可以提高光刻 的分辨率，其中减小波长是提高光刻分辨率的主要手段
❖ 曝光系统的极限分辨率为λ/2，即半波长。因此，波长为 193nm的光源（ArF激光器）分辨率可达100nm；157nm的 光源（F2激光器）可达80nm
❖ 电子束的辐射波长则可通过增大能量来大大缩短
h m 0c
❖ 其中λ为波长，h为普朗克常数，m0为电子质量，c电子的运动速度
❖ 因此电子束曝光的分辨率要远远超过光学光刻，电子束曝 光制作的最小器件尺寸可达10～20nm，若加速电压高达 100kV时，则可制作1～2nm的单电子器件
电子束刻蚀
图5-9 EBL技术实例
❖ 负抗蚀剂：
光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶
❖ 光掩膜板：
俗称光掩膜或光刻板，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
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
1
纳米刻蚀技术
2
自组装技术
自下而上和自上而下相结合制备 有序纳米结构
4
有序纳米结构的应用
主要内容
1、纳米刻蚀技术
❖ 纳米刻蚀技术是一种微细加工技术 ❖ 它的发展将加工精度从微米级提高到纳米级。 ❖ 纳米级加工是将待加工器件表面的纳米结构单元、
甚至是原子或分子作为直接的加工对象，因此， 其物理实质就是实现原子和分子的去除和增添 ❖ 纳米加工的发展为各种新颖的电子学、光学、磁 学、力学纳米功能器件的开发提供了广阔前景
物理溅蚀，以实现原子级的微细加工
CPU制造
沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而沙子(尤其是石英) 最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在， 这也是半导体产业的基础。
❖ 在光学光刻技术中，由于极紫外线很容易被各种 材料所吸收，继续缩短波长很难找到制作光学系 统和掩模板的材料，这使得光学光刻在技术上遇 到了难以跨越的困难
❖ 而带电粒子束（电子和离子）刻蚀，则具有无须 掩模、波长更短以及用电磁透镜聚焦的优点
❖ 这使得人们将目标从光学光刻转到了电子束或粒 子束刻蚀上
电子束刻蚀