微纳米加工技术的研究进展与应用

微纳米加工技术的研究进用展与应用

摘要：

微纳米加工技术是一个新兴的综合性的制造技术, 有良好的应用前景。纳米技术微微机电系统（MEMS）技术和纳米技术的简称，是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家兴起的高校科学技术。微纳米技术的研究和发展必将对21世纪的航空、航天、军事、生命科学和健康保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域产生深远影响。本文对微纳米加工技术的进展与应用作了简要介绍。

关键词：微纳米加工发展应用

引言：

随着科技发展, 对超精密装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求越来越高, 从而使得对特征尺寸在毫米以上级别, 采用多种材料, 且具有一定形状精

度和表面质量要求的精密三维零件的需求日益迫切。微纳米加工技术是指实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。

微纳米加工技术的被加工工件尺寸在10mm~1m 之间,表面加工精度高于1μm, 形状精度高于1μm。微纳米加工技术主要包括: 微纳米加工的机理, 微纳米加工的设备制造技术, 微纳米检测技术, 微纳米加工工作环境条件等。

微纳米检测技术是实现微米, 亚微米乃至纳米量级检测的技术及其相应系统。微纳米检测技术可以大幅度提高产品制造过程中的精度, 提高计量等级, 对微纳

米产品进行直接检测和检定, 能够实现生产过程中的在线检测和控制。

因此, 纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础, 是当前世界科学研

究巫待解决的难题之一。

一、光刻技术

光制造是指通过光与物质的相互作用实现材料成形与改性的过程。光刻技术是应用于光制造的典型实例。传统的光刻技术是一种利用类似于照相复制的曝光与刻蚀相结合的技术，通过曝光和显影工序把集成电光刻掩模版的版图图形转移到光刻胶上，然后通过刻蚀工艺再转移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、纳米尺度的集成电路图形层。其他微、纳米加工领域也都借用半导体集成电路的工艺技术，尤其利用光刻技术实现微、纳米尺度的制造。1965年，G.More在报告中指出，每隔1824个月，芯片的容量将增加1倍，后来演变成了著名的“摩尔定律”。光刻技术作为半导体工业的主流工艺技术，极大地促进了集成电路(IC)

的发展。光刻所获得的最小线宽已成为新一代集成电路的主要技术指标，光刻技术决定着集成电路工艺水平的高低。由于光刻工艺过程需要重复性，因而光刻产

品的成本和质量受到光刻技术稳定性和可靠性的影响较大。因此，光刻技术的纷争主要在于厂家可以提供给用户什么样分辨率和产能的设备以及相关的技术。下面重点介绍几种新型光刻技术在微纳制造中应用的现状及展望，主要有准分子光刻技术、极紫外（EVU）光刻技术、电子束光刻（EPL）、离子束（IB）曝光技术、X射线（XRL）光刻技术和纳米压印光刻（NIL）等。

1.准分子光刻技术

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，要包括：特征尺寸为0.1um的248nmKrF准分子激光技术；特征尺寸为90nm的193nmArF准分子激光技术；特征尺寸为65nm的193nmArF浸没式技术(Immersion,193i)。其中193nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气，而浸没式技术则是将空气换成液体介质。实际上，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径（NA），同时可以显著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL），浸没式光刻技术正是利用这个原理来提高其分辨率。世界三大光刻机生产商ASML，Nikon和Canon的第一代浸没式光刻机样机都是在原有193nm干式光刻机的基础上改进研制而成，大大降低了研发成本和风险。因为浸没式光刻系统的原理清晰而且配合现有的光刻技术变动不大，目前193nmArF准分子激光光刻技术在65nm以下节点半导体量产中已经广泛应用；ArF浸没式光刻技术在45nm 节点上是大生产的主流技术。为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上，光刻专家一直在寻找新的技术，在没有更好的新光刻技术出现前，两次曝光技术（或者叫两次成型技术，DPT）成为人们关注的热点。ArF浸没式两次曝光技术已被业界认为是32nm节点最具竞争力的技术；在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中，浸没式光刻技术也具有相当大的优势。浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题；研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题；研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料；以及有效数值孔径NA 值的拓展等问题。针对这些难题挑战，国内外学者以及ASML，Nikon和IBM 等公司已经做了相关研究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展，以满足更小光刻线宽的要求。

2.极紫外光刻技术

提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的NA或缩短波长，通常首先采用的方法是缩短波长。早在80年代，极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实验，该技术的光源是波长为11~14nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。由于所有的光学材料对该波长的光有强烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系统主要由四部分组成，

即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极紫外光源系统和能用于极紫外的光刻涂层。其主要成像原理是光波波长为10~14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上，通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。目前EUV 技术采用的曝光波长为13.5nm，由于其具有如此短的波长，所有光刻中不需要再使用光学邻近效应校正（OPC）技术,因而它可以把光刻技术扩展到32nm 以下技术节点。2009年9月Intel第一次向世人展示了22nm工艺晶圆，称继续使用193nm 浸没式光刻技术，并规划与EUV 及EBL 曝光技术相配合，使193nm 浸没式光刻技术延伸到15和11nm 工艺节点。2012年4月Intel在北京天文馆举行发布会，正式发布了采用22nm工艺制造的核心代号为IvyBridge的第三代酷睿处理器，首次引入了Intel的3D晶体管技术，SNB处理器中的晶体管数量由11.6亿个增加为14亿个。目前EUV光刻技术面临的挑战有：①研发高功率（大于115W）、高投射率和高寿命的光源系统；②制造低缺陷密度的掩模基板；③研发低线宽边缘粗糙度（小于3nm）、高感光灵敏度（小于10mJ/cm2）和高分辨率（小于40nm）的光刻胶。高功率的极紫外激光器是EUV实现芯片批量生产的前提，因而光源的研制就成了降低EUV光刻机成本的关键。极紫外光源的设计比较困难，现有的激光器在极紫外波段的输出功率较低，达不到ＥＵＶ光刻所需的能量要求。开发EUV光源的最大难点在于如何在提高EUV光源功率的同时，降低等离子中微粒的污染，避免光源快速恶化。EUV光源的设计路线有两种：源于放电型等离子体激光器（DPP）和基于放电型等离子体激光器（LPP）。LPP光源更小更亮，较DPP更有优势。极紫外光刻技术另一个重大的挑战是如何制造满足纳米级光刻的、无致命缺陷的、多层反射膜结构的反射透镜和反射掩模。多层反射膜结构是采用每层要求绝对平滑的80层Mo/Si薄膜相堆叠，每个Si层与Mo层的厚度分别为4.0和2.8nm，要求反射透镜和反射掩模上颗粒的直径不能大于50nm，制作过程中通常还要利用高精密度的掩模缺陷修正技术，如电子束局部加热气化和离子铣等。尽管极紫外光刻技术面临着诸多挑战，但其较低的产业发展成本和较强的延续性被众多公司和学者看好，被认为是能够满足未来16nm生产要求的主要技术。

二、应用SPM技术进行纳米去除加工

扫描探针显微技术的基本方法是使用探针对试样表面进行探测和操作, 其原理是利用针尖原子充分接近试样表面原子时, 即在高度空间约束条件下原子和原子间局域化场如力、电、磁、光等物理量对空间原子间距的微小变化敏感的性质, 通过检测这些物理量白锐微小变化实现包括表面形貌、性质和一个个原子状态的观测这里，探针对表面的检测包含两方面，即检测表面上各点的物理量和检测随各点凹凸方向变化的物理量。这个物理量, 对于扫描隧道显微镜（STM）,

是检测探针针尖一表面之间的隧道电流, 对于原子力显微镜（AFM）是检测探针针尖一表面之间的原子力, 而表面上各点的检测则是通过探针对试样表面扫描进行的。一般地, 御玛的物理量其敏感变化的空间约束范围在nm数量级以内, 扫描探针显微技术通常是通过一组压电陶瓷等电到申缩器件来控制和保持这种探针与试样表面的约束关系, 再通过另外两组电致伸缩器件来实现表面观察或操作时的平面扫描, 并将检测获取的表面信息数据经计算机处理后再现表面的形貌、状态等。因此, 扫描探针显微技术的超高空间分辨本领和实时监控能力是基于现代物理原理, 利用精密机械带制造技术和检测技术以及电子控制技术、计算机技术等实现的。也就是, 扫描探针显微镜拥有一个能产生原子量级的空间运动机构, 这种机构在试样表面的垂直方向上易于实现0.01nm的分辨率, 水平方向上则育跳眺续0.1nm的空间分辨水平。这种原理和方法可以应用于材料的纳米去除加工和检测使用刃具对材料进行纳米去除加工, 除了注意到有工具的精度和材料的可加工性等影响因影外，最重要的是必须使刃具对于材料产生稳定、可靠、优于纳米精度的运动。上述SPM以技术中的原子量级的空间运动机构提供了生成纳米精度的加工运动基础。如上述, 可以利用压电体的电致伸缩现像, 即通过施加一电压于压电体上使之产生某一方向的微小变化，来实现精度的加工运动。这种运动方式的机构具有很高的刚性，且由于微小量的去除加工其加工力相对来诸良小, 例如加工宽为0.5mm，去除量或切削深度为数um铜试样, 加工力大约在数十克左右且力的变化也很小, 因而可以认为压电体等构成的加工机构有足够高的动态刚性及动态响应能力。另外, 环境也将是影响纳米加工的重要因素,尤其是振动, 在实验室环境下存在微米级振幅的振动并非异常。SPM观测技术中为消除源自环境的各种振动因素的影响, 采用了多级减震措施。可以认为, 达到了表面原子状态测试的SPM设备, 源于外部的机械扰动因素已得倒有效衰减而不致影响原子量级的测试。这些原理和技术同样适用于纳米加工机构的设计, 使生成纳米加工运动的外翻浙动因素如振动、漂移、尘埃颗粒等借助描探针显微技术能有效地抑制。基于上述的讨论和分析, 纳米去除加工的初期实验采用如下的切削方法。为了使纳米切削装置产生具有等同于SPM设备所具备的原子级空间分辨能力, 实验将加工装置直接置于SPM装置内, 并利用SPM装置的扫描机构产生纳米切削运动, 于是这种方法获得的加工环境与SPM作表面原子状态观测时的测试环境一致。

三、微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术。新技术取代老技术, 先进技术取代落后技术是客观发展规律。加工技术本身从来都只是手段, 其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产。因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求。新的加工技术将会不断出现。就集成电路开发而言,将

电路尺寸做得越来越小始终是工业界不懈追求的目标。目前证明传统晶体管工作原理在50nm以下的结构尺寸仍适用。而量子器件可以将电路尺寸缩小到10nm以下。纳米电子器件与分子电子器件都对加工技术的能力提出了更高的要求。光学曝光技术目前可以实现45nm左右的分辨能力。当光学曝光技术退出历史舞台,后面有极紫外技术或纳米压印技术和电子束投影曝光技术。这些“后光学时代”的加工技术仍在进一步发展完善之中。虽然有许多加工技术可以实现50nm以下的加工能力,但在工业生产中,经济因素往往是某一技术的生命力的决定因素。最说明问题的例子是X射线光刻技术。X射线光刻曾有其辉煌发展时期。曾经为半导体工业界看好为最终的光刻技术。但光学曝光技术本身的进步与高经济效益使工业界逐渐放弃了X射线光刻技术。微系统技术,包括微电子机械,微流体,微光学系统, 为微纳米加工技术的发展开辟了广阔的天地。虽然微系统通常不要求非常小的结构尺寸,但由于微系统使用的材料的多样性,服务于微系统制造的加工技术也多种多样。微系统加工面临的一个严峻的挑战是如何与集成电路加工工艺兼容,以实现与集成电路的完全集成。微系统加工面临的另一个严峻的挑战是如何实现标准化加工。微系统加工技术的多样化与微系统本身的多样化造成了标准化生产的极大难度[4]。集成电路生产技术经过近半个世纪的发展已经形成一套非常标准化规范化的技术体系。一个集成电路设计可以送到全世界任何一个代工厂去加工生产。无论在哪里生产,所得到的芯片会具有相同的性能。微系统还远远没有达到这个程度。一些公司试图将某些加工技术标准化。但标准化后的生产技术在不同程度上限制了微系统的性能。某一标准化的生产技术也不可能满足所有微系统应用的需要。所以,小批量多品种是微系统器件工业生产的特点。目前只有极少的几种产品真正达到了大规模生产的水平。因此实现标准化生产工艺是发展壮大微系统技术产业的关键。近年来纳米技术的开发热潮为微纳米加工技术提出了新的要求。纳米尺度结构的加工技术已经存在。最新一代的电子束曝光技术已经能够制作小于10nm的结构。原子力显微镜探针可以操纵单个原子。从科学研究的角度,这些加工技术已经能够满足纳米器件的制作与研究。但这些技术毕竟不是也很难成为大规模生产的技术。为了今后纳米科研成果的产业化,必须开发高生产率低成本的纳米加工技术。纳米压印技术有可能通过进一步开发满足这一要求。另一方面,分子自组装技术具有极大的潜力成为未来的一种大规模生产技术。

结论：

随着近年来人们对生活品质的追求，我相信微纳米技术的发展空间会很大，未来的各个领域将会变得多元化。

参考文献：

1) 崔铮. 微纳米加工技术及其应用. 北京: 高等教育出版社, 2005. 11—250

2) 刘明, 谢常青, 王丛舜，细微加工技术汇[M].北京: 化学工业出版社.2004

3) 傅惠南,庄有土,刘雄伟,王晓红, 纳米加工研究,华侨大学机电工程系福建泉州362011摘