微纳米加工技术及其应用

绪论1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。

2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。

3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。

（类似于3d打印机？）4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。

如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。

（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系）5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。

平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。

6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。

光学曝光技术1：光学曝光方式和原理可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。

其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。

接触式曝光可分为硬接触和软接触。

其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。

采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。

掩模间隙与图形保真度之间的关系W=k√λz其中w为模糊区的宽度。

掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。

适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。

投影式曝光：投影式曝光广泛应用于大批量大规模集成电路的生产。

评价曝光质量的两个参数：分辨率和焦深。

分辨率（最小可分辨图形线宽）R=k1λNA，其中NA为数值孔径，由上式可知为了提高曝光分辨率可从如何降低k1，开发短波长光源，大数值孔径透镜方面入手。

焦深DOF=k2λ(NA）2，由上式可知，单纯地提高分辨率会降低焦深，而在大规模集成电路的生产过程中，焦深甚至更为重要。

每一层掩模的设计都有一个最关键的尺寸，通常是最小的图形，这一关键尺寸称为CD。

CD值需控制在一定的范围内才能使制造的集成电路有效地工作。

2：光学曝光的工艺过程①硅片表面处理：去除污迹，表面绝对干燥，涂附一层化学增附剂——HMDS；②涂胶：一般有两种方法——“甩胶法”和喷涂法。

③前烘：蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使硅片表面胶固化。

④曝光：在曝光机中进行曝光。

⑤后烘：可以部分消除驻波效应，采用涂抗反射涂层的方法可以有效防止驻波效应。

⑥显影：三种显影方法——浸没法，喷淋法，搅拌法。

⑦清除残胶: 显影过后硅片表面会残留一层胶质层，有时会妨碍下一步的图形转移，但并不是所有情况下都要去残胶。

⑧坚膜：硬烘烤，并不是一步必须的工序。

⑨图形转移：光刻胶本身只起到了一种掩模作用。

⑩去胶:有两种方法——湿法（酸碱类溶液或有机溶剂，如丙酮），干法（等离子体如氧气刻蚀去胶）。

3：光刻胶的特性定义：光刻胶是指一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料。

作用：作为抗刻蚀层保护硅片。

分类：正型光刻胶和负型光刻胶。

二者的区别是正型光刻胶曝光部分被去除，负型光刻胶曝光部分被保留。

组成部分：树脂型聚合物，溶剂，光活性物质（PAC），添加剂。

注意:光刻胶不仅对光敏感，有些光刻胶对电子束，离子束也敏感。

光刻胶的一些指标：①灵敏度——衡量曝光速度；（正负的定义不同）②：对比度——影响胶的分辨能力；③抗刻蚀比——刻蚀胶和刻蚀硅片的速度之比；④分辨能力⑤曝光宽容度——偏离最佳曝光剂量时，曝光图形的线宽变化情况；⑥工艺宽容比——偏离最佳工艺条件时，光刻胶的性能变化情况；⑦膨胀效应——负型光刻胶会出现这种情况；⑧热流动性——玻璃化转变温度：⑨黏度——衡量光刻胶的可流动性的；⑩保质期限——尤其对紫外光成分敏感。

正型光刻胶，负型光刻胶，暗场掩模，亮场掩模组合起来使用，可以获得任意的曝光图形。

相比之下，正型光刻胶的性能更优，用途更广。

其他光刻胶：化学放大胶，特殊光刻胶——厚光刻胶，彩色光刻胶，可进行电镀涂附的光刻胶等。

4：光学掩模的设计和制造㈠明确定义掩模层：定义每层掩模的作用。

㈡做好掩模对准标志：确定层与层之间的位置关系，微系统器件可以使用掩模对准式曝光机曝光，大规模集成电路使用重复步进式平曝光机。

㈢严格遵守设计规则：不同的工艺具有不同的最小可实现图形尺寸，具有一套掩模设计规则，来规定最小尺寸和最小间距。

掩模制造的本身就是一个微细加工过程。

5：短波长曝光技术⑴深紫外曝光技术———R=k1λNA，可知减小波长，可以获得更小尺寸的加工图形。

一般，436nm为G线，356nm的为I线。

采用准分子激光器的深紫外曝光技术。

⑵极紫外曝光技术——极紫外是波长为13nm的光辐射。

而其本质是一种软X射线。

极紫外波长可被几乎所有材料吸收，故所有的光学系统包括掩模都必须是反射式的。

组成：①极紫外光源——等离子体激发和同步辐射源；②极紫外光学系统——利用多层膜反射镜，可提高反射率；③极紫外掩模——掩模基板和金属层；④极紫外光刻胶——更高灵敏度和分辨率。

X射线曝光技术：X射线是指波长在0.01~10nm间的电磁波谱，又可分为软硬两种，这里讨论的是硬X射线。

X射线不能被折射，故只能做成1∶1邻近式曝光，不可做成缩小式曝光，这样就加大了掩模的制造难度和成本。

6：大数值孔径（NA）和浸没式曝光技术⒈大数值孔径是高分辨率成像的必要条件。

⒉但是，增加数值孔径会受到焦深的影响和限制，DOF=k2λ(NA）2，过大的数值孔径会使焦深过小。

⒊进一步增加数值孔径还受到光极化效应的影响——当数值孔径达到0.8以上时，光波通过透镜会被极化成s极和p极分量，在大入射角的情况下，s极分量会被反射，使得入射光的能量损失以及成像对比度下降。

（采用极化光照明，使得入射光中只有p极分量，这样就不存在极化反射的问题了）。

⒋提高光学曝光数值孔径的最成功的方法是浸没式曝光技术——又称为湿式曝光，即将传统的空气介质换为介质水。

浸没式曝光的最大难题是微气泡问题——当曝光镜头在硅片表面高速移动进行扫描步进式曝光时，会在镜头与硅片表面的水溶液层中形成大量的微气泡，这些微气泡会大大的改变光波在水液层中的传输性质。

7：光学曝光分辨率增强技术除了λ和NA外，提高分辨率的另一个方法就是改变k1因子。

k1因子包含了透镜光学以外的因素，它的理论极限值是0.25。

这些技术统称为光学曝光分辨率增强技术。

⒈离轴照明技术——有意将中心轴部分的光遮住，这有利于衍射光波的高次谐波分量通过透镜成像到硅片表面上。

主要有两种方式：环形离轴照明和四级离轴照明。

该技术是一种最易实现，成本最低的分辨率增强技术。

⒉空间滤波技术——在频域空间调制掩模成像的光强和相位，以改善图形的分辨率和焦深。

主要目的是突出高频分量，部分遏制低频分量。

但该技术实施起来较为困难。

⒊移相掩模技术——空间滤波技术在掩模上的运用，调制光波的相位来改善成像的对比度和焦深。

常见形式有：辅助式，交替式，周边式，无铬式，衰减式。

各种移相掩模的目的都是通过引进相反的相位光波，在相的边缘部分产生抵消作用。

交替式掩模对光学曝光的改进最为显著，但其也存在明显的缺点：⑴只适用于高度周期重复的图形：⑵相位冲突问题；⑶掩模制造复杂。

故交替式是强移像型，但不适用于任意的图形，周边式和衰减式属于弱移像型，但适用于任意的图形。

⒋光学邻近效应校正技术光学邻近效应：衍射成像在成像过程中会丢失高频分量，使得成像的清晰度下降。

光学邻近效应校正的方法就是——有意的改变掩模的设计尺寸和形状来补偿图形局部曝光过强或过弱。

另外一种校正技术不是修改设计图形本身，而是在设计图形附近加一些图形（亚分辨率辅助图形）或散射条。

这些辅助图形的尺寸很小，不会在光刻胶上成像，但其会影响光强分布，从而影响设计图形的成像质量。

反向曝光技术（ILT）——从理想光学成像出发，反向设计获得能够产生理想成像的掩模图形。

⒌面向制造的掩模设计技术面向制造的设计（DFM）——首先确定制造工艺的可能性，然后通过改变调整电路设计以适应具体的制造工艺。

⒍光刻胶及其工艺技术严重问题——曝光的线条边缘粗糙度（LER）。

许多随机效应都会造成LER。

抗蚀剂的灵敏度越高，LER越明显，二者是明显矛盾的。

光刻胶对紫外线的吸收随波长的缩短而增加。

表面成像技术（TSI）是解决浅曝光层和厚光刻胶层矛盾的技术之一。

高分辨率光学曝光还带来其他一些问题。

⒎二重曝光与加工技术目前唯一一种可以突破k1因子的理论极限值的技术。

稀疏孤立的图形比密集图形的光学曝光更容易实现。

半周期_ ——反映了线条的密集程度，不但包括线宽，还包括线条之间的间距。

二次曝光——对密集图形可以分为两次曝光稀疏图形，让二次曝光的图形相重叠，最后合成的图形即为原先设计的密集图形。

⒏光学曝光的计算机模拟技术计算机模拟的作用——优化曝光工艺和参数；研究发现新技术。

①部分相干光成像理论——对于大数值孔径的光学曝光系统，需考虑光波的矢量效应，通过求解三维完全电磁方程的方法来计算曝光能量的分布。

②计算机模拟软件COMPAPE该软件以标量衍射理论计算投影式曝光的光强分布，以Dill方程计算光刻胶的曝光过程，以Dill模型或Mack模型来计算光刻胶的显影过程。

③光学曝光质量的比较模拟的目的是找出最佳的工艺条件和曝光条件，找出最佳的掩模设计方案。

比较的标准——Ⅰ：比较光学想; Ⅱ:比较显影后的光刻胶图形。

Ⅰ：比较光学想——光学想的比较主要是比较像分布的对比度和焦深。

比较光学想可排除光刻胶及具体工艺条件的影响，直接对光学系统和掩模系统进行评价。

是一种定性的评价。

Ⅱ:比较显影后的光刻胶图形——对某一种光刻胶比较曝光剂量和散焦对CD的影响，有两个标准：⑴摆动曲线反映了入射光在胶层中的驻波效应；⑵微笑曲线反映了CD随散焦量和曝光剂量的变化。

⒐其他光学曝光技术投影式曝光适用于大规模生产，但由于其设备过于昂贵，并不适用于科学研究，故开发了一系列的低成本曝光技术，同样可以获得100nm以下的曝光能力。

①近场光学曝光技术——即为接触式曝光技术。

近场光学曝光又可称为“消散波近场光学曝光技术”。

为了实现纳米近场曝光需要采用薄膜材料制成的掩模。

在掩模和硅片间抽真空可以实现掩模与光刻胶表面的完全亲密接触。