第四章_微纳制造技术_光刻工艺
第四章 微纳制造技术_刻蚀
干法刻蚀缺点
– Some gases are quite toxic and corrosive – Re-deposition of non-volatile compounds – Need for specialized (expensive) equipment
等离子体的产生
• 微电子工业使用的等离子体是一般通过气体辉光放 电的方式产生
2. 干法刻蚀
获得高精度图形转移的常用方法是采用干法刻蚀 。 主要目的是完成地把掩模图形复制到硅片表面上。
干法刻蚀刻一般可分为高压等离子刻蚀、反应离子刻蚀和离 子铣三种类型，对应于从高到低的气体气压下的刻蚀工艺。
干法刻蚀比较
干法刻蚀优点
• Eliminates handling of dangerous acids and solvents • Uses small amounts of chemicals • Isotropic or anisotropic etch profiles • Directional etching without using the crystal orientation of Si • Faithfully transfer lithographically defined photoresist patterns into underlying layers • High resolution and cleanliness • Less undercutting • No unintentional prolongation of etching • Better process control • Ease of automation (e.g., cassette loading)
光刻与微纳制造技术的研究现状及展望
结论
本次演示对微制造光刻工艺中不同类型光刻胶的性能进行了比较。结果表明， 各种光刻胶具有各自独特的优点和缺点，选择哪种光刻胶取决于具体的制造需求 和应用场景。在实际使用过程中，可以结合不同类型的光刻胶来实现优势互补， 提高微制造质量和效率。
未来，随着微制造工艺的不断进步，对光刻胶性能的要求将更加严格，需要 进一步研究和发展具有更高性能的新型光刻胶。
3、光刻工艺优化
1、微纳材料研究。探索新型微纳材料及其性质，为制造高性能微纳器件提 供基础支撑。
2、微纳制造工艺研究。研究和发展先进的微纳制造工艺，如干法刻蚀、湿 法腐蚀、物理沉积等，以满足不同应用场景的需求。
3、微纳制造设备研究。研发高性能、高精度的微纳制造设备，提高制造效 率和产品质量。
参考内容
在电子束光刻技术中，关键部分包括电子源、电磁透镜、扫描电极、工作台 以及控制系统等。其中，电子源是产生电子束的源头，电磁透镜用于聚焦和调节 电子束的直径和能量，扫描电极用于控制电子束的扫描路径，工作台则用于承载 被加工材料，而控制系统则负责整个系统的运行和数据的处理。
二、关键技术
1、电子源的稳定性
参考内容二
随着科技的不断发展，微纳系统在许多领域中发挥着重要的作用。其中，电 子束光刻技术作为一种先进的微纳制造方法，具有极高的分辨率和灵活性，被广 泛应用于微纳系统的制造过程中。本次演示主要探讨微纳系统电子束光刻关键技 术及相关机理研究。
一、电子束光刻技术
电子束光刻技术是一种利用电子束能量雕刻材料表面的技术。该技术的基本 原理是将电子束能量聚焦到材料表面，通过控制电子束的扫描和能量的调节，实 现对材料表面的微纳结构进行精确刻画。
3、离子束光刻胶
离子束光刻胶是一种具有高分辨率和高灵敏度的光刻胶，可在1-50kV的离子 束能量范围内使用。其主要优点是分辨率高、对比度好、耐化学腐蚀，适用于复 杂的三维结构制造。然而，离子束光刻胶也存在一些缺点，如固化速度较慢、成 本较高、操作难度较大等。
光刻与微纳制造中的技术
光刻与微纳制造中的技术光刻是当今微纳制造中最重要的工艺之一，它利用高能量激光束来刻蚀出微小的结构。
该技术已广泛应用于电子器件、光学器件、MEMS、光学与微流体等领域。
在本文中，我们将深入探讨光刻与微纳制造的相关技术。
首先，光刻技术的主要原理是通过光敏树脂的化学反应，利用光刻胶图形转移的技术来刻蚀出微小的结构。
对于光刻胶，有两种主要的选择：正胶和负胶。
正胶应用光阴极版制备，通过紫外光束，产生的酸性化合物使得光刻胶发生交叉链接，从而表现出优异的抗刻蚀性能。
而负胶则利用紫外光和叠氮基团反应形成自由射线酸，从而使光刻胶发生断裂。
正常光刻胶经过光刻曝光、开发等步骤，形成的结构是需要刻蚀的图形的反面。
而负胶以光刻胶开发后去除被曝光的部分，形成所需的微结构。
光刻制程需要通过光刻机进行，包含了光源、光掩模制备、光学系统、曝光程序和开发程序等步骤。
曝光程序中光掩模的准备是其中最关键的一步，这需要使用电子束能够制造出充分细致的光掩膜图案。
目前，半导体行业和MEMS行业通常使用的是“光刻/微影仪”装备。
这种仪器能够将图形转移到光刻胶上面，形成所需的微细结构，同时能够通过调节光刻机内的光学系统来达到准确、高质量的光刻控制。
除了传统的紫外光或电子束光刻技术，最新的纳米光刻技术在光子学器件中的应用越来越广泛。
近期发展的光子晶体、多层介质等光刻技术，使得微细结构的分辨率加倍提高，从而使得可制造出尺寸更小、精度更高的光学器件。
例如，利用光子晶体来替代纳米电路中的电子器件，这些光子晶体能够通过光控制器和化学传感器发生作用，远超纳米电路在同样应用下带来的优势。
在微纳制造业中，光刻是一个重要的加工步骤，但从解决实际制造需求的角度考虑，它实际上只是一系列生成过程之一。
需要的是一系列设备和条件的整合，从而能够使得整个加工流程的能够正常的实施。
由于微纳制造的特殊性质，加工中还需要考虑到材料性质、加工设备的影响等情况。
在此基础上，需要精细的温控和真空处理技术，并清晰的给出各道工序的参数设定。
微纳光刻加工
微纳光刻加工微纳光刻加工，又称微纳刻蚀或微纳投影加工，是一种比传统的光刻加工更先进的三维塑料加工技术，可以快速和精细地制作出复杂的微纳尺寸的结构和特征。
微纳光刻加工的特点在于其精确的尺寸控制，使得它可以被广泛应用于消费电子产品、高性能塑料结构、生物医学器件、微纳仪器和机械部件等领域。
微纳光刻加工技术利用量子化学、物理或化学方法制作出由微纳维度(nm)材料组成的几何结构，可用于各种产品的加工制造。
此技术的主要特点是可以用来精确控制结构的大小，也可以用来轻松地更改结构的形状。
通常，这种技术可以制作出最小尺寸为几十纳米的几何结构，而其精度也可以达到百万分之一毫米。
微纳光刻加工的主要过程是使用一种叫作光刻机的设备，它将一种称为光刻胶的介质涂布在某种基材上，然后通过特定光照射在光刻掩模上完成几何结构的刻划。
光刻机由两个主要部分组成，一个是光源，另一个是用于放大和投影的光学系统。
在微纳光刻加工过程中，光源的光能与掩模上的图案相互作用，使得光胶表面上的模板图案与掩模图案完全重合。
然后，基材上的光胶就会受到表面图案的影响而产生变化，进而形成新的微纳结构。
最后，这些结构都会被一种叫做“熔融清除”的方法从基材上清除，从而完成了一个完整的微纳光刻加工过程。
微纳光刻加工是当今国际上应用最广泛的微纳加工技术之一，并且有很多不同的应用，如生物医学器件、光学薄膜结构、微纳机械零件等等。
由于微纳光刻能以更小的维度制作出精度更高的零件，微纳光刻加工也被广泛用于消费类电子产品的加工上。
此外，微纳光刻技术也被应用于高性能铝塑料结构的加工中，可以有效的改善结构的绝缘性，耐热性和耐磨性等，对于航空航天、精密仪器仪表及汽车等行业来说都具有重要的意义。
微纳光刻加工技术的应用不仅可以提高产品质量，而且也可以节约成本。
由于它可以精确控制尺寸，因此可以有效的减少材料的浪费，从而降低生产成本。
此外，微纳光刻的制造速度也比传统的加工速度快上许多，对于一些生产要求极快的产品来说，这一技术的使用可以显著提升生产效率。
微纳制造技术在机械工程中的应用
微纳制造技术在机械工程中的应用在当今快速发展的科技时代，微纳制造技术成为了一项备受关注的前沿技术。
它主要利用微纳尺度下的加工和制造技术，可以制造出尺寸微小的零件和设备。
微纳制造技术在各个领域都有广泛的应用，尤其在机械工程领域中更是发挥着重要的作用。
一、微纳制造技术的概念与发展微纳制造技术是一种先进制造技术，它涉及到微米和纳米尺度下的加工和制造工艺。
与传统的制造技术相比，它具有更高的精度和更小的尺寸，能够制造出更高质量和更精密的产品。
微纳制造技术主要包括光刻、电子束曝光、微米加工以及纳米加工等技术。
这些技术都需要借助先进的设备和工艺来完成，如光刻机、电子束曝光仪、扫描电子显微镜等。
微纳制造技术起源于20世纪50年代，当时主要用于集成电路的制造。
随着科技的不断进步，微纳制造技术得到了快速发展和广泛应用。
现如今，微纳制造技术已经涵盖了多个领域，包括电子学、光学、生物医学等。
在机械工程领域中，它也得到了广泛的应用和探索。
二、1. 微纳加工技术微纳加工技术是微纳制造技术中的核心技术之一，它主要用于制造微米和纳米尺度下的零件和部件。
在机械工程领域中，这一技术可以用于制造精密的传感器、执行器、机械臂等设备。
通过微纳加工技术，可以实现对材料的精细加工和形状的精确控制，从而提高设备的性能和稳定性。
2. 微纳电子机械系统微纳电子机械系统（MEMS）是一种通过微纳制造技术制造的电子和机械集成系统。
它具有微小尺寸、低成本和高性能的特点，可以用于制造各种微型传感器、执行器和电子器件。
在机械工程领域中，MEMS技术可以用于制造微型机械臂、微型泵等设备，从而实现对微小物体的操控和处理。
3. 微纳流体技术微纳流体技术是一种利用微纳制造技术对流体进行操控和处理的技术。
它主要包括微通道、微喷头和微泵等设备。
在机械工程领域中，微纳流体技术可以用于制造微型液压系统和微型冷却系统，从而提高机械设备的效率和性能。
4. 微纳传感技术微纳传感技术是一种通过微纳制造技术制造的高精度传感器。
微纳米制造技术
etching)工艺可以称得上是微电子工艺中最为关键的 技术，决定着制造工艺的先进程度。光刻就是，在超净环境中，将掩 膜上的几何图形转移到半导体晶体表面的敏光薄材料上的工艺过程。 而此处的敏光薄材料就是指光刻胶（photoresist）。光刻胶又称光 致抗蚀剂、光阻或光阻剂，由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分 组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地 发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性 等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图 像。
先进制造技术 复形工艺
复形工艺是利用具有微纳米尺寸技术的模具在抗蚀剂或基片上直 接复制出相应的微纳米结构的一种微纳制造方法。复形工艺主要包括： 纳米压印、微接触印刷、塑料模压技术和模铸技术等。纳米压印光刻 技术是将传统的模具复型原理应用到微观制造领域，它是一种新型的 微纳米制造技术，具有超低成本、高精度和高生产率的显著优点。与 传统光刻工艺相比，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其 图形化的技术。因此，纳米压印光刻工艺的分辨率不受光的驻波效应、 抗蚀剂表面光反射、抗蚀剂内部光散射、衬底反射和显影剂等因素的 限制，可以突破传统光刻工艺的分辨力极限。
先进制造技术 目录 Contents
微纳米制造技术基本概念 微纳米制造技术分类 光刻工艺 刻蚀工艺 复型工艺
先进制造技术
微纳米制造技术基本概念
微机电系统技术主要涉及0.1μm到数毫米尺度范围内的传感器、微执行器和微系统 的研究开发，它以单晶硅为基本材料，以光刻并行制造为主要加工特点，采用微电子工 艺设备结合其他特殊工艺设备作为加工手段。纳米尺度一般是指1～100nm，纳米科学 是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学，而在同样尺度范 围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术则称为纳米技术，纳米尺度的机电系统则称 作纳机电系统。
微纳制造技术基础——光刻、刻蚀、电化学
n ③特征尺寸从亚微米至亚百纳米的集成电路芯片和表 面功能结构
n 特征尺寸达亚百纳米或纳米级的材料结构/人工生物系 统/纳米电子器件等。
纳米科技－制造技术与科学发展的新天地
National Science and Technology Council (March, 2008)
Chem. Mater. 2006, 18,3599-3601
微制造和纳米制造的关系
n 纳米科技成果走向宏观世界需要微纳制造技术作为桥梁
n 从实验室－产业化 n 从科学手段－工程技术 n 从艺术品和伟大设想－工业品和国计民生
科学家展示了操作单原子的可行性， 如何形成大规模的材料复合和成形？
纳米结构的器件最终必须 集成为宏观的实体
技术挑战和科学问题
挑战 ：去除加工趋向原子层级
E0.U25Vn光m刻；的反射镜：非球曲面的全频谱精度要求达到0.15－ 1RTab≤以0上.1n磁m盘表面、450mm超薄硅圆片等：表面粗糙度 异质表面（超低k介质与铜互连）的亚纳米平整
ü 材料去除所需要克服的力是晶 体的破坏力、原子的键合力， 还是范德华力？
纳米结构
零维纳米结构量子阱、纳米薄膜 纳米带等
三维纳米结构
纳米结构晶体
Nanotechnology 16, (8), 1326-1334 (2005).
Nanotechnology 18, (23), - (2007).
Nature Materials Published online: 21 May 2006
上万面光学镜 片，制造精度为 几十纳米
靶丸制造问题：
微纳制造
微纳加工技术
光学效应，其产生几率正比于光子通量密度的平方，因此双光子吸收 要求相当苛刻的条件，即要求辐射光场有足够强的强度- 飞秒激光具 有脉冲短、强度高的特点，很容易在材料中实现双光子吸收- 由于这 一特点，它在飞秒激光微纳加工领域具有非常重要的应用- 远远超出 衍射极限的分辨本领和真正的三维立体加工，使该方法具有相当的吸 引力和巨大的应用潜力- 双光子聚合实验装置如图所示;
微纳加工技术
1.1 微纳技术概念的提出及应用领域 1.2
随着制造业的发展对加工精度提出了越来越的要求高，传统机床的 加工精度已经远远能满足飞速发展的消费及军工领域的要求，如电子 硅芯片、大规模集成电路，以及对表面粗糙度要求很高的液晶面板等， 于是，人们把眼光投入到精度更高的加工技术上，从最初的毫米级， 到微米级(千分之一毫米)，到纳米级(千分之一微米)，于是，“微纳技 术”这一概念就应运而生了。 微纳技术在二十多年的发展过程中。从刚开始的单纯理论性质的基础 研究衍生出了许多细分。如微纳级精度和表面形貌的测量，微纳级表 层物理、化学、机械性能的检测，微纳级精度的加工和微纳级表层的 加工原子和分子的去除、搬迁和重组，以及纳米材料纳米级微传感器 和控制技术：微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合 系统；纳米生物学等。 另一方面，微纳技术的应用领域也得到了很大拓展。到目前为止。微 纳技术已经被广泛应用于国防军工和民用产品。最主要的应用如纳米 级机械加工、电子束和离子束加、LIGA技术、扫描隧道显微加工技术等。
微纳加工技术
2.1.1激光烧蚀
飞秒激光烧蚀的对象一般为刚性材料，例如绝缘体半导体材料 石英、玻璃材料等, 一个典型的实验装置如图所示
飞秒激光烧蚀实验示意图
微纳加工技术
在图中飞秒激光光源绝大多数是飞秒激光再生放大器， 利用一个 中性密度滤光器控制入射飞秒激光的强度，然后通过显微物镜把飞秒激 光聚焦到待加工物体的表面待加工物体固定在平台上，平台由压电陶瓷 （MNO）控制运动方向和运动速度整个系统与计算机相连。根据加工的 要求编写相应的软件，通过计算机控制整个加工进程关于飞秒激光烧蚀 的物理机制，目前还没有一个统一的看法，这个问题仍旧是科学家们研 究的热点等人利用飞秒激光研究了烧蚀现象，根据实验结果，他们提出 了一个烧蚀机制，认为由于激光能流的作用产生了两种不同的表面形态 一种是在高光子通量情况下，产生普通的加热、熔化、沸腾和汽化，在 材料表面形成三个破坏区，可表示为轻微改变区、起波纹区和烧蚀。第 二种是在低光子通量情况下，非热过程占主要地位，加工剖面非常干净， 表面没有纳米尺度的颗粒另外他们对烧蚀过程中纳米尺度颗粒的产生提 出了自己的看法，认为并不是源于浓缩或者分解的机制，而是缺陷激发 的机制由于晶格存在缺陷，在低通量激光作用下，晶格内缺陷部位吸收 更多的热量，导致温度升高，因此在这个局部区域率先发生熔化、沸腾、 汽化现象，随后烧蚀现象开始出现双光子聚合产生三维微纳结构在光与 物质互作用过程中，如果光强足够强，则物质可能同时从光场中吸收两 个光子，这个现象称为双光子吸收- 双光子吸收是一种典型的三阶非线性
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- 溶剂
• control the mechanical properties, such as the viscosity of the base, keeping it in liquid state.
正性光刻胶(I)
•Two-component DQN resists:
Currently the most popular positive resists are referred to as DQN, corresponding to the photo-active compound, diazoquinone (DQ) and resin, novolac (N), respectively. •Novolac 酚醛 (N): - a polymer whose monomer is an aromatic ring with two methyl groups and an OH group. - it dissolves in an aqueous solution easily.
膜的晶圆片
Photoresist coating 旋涂 光刻胶
Prebake (softbake) 前烘
Mask alignment 对准
Removal of exposed photoresist去 除曝光的
Exposure 曝光
Etching of mask film 腐蚀掩 膜
UV
Carboxylic acid 羧酸 (dissolution enhancer)
正性光刻胶(I)
-Photoactive compound (DQ) is insoluble in base solution. -Carboxylic acid readily reacts with and dissolve in a base solution -resin/carboxylic acid mixture will rapidly takes up water (the nitrogen released in the reaction also foams the resist, further assisting the dissolution) -The chemical reaction during the dissolution is the breakdown of the carboxylic acid into water-soluble amines such aniline and slat of K (or Na depending on the developer). -Typical developer KOH or NaOH diluted with water
Intensity ∝ (Electrical amplitude)2
Positive vs. Negative Photoresist 正性和负性光刻胶
传统光刻胶
Typically consist of 3 components: -树脂或基材 • a binder that provides mechanical properties (adhesion, chemical resistance, etc) - 光敏化合物(PAC)
正性光刻胶(II)
• PMMA (Ploymethyl methacrylate)
������ ������ ������ ������ short-wavelength lithography: deep UV, extreme UV, electron-beam lithography r resin itself is photosensitive (Slow) (pro’s) high resolution (con’s) ������ Plasma etch tolerance of the resist is very low. it needs to have thick PMMA to protect the thin film, otherwise the PMMA will disappear before the thin film doesdissociation of PMMA changes the chemistry of the plasma etch and often leads to polymeric deposits on the surface of the substrate. ������ Low sensitivity it needs to add PACs or to elevate exposure temperature to increase the speed ( the elevation of temperature can also increase the contrast)
film of chromium （铬）covered with resist and anti-reflective coating (ARC)
Chromium has very good adhesion and opaque properties （粘附力好，不透明） Substrate: quartz glass plate （石英玻璃板） Patterned by direct writing using e-beam or laser （电子束或激光直写） Usually wet etching of Cr after exposure 4 or 5x magnification is normal for projection litho （投影制版） Pellicle used for dust protection of reticle
• 1935- Louis Minsk of Eastman Kodak developed the first
synthetic photopolymer, poly(vinyl cinnamate), the basis of the first negative photoresists. • 1940- Otto Suess of Kalle Div. of Hoechst AG, developed the first diazoquinone-based positive photoresist. • 1954- Louis Plambeck, Jr., of Du Pont, develops the Dycryl polymeric letterpress plate.
Advantages of DQN photoresists:
• the unexposed areas are essentially unchanged by the presence of the developer. Thus, line width and shape of a pattern is precisely retained.非曝光部分不变，维持线宽和形状 • novolac is a long-chain aromatic ring polymer that is fairly resistant chemical attack. The PR therefore is a good mask for the subsequent plasma etching. 酚醛是长链芳环聚合物 ， 耐化学腐蚀
亮场和暗场
掩模板工程
1. Optical proximity correction (OPC)光学邻近校正
High-frequency components of the diffracted light is lost because of finite apertures, circular lenses etc Ends and bows of narrow lines are not ideal（端面和弯曲的地方不理想） OPC: Clever mask engineering based on software algoritms can compensate some of this error: （软件算法补偿）
掩膜版工程
2. Phase shifting masks (PSM) （相移掩膜）
Introducing material which shifts the light by 180° for adjacent mask patterns barely resolved improved resolution
Removal of unexposed resist 去除非 曝光的胶
Next process (e.g. implantation, deposition)
掩模板设计软件L-Edit
掩模板制作
Starting material for reticle （刻线） manufacturing is ~800 Å thick
Patterning by lithography and wet etching
掩模版
Cr patterned film
transparent glass
腐蚀Al film
光刻胶 Al film SiO2 film
Si 图形转移
Si UV曝光 显影
Si
Si
Si
完整的光刻工艺
Wafer with mask film (e.g. SiO2, Al)带有掩
单项工艺： 光刻
1. Introduction
Photolithography
• Photo-litho-graphy: latin: light-stone-writing
• Photolithography is an optical means for transferring patterns onto a substrate. It is essentially the same process that is used in lithographic printing. • Patterns are first transferred to an imagable photoresist layer. • Photoresist is a liquid film that can be spread out onto a substrate, exposed with a desired pattern, and developed into a selectively placed layer for subsequent processing. • Photolithography is a binary pattern transfer: there is no grayscale, color, nor depth to the image.