CN104597724A - 纳米尺度的微细图形加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米尺度的微细图形加工方法，包括步骤：将需要曝光的图形分为1微米以上图形和1微米以下图形两个部分；在衬底的材料层上形成第一光刻胶；使用激光直写图形发生器，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶，显影形成第一光刻胶图形；以第一光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以上的线条；在衬底的材料层上形成第二光刻胶；使用电子束曝光机，将1微米以下图形曝光至第二光刻胶，显影成第二光刻胶图形；以第二光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以下的线条。依照本发明的纳米尺度的微细图形加工方法，针对1微米以上图形和1微米以下图形分别执行激光直写曝光和电子束曝光，可以快速、低成本的加工纳米尺度的微细图形。
Description
技术领域
本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及激光直写图形发生器***与电子束曝光***混合光刻的一种方法。
背景技术
电子束曝光技术是20世纪60年代从扫描电子显微镜基础上发展起来的一种微细加工技术。由于电子束无需考虑衍射效应且其产生、聚焦、偏转等技术成熟，所以该技术得到了广泛应用。近些年随着纳米科学技术的发展，电子束曝光技术成为制作和实现纳米尺度结构的重要手段，电子束曝光技术不需要掩模版即可直写任意图形，其加工分辨率达到10个纳米以下，是目前最灵活的高分辨率纳米加工技术。
但是电子束光刻效率很低，尤其是在采用小束斑的情况下。例如JBX 6300FS采用2nm束斑，曝光20nm的图形，曝光一平方毫米就需要10--24小时。这就使得电子束曝光的成本极高，而且电子束曝光设备长时间工作无法保持稳定。采用传统的电子束光刻和普通光学光刻的匹配与混合光刻可以利用电子束光刻精度高的优点又改善了其效率低的缺点，但是普通光学光刻与电子束光刻匹配需要制作专门的光学掩模版，成本非常高。且工艺周期长，修改图形需要重新加工掩模版。
激光直写图形发生器***是一种微细图形加工制造***，其特点是加工速度快，分辨率可达到亚微米级，其缺点是不能进行纳米级图形制作。
发明内容
由上所述，本发明的目的在于克服上述技术困难，提供一种低成本、快速高精度纳米图形制作技术。
为此，本发明提供了一种纳米尺度的微细图形加工方法，包括步骤：将需要曝光的图形分为1微米以上图形和1微米以下图形两个部分；在衬底的材料层上形成第一光刻胶；使用激光直写图形发生器，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶，显影形成第一光刻胶图形；以第一光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以上的线条；在衬底的材料层上形成第二光刻胶；使用电子束曝光机，将1微米以下图形曝光至第二光刻胶，显影成第二光刻胶图形；以第二光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以下的线条。
其中，第一光刻胶为光学光刻胶，第二光刻胶为电子束光刻胶。
其中，所述刻蚀为干法刻蚀或湿法腐蚀。
其中，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶的同时还进一步包括，将套刻对准标记图形曝光至第一光刻胶，之后显影、刻蚀也在衬底上形成了套刻对准标记。
其中，将1微米以下图形曝光至第二光刻胶之前还进一步包括，在电子束曝光机上找到套刻对准标记，将第二光刻胶图形所用的套刻对准标记与刻蚀形成的套刻对准标记对准。
其中，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶的同时还进一步包括，增大照射的激光能量，将衬底的材料层从多晶、非晶结构转变为单晶结构，或者减小衬底的材料层的缺陷密度。
依照本发明的纳米尺度的微细图形加工方法，针对1微米以上图形和1微米以下图形分别执行激光直写曝光和电子束曝光，可以快速、低成本的加工纳米尺度的微细图形。
附图说明
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：
图1是需要曝光的图形的示意图；
图2P1和图2P2是分割后形成的需要激光掩膜直写***曝光的P1和电子束曝光的P2图形；以及
图3是经本方法形成的完整的设计图形。
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了可以快速、低成本的加工纳米尺度的微细图形的方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。
首先在衬底上形成待处理的材料层(未示出)，可以是多晶硅、非晶硅、其他半导体材料或金属材料，也可以是氧化硅、氮氧化硅等绝缘材料。材料层为单层或多层，相邻多层材料层之间可以选择具体材料而具有不同的刻蚀速率，以便提高刻蚀形成线条的选择性和精确度。随后在材料层上通过LPCVD、PECVD、凝胶--溶胶、旋涂等方法形成低k的垫层或保护层(未示出)。此后，参照图1至图3通过对涂覆的光刻胶层完成曝光、显影来形成所需图形。
如图1所示为需要曝光的图形的示意图，包括多个大尺寸的、例如特征尺寸1微米以上的图形，以及多个小尺寸的、例如特征尺寸1微米以下的图形。
通过数据处理，将图1所示需要曝光的图形分割为至少两个部分，如图2P1所示的1微米以上的图形，以及如图2P2所示的1微米以下的图形。其中，该示意图中图形可以是硬掩模板(设置在曝光***与光刻胶之间，用于屏蔽不需要曝光的区域)中的图形，例如硬质的氮化硅或者金属板，其中多个例如矩形的几何图形代表需要暴露的开口，多个十字形图形代表套刻对准标记。套刻对准标记形成在图形中不影响器件功能的空白部分，例如整个晶圆的边缘部分，或者晶圆中多个芯片/裸芯之间的划片线部分。优选地，以晶圆的缺口(圆形晶片切除一个弓形留下的缺口，通常用于批处理设备中机械手或者固定基台的定位对准用途)作为套刻对准标记的测定基准。在本发明的一个优选实施例中，图2P1和图2P2所示的图形也可以是用于直写曝光的数字化文件，也即记载了待处理区域的虚拟图形文件，多个图形表示实际需要被直写曝光***照射的区域，图形之外为不需要照射的区域。其中，将图2P1转换成激光直写图形发生器***曝光需要的数据格式，将图2P2转换成电子束光刻需要的数据格式。
随后，以旋涂、喷涂、丝网印刷等方法在垫层或保护层上形成用于激光直写的第一光刻胶层。使用激光直写图形发生器***将图2P1所示图形进行曝光，也即采用激光直写扫描照射图2P1中所示的1微米以上的较大的图形，光刻胶受到激光照射发生交联反应或者被烧蚀去除，经显影而在衬底上形成图2P1所示的光学光刻胶图案。接着，对于发生交联反应的光刻胶，显影去除了未被照射的部分，留下突出保护层表面上的图形，以留下的图形为掩模，经干法刻蚀(等离子体干法刻蚀或反应离子刻蚀RIE)或湿法腐蚀直至暴露衬底，将依照图2P1所示的光刻胶图形转移至衬底上的材料层中。对于烧蚀去除的光刻胶，直接通过露出下方垫层/保护层的开口刻蚀、腐蚀直至暴露衬底。去除第一光刻胶层，暴露出垫层或保护层。优选地，在形成1微米以上的较大图形的同时，也可以利用激光或者刻蚀在衬底上留下例如十字花的套刻对准标记，如此节省了另外形成对准标记的额外工序，节省了处理时间。优选地，可以增大激光的功率，使得激光直写图形发生器***射出的激光不仅使得第一光刻胶发生交联反应(正胶)或烧蚀(负胶)，而且也同时加热了下方的区域，使得部分材料层同时激光退火，将多晶或非晶材料转变为单晶，或者降低了材料层的缺陷密度，由此以精简的工艺提高了器件的性能并且同时节省了成本。在正胶光刻过程中，未被照射的剩余光刻胶可以防止激光反射、漫射到其他区域而使其也发生退火转变。而在负胶光刻过程中，提高激光功率以直接烧蚀去除照射区域的光刻胶并进一步同步退火，由此节省了工序，提高了光刻以及晶片处理效率。
接着，在暴露的垫层/保护层上形成用于电子束直写的第二光刻胶层。在电子束曝光机上找到衬底如图2P1图案上的对准标记，将如图2P2图案对准标记与衬底如图2P1图案上的对准标记对准，将如图2P2图形在衬底上曝光。随后采用类似的显影、刻蚀工序，将如图2P2所示的图形转移至衬底上的材料层中。去除衬底上的电子束光刻胶，即可在衬底上形成完整的曝光图形，如图3所示。
根据本发明一个实施例，具体工序以及参数如下：
将需要曝光的图形图1分割为图2中的P1和P2两个数据，在P1和P2中相同的不影响器件功能的空白部分添加套刻对准标记。形成两个曝光数据文件。将P1转换成激光直写图形发生器***曝光需要的数据格式；将P2转换成电子束光刻需要的数据格式。
在需要硅片上涂覆光学光刻胶AZ1500，采用旋涂1分钟，热板烘烤；使用激光直写图形发生器DWL2000***5mm镜头将P1图形进行曝光；使用显影液在20O℃下显影，在衬底上形成P1的光学光刻胶图案。使用热板进行坚膜处理。
使用ICP--98A高密度等离子体刻蚀机刻蚀衬底硅，光学光刻胶作为掩蔽层。刻蚀深度达到500nm。将P1图案转移到衬底上。使用丙酮将硅片上的光刻胶膜去除。
在去除胶膜的硅片上涂覆电子束光刻胶PMMA，采用旋涂，热板烘烤；曝光采用JEOL JBX6300FS电子束曝光机；在电子束曝光机上找到衬底P1图案上的对准标记，将P2图案对准标记与衬底P1图案上的对准标记对准，将P2图形在衬底上曝光；使用电子束光刻胶显影液显影，在IPA溶液中定影30秒；纯氮气轻轻吹干衬底，在衬底上形成P2的电子束光刻胶图案，经刻蚀机刻蚀，将P2图案转移到衬底上。
去除衬底上的电子束光刻胶，即可在衬底上形成完整的设计图形，如图3所示。
依照本发明的纳米尺度的微细图形加工方法，针对1微米以上图形和1微米以下图形分别执行激光直写曝光和电子束曝光，可以快速、低成本的加工纳米尺度的微细图形。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构或方法流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (6)
1.一种纳米尺度的微细图形加工方法，包括步骤：
将需要曝光的图形分为1微米以上图形和1微米以下图形两个部分；
在衬底的材料层上形成第一光刻胶；
使用激光直写图形发生器，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶，显影形成第一光刻胶图形；
以第一光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以上的线条；
在衬底的材料层上形成第二光刻胶；
使用电子束曝光机，将1微米以下图形曝光至第二光刻胶，显影成第二光刻胶图形；
以第二光刻胶图形为掩模，刻蚀材料层形成1微米以下的线条。
2.如权利要求1的方法，其中，第一光刻胶为光学光刻胶，第二光刻胶为电子束光刻胶。
3.如权利要求1的方法，其中，所述刻蚀为干法刻蚀或湿法腐蚀。
4.如权利要求1的方法，其中，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶的同时还进一步包括，将套刻对准标记图形曝光至第一光刻胶，之后显影、刻蚀也在衬底上形成了套刻对准标记。
5.如权利要求4的方法，其中，将1微米以下图形曝光至第二光刻胶之前还进一步包括，在电子束曝光机上找到套刻对准标记，将第二光刻胶图形所用的套刻对准标记与刻蚀形成的套刻对准标记对准。
6.如权利要求1的方法，其中，将1微米以上图形曝光至第一光刻胶的同时还进一步包括，增大照射的激光能量，将衬底的材料层从多晶、非晶结构转变为单晶结构，或者减小衬底的材料层的缺陷密度。
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