亚稳态氦原子光刻蚀法制备纳米尺度分辨率硅片

亚稳态氦原子光刻蚀法制备纳米尺度分辨率硅片

自20世纪60年代以来，集成技术取得了快速发展，集成规模和集成效率显著增加。传统光刻技术及电子束光刻技术是半导体工业中常用的制备工艺。近年来,为提高集成度,在追求最小特征尺寸和极限分辨率的情况下,对仪器设备的要求越来越苛刻,传统光刻技术正面临越来越严峻的挑战。受光学衍射极限的限制,提高光子能量是降低特征尺寸的唯一途径。当今半导体工业中,光刻技术的曝光光源已从可见光波段发展到极深紫外光波段,也提高了制备短波光学元件的材料及工艺要求。在电子束光刻技术中,由于空间电荷效应的影响,特征尺寸的缩小是以昂贵设备为代价来实现的。在这些情况下,作为一种潜在光刻技术的原子光刻技术有望成为下一代集成电路和微型器件加工的新型纳米结构制造技术。根据采用的原子种类及其工作原理,原子光刻技术可分为两大类:原子直沉积技术和中性原子光刻技术。原子直沉积技术的主要特点是:利用金属原子在衬底表面直接制备相关的微纳米结构,主要的金属原子为铬、铁等。自组装单分子层抗蚀剂辅助的中性原子光刻技术的主要特点是:利用中性原子的内能或强化学活性与衬底表层生长的单分子层作用来改变曝光区域的化学或物理性质,再利用湿法化学刻蚀技术或者反应性离子刻蚀技术把相关微纳米结构图形转印到衬底上。这类原子有:碱金属、碱土金属原子、惰性气体原子(氦、氖、氩)[4~16]。以亚稳态氦原子(He*)为例:He*本身呈电中性,不会引起空间电荷效应,由于其德布罗意波长仅几个pm,衍射效应可忽略不计,这就意味着在狭小区域内可以使用超大曝光剂量。He*的寿命长达8000s,所携带的内能为19.8eV。处于亚稳态的氦原子可以确定的能量在真空中穿行而不和别的物质发生化学反应。但当其撞击表面时,破坏了量子力学选择定则,将从亚稳态返回基态并释放能量。该能量代替光刻技术中沉积光子能量作用到抗蚀剂表面,断开分子中的化学键,改变曝光区域的化学、物理性质,从而实现中性原子光刻。本文采用抗蚀剂辅助的原子光刻技术手段,以He*作为曝光原子源,以硅表面直接生长的十八烷基硅烷自组装单分子层为抗蚀剂,通过湿法化学刻蚀方法把物理掩膜的图形转移到硅衬底的表面上。并通过改进掩膜支撑模式,来提高空间分辨率。大量实验验证,在获得硅结构图形高度约30nm的同时,可将特征边缘分辨率达到~20nm,且具有较高的再现性。1初始he#的检测实验装置如图1示,其主体包括两大部分:曝光源腔和样品腔,均与真空系统相连。曝光源腔内的真空度可达3×10-7Pa,样品腔的真空度为4×10-6Pa。高纯度氦气(99.9999%)经铜管和微量气体计量表后进入曝光源腔,在直流电触发模式下把氦气体原子从基态激发到亚稳态后,利用He*束对样品进行曝光。偏转电压为1000V的横向电场施加在原子束上,用来除去其中包含的离子或电子,避免这些带电粒子撞击样品表面时引起损伤。He*束穿过直径为700μm的隔离器导向一个可旋转的中空三棱柱钽样品架。中空三棱柱的两个侧面用来安装样品,另一侧面用来检测初始He*的强度。早期实验中采用带孔的金属Ta片支撑掩模,掩膜和自组装单分子层(SAM)间的距离取决于Ta片的厚度[7~13]。本实验中掩模和十八烷基硅烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)自组装单分子层(OTS-SAM)直接接触,如图1示。He*与表面碰撞后释放能量诱导电子发射,通过测量电子强度估算He*束通量。在样品和钽片处测量的电流典型值分别为100nA和180nA,对应的电子发射率约为6.2×1011s-1cm-2和1.1×1012s-1cm-2。实验程序如下:利用超声清洗器依次在去离子水、乙醇和丙酮中清洗15mm×20mm大小的硅片;接着在1vol%的氢氟酸中除去硅片表面的氧化层,在硅表面形成硅-氢悬挂键,再用氩气吹干硅表面;最后将硅片浸入20mmol/L的十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液中密封反应48h,在硅表面可生长形成OTS-SAM;取出后用甲苯清洗,氩气吹干后放入真空干燥器保存备用。将样品和带有掩模的支撑体如图1中所示方式固定到可旋转样品架上送入样品腔,密封并抽真空。本实验中的掩模支架由15mm×20mm的较硬不易弯曲变形的金属Ta片构成,Ta片上均匀分布了五个或七个小孔,其直径20mm。样品在He*原子束下曝光时间为1~120min,室温下采用湿法化学刻蚀法用0.1mol/LKOH溶液进行蚀刻。最后使用1vol%HF和去离子水清洗,氩气吹干后利用AFM(DigitalInstrumentNanoscopeDimension3100型)和SEM(JEOL6500型)进行表征观察。2koh溶液的刻蚀过程在硅片表面直接生长的十八烷基三氯硅烷自组装单分子层的厚度约2nm。图2a是以透射电镜铜网作为掩模的SEM图像,图2b和d为对应的硅(100)衬底上正负硅结构图形的AFM图像。从图可见铜网的掩模图形可以完美地在硅衬底上得以复制,经过不同曝光时间的实验验证,再现性非常好。利用该技术容易实现大于2cm2的平行阵列图形。完整、清晰的硅表面充分说明在经过一系列诸如曝光、刻蚀和清洗等技术环节处理后,硅表面上没有出现裂痕。图2c是沿图2b中白线方向的线扫描图。从图可获得以下信息:(1)负图形的图案尺寸为7.5μm、图案间的间隔为5μm与铜网参数一致。图案台阶的高度约30~40nm,远大于硅片表面生长的单分子层厚度;(2)图案的边缘分辨率约20nm。多次实验证明:降低刻蚀时间,刻蚀深度仅有几个纳米,但边缘分辨率可达到10nm左右;增加刻蚀时间,刻蚀深度可达到微米量级,图案的边缘分辨率也相应增大。这种展宽源自发散的原子束及刻蚀过程:所用曝光源并非理想的“点”源;KOH溶液刻蚀为各向异性,长时间刻蚀使得图形高度增大,可能破坏图形的边缘结构;(3)硅表面的均方根粗糙度约2~8nm。图3给出了以SAM自组装单分子层作为抗蚀剂制备的结构阵列图的正负图形AFM图像。图3a、b中的孔结构尺寸分别为4μm和1μm的正图形。图3c和d为分别对应尺寸的负图形。从图可见,孔结构阵列图形可以很好地转移到硅衬底的表面上。实验发现,在最低曝光剂量约4×1013atomscm-2,即最短曝光时间为60s时,即可通过化学刻蚀得到几乎不可见的正图形。同一种自组装单分子层,通过控制He*曝光剂量,经湿法化学刻蚀后可得到不同对比度的正负图形。为了研究其形成机理,需了解He*束对OTS-SAM的辐照过程。OTS-SAM辐照后的时间飞行质谱结果表明[17~19]:在不同的He*曝光剂量辐照下,得到了不同的离子碎片:H+、CH2+、CH+等。在曝光剂量低于临界He*剂量(约为5×1014atomscm-2),即曝光时间低于约20min的情况下,在时间飞行质谱中得到的主要为H+,此时曝光区域呈现亲水性,而非曝光区域为疏水性。这种性质差别使得在KOH溶液中刻蚀时,KOH溶液在曝光区域比非曝光区域更容易渗透穿过OTS-SAM层,对硅衬底进行刻蚀,导致曝光区域被刻蚀掉,所以其结果表现为正图形。曝光剂量越接近临界剂量,KOH溶液刻蚀后得到的正图形的质量越好。相反,曝光剂量高于临界He*剂量(约为5×1014atomscm-2),即曝光时间长达20min以上时,质谱测量得到的主要飞行离子为H+、CH2+、CH+等,此时SAM层的曝光区域含有大量离子自由基,在真空下SAM层内的离子自由基之间可以发生相互化学反应,形成交联的难溶于水的碳化物分子,这就导致了在KOH溶液中刻蚀时,曝光区域比非曝光区域更难渗透穿过SAM层。对硅衬底进行刻蚀,非曝光区域被刻蚀掉,此时其结果为负图形。曝光时间比临界时间越长,KOH溶液刻蚀后所得到的负图形质量越好。由电触发产生的He*是发散的,经隔离器锥形顶端的直径为700μm的孔约束,出射的原子束也并非是平行束,而是以发散状态在样品腔中飞行,这使得除去电子和离子的He*束并不是垂直入射到样品上。样品和掩模之间的距离不可忽略,这些因素都可能引起图形边缘分辨率的变化。与早期的掩模支撑不同,作者采用了一种新的掩模支撑方法,掩模与OTS-SAM间的距离由原来的100μm降至小于50μm,成功地提高了边缘分辨率。3硅结构的化学刻蚀技术作者利用亚稳态氦原子束为曝光源的原子光刻技术,十八烷基硅烷单分子层作为抗蚀剂,透射电镜铜网