同步辐射光刻

我们与世界水平的差距
世界水平 IMECAS
小批量生产 5000线（MIT） 3333 线
实验室试制 6250线（NTTAT） 5000线（6666线）
LIGA技术
•LIGA技术原理 •LIGA技术应用 •NSRL LIGA技术研究简介
What is LIGA ?
深度光刻掩模
深度光刻掩模 吸收体(金)： 15-20 μm 衬底(聚合物)：10μm-100 μm
衍射对厚光刻胶曝光精度的影响（菲涅尔近似模型）
100μm 光刻胶内的曝光 剂量等值线
λ=365nm
200μm 光刻胶内的 曝光剂量等值线
λ=365nm
类菲涅尔近似
菲涅尔近似要求cos(n,r01)≈1，分母中的r01 ≈ Z,这就要求
所计算的子波传播方向与光入射方向要近似重合，当所要
模拟的掩模孔径比较大、计算的点比较接近掩模，或者所
∫∫ I i incoh
1− γ
=
λ2
∑
cos(n, r01 )2 r012
t ( x1 ,
y1 ) 2 dx1dy1
∫∫ 1− γ
=
λ2
∑ [(xi
−
x0 )2
+
z2 ( yi
−
y0 )2
+
z 2 ]2
t ( x1 ,
y1 )2 dx1dy1
提高光刻分辨率的方法
δ
=
k1
λ NA
DOF
=
k2
λ (NA)2
X射线透过率 >80% (0.6nm-10nm)
R>100
光学透过率：>50%
厚度：10-20 μm
表面粗糙度：ra<50nm 平面性： <+/-10μm
应力：<100Mpa
厚度均匀性：<+/-5%
杨氏模量：>100Gpa
热稳定性：低热膨胀系数（与衬底接近）
化学稳定性：O2, 有机溶剂
活动部件制作
δ = 0.61 λ NA
对光刻系统而言，分辨率不仅与 光学系统有关，还与光刻胶等有 关，因此其分辨率为：
K1>0.61, (0.8)
δ = k1 λ NA
光刻机的典型参数
波长 436nm 365nm 365nm 248nm
数值孔径 0.30 0.45 0.60 0.50
248nm 0.60 248nm 0.70 193nm 0.60 193nm 0.70
z工作模式 多次对准曝光模式 倾斜曝光（0°到 45°）
表面粘着力的理论估算及FEM
材料
PMMA Ni
PMMA和镍的材料性能
弹性模量E
泊松比υ
表面能γ
3300 MPa
0.37
220500MPa
0.3
0.4 J/m2 1.7 J/m2
摩擦系数μ 0.45
F = μH = μ 1.Байду номын сангаасπγKr 3
假设接触半径在0.1到0.01 μm之间，在随后的脱模 分离摩擦力作用下，剪切力可以计算为：
光刻的分类
按图形产生方式分类：
有掩模 无掩模
光刻的分类
紫外光刻 300 nm~450 nm
光学光刻： 深紫外光刻 200 nm 左右
极紫外光刻几十nm
按光源分类：
X光光刻 0.2~2.0 nm
电子束光刻
离子束光刻
光刻的分类
接触式
X光光刻 按曝光方式分类：接近式 紫外光刻
投影式
远紫外光刻 1：1投影 缩小投影
τ > μσ = 0.45 ×110 = 49.5MPa
超过PMMA材料的拉伸强度(脱模温度95℃： <30MPa)，因此该粘着结点被剪切产生滑动。
Yuhua Guo,et al. Microsystem Technology, 13, 411-415,2007.
0 0.0175 0 0.0042 0
光刻（空间）成像—圆孔图形
圆孔衍射中的绝大部分能 量集中在零级衍射斑内， 零级衍射（爱里斑）大小 为：
Δθ = 0.61 λ a
点光源通过圆孔投 影后的光强分布
Rayleigh 判据
聚焦光学系统
δ = 0.61 λ n sin θ
投影聚焦光学系统分辨率
NA=nsinθ 数值孔径
爱里分辨率 0.89μm 0.49 μm 0.37 μm 0.30 μm
0.25 μm 0.22 μm 0.20 μm 0.16 μm
投入使用时间 1982 1990 1994 1994
1997 1999 1999 2001
光源 Hg灯g线 Hg灯i线 Hg灯i线
Hg灯i线 KrF激光
KrF激光 KrF激光 ArF激光 ArF激光
NA增大，DOF减少， 曝光工艺宽容性小
光刻技术发展趋势
0.35μ 0.25μ 0.18μ 0.13μ 0.10μ 0.07μ 0.05μ 0.035μ
248nm 193nm 157nm
Optical Lithography
EUV
(Soft X-ray Projection)
SCALPEL
XRL 1997 1999
2001
2004 2008
2011
2014
软X射线光刻
为了提高光刻分辨率 使用软X射线作为光刻的光源 波长0.5-2nm 同步辐射是比较理想的软X射线光源
实验站---由曝光装置和其它设备构成
图27. 曝光装置
X光光刻掩模
X光光刻掩模的结构与紫外光刻掩模完全不同。
支撑环 透X光衬底 吸收体图形
掩模材料 衬底材料：X射线吸收系数小（原子吸
亚微米光刻掩模 1-2 μm <1 μm
深度光刻掩模制作
深度光刻掩模制作
Intermediate Mask
Copy Intermediate Mask
光刻胶 电镀层
光刻胶 电镀层
掩模衬底
掩模衬底
光刻（PG, E-beam)
电镀
去胶和 电镀层
对Intermediate masks的要求
衬底材料：
牺牲层制作
活动部件光刻 （对准）
牺牲层去除 （释放活动部件）
牺牲层 衬底
活动部件 衬底
Single irradiation
倾斜和旋转曝光
Double/Swivel irradiation
Mask Resist Substrate
Developed resist structure
Electroformed metallic structure
基于同步辐射的 微细加工技术及应用
内容
光刻技术概述 软X射线光刻技术及应用 LIGA技术及应用
什么是微细加工
加工：运用各种工具将原材料改造成为具有某 种用途的形状。
微细加工特点：加工形成的部件或结构的尺寸 在微米或纳米量级。
微细加工技术分类
平面工艺 模型工艺 探针工艺
Top-down Bottom-up
微细加工原理
z是一大类技术 z不同的工艺有不同的原理和应用 z工艺是个复杂过程
加法和减法
光刻示意图
Mask Substrate
Non-exposed region
Exposed region
Absorber Resist
Resist
Developed
光刻实际上是微细图形复制技术（过程）
光刻图形材 料为光刻 胶，而非电 路材料
只考虑衍射时，其夫琅和费圆孔衍射强度分布公式：
I(θ( = I0[ 2J1(x)]2 x
x = 2πa sinθ λ
a为圆孔的半径， 为衍射角，J1(x)为一阶贝塞尔函数
夫琅和费圆孔衍射强度分布函数的极大值和零点
x
0 1.220π 1.635 π 2.233 π 2.679 π 3.238 π
[2J1(x)/x]2 1
（分布重复式）
几种曝光方式
接触式曝光技术
接触式曝光技术是传统的曝光技术。曝光 时，采用加压或真空吸附使掩模版与基片紧密 接触。
优点：分辨率较高 缺点：容易损伤掩模
接近式曝光技术
为了克服接触式曝光容易损伤掩模的缺点，使掩模与 基片保持一定间隙，一般10um左右。
在这种情况下，曝光的可分辨的最小线宽为 W=(λS)1/2
电镀法
掩模图形产生
光刻胶 电镀层
掩模衬底
刻蚀法
光刻（PG, E-beam)
电镀
去胶和 电镀层
刻蚀
优点及不足
优越性 :
能够制作出高分辨、大高宽比的纳米结构 工艺宽容性好
不足 :
掩模的制作要求高, 成本较高 间隙精确控制困难
光刻技术要求
光源要求 : 合适的光子能量 、辐射光强度大 、光的发散角要小 掩模要求 ： 薄膜和吸收体厚度 光刻胶要求 ： 电子束光刻胶
收系数小材料）热稳定性 好，机械性能稳定
吸收体： X射线吸收系数大（原子吸收 系数大的材料）
X射线掩模材料
• 吸收体图形材料: Au Pt(铂) Ir(铱) Os(锇) Ta(钽)
• 衬底: Si BN Si3N4 SiC Al2O3 PI(Polyimide) 金刚石
• 吸收体与衬底厚度的选择: 反差一般>10
平面工艺
z微结构由曝光方法形成 z一般只能形成二维平面结构 z加工的是整个系统，不是单个部件
设计：层与层之间的关系
探针工艺
物理探针：ATM，AFM，SPM 非固态探针：聚焦离子束、激光束、火
花放电
顺序加工 平行加工
模型工艺
利用模具复制出相应的微结构
纳米压印 压模技术 注模技术 ……
低成本批量复制
式中S是掩模版与基片的间距。
实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差，不可能 是理想的平面，在接触式曝光中掩模与基片总有一定间 隙，因此上式对接触式光刻也实用。
投影式曝光技术
投影式曝光技术是将掩模图形通过光学系统投影到 基片上，掩模离基片数厘米远。
投影方式：1：1投影 缩小投影
投影曝光时，掩模与基片同步移动，经过多次分 布重复把整个基片曝光完毕，因此也称为分布重复投 影曝光或步进缩小投影曝光。缩小倍数：2.5, 5, 10.
要计算的点距离光轴的横向距离比较远时，这两个条件无
法满足。
为了得到比较精确的模拟结果，在模拟的过程中，我们把掩
模透光孔分解为大量的比较小的方孔，每个方孔都足够小，
以使方孔上每个点的r01和都可以用方孔中心对应的值来表示。
这样这个方孔的非相干部分对点（x0,y0）光强的贡献可以用
下式来表示（方孔的中心坐标为（xi,yi），方孔的边长为ai）
I tot = I coh + I incoh
I coh / I tot = γ
瑞利-索末菲衍射理论
∫∫ U (P0 ) =
1
jλ
e jkr01 ∑U (P1 ) r01 cos(n, r01 )dS
其中U（P1）表示入射波在孔径Σ上的场分布 （此处的孔径是指整个掩模），cos(n,r01)表征子 波的各向发射异性。
曝光体系评价
z 分辨率 z 焦深
对光源光强分布要求
理想光源光强分布
实际光源光强分布
光刻分辨率的定义
• 光刻图形尺寸极限定义为不可能产生小 于该图形尺寸的高质量的图形
一般用Reyleigh判据来分析光刻分辨率
光刻（空间）成像—圆孔图形
r
z
光源
物
像
分辨率与那些因素有关？
光刻（空间）成像—圆孔图形
相干光
接近式光刻中，所用的光源一般有同步辐射光、汞灯产生的 紫外光、激光器产生的紫外光等，虽然同步辐射光，汞灯产 生的紫外光是非相干光，但在传播过程中，变成了有一定相 干性的部分相干光 。激光器产生的紫外光，则可以看作是相 干度为1的部分相干光。对于部分相干光源，在光刻机中一 般都利用复眼透镜形成多点光源来照明，以达到均匀光场的 目的。因此最终在接近式光刻中，掩模微结构附近光场的相 干度可以近似取为常数。光场的相干度γ表示相干光在总光 强中的比例。
X射线透射光栅研制进程横向比较
ICF中透射光栅的应用现状（截至2007.6）
国别
线密度(g/mm)
研制单位
衬底
制作方法
美国 欧洲 日本
中国
5000 5000 6250
3333
MIT
MIT NTTAT (日本）
IMECAS
聚酰亚胺 聚酰亚胺 氮化硅
聚酰亚胺
全息光刻 全息光刻
电子束光刻
电子束光刻+X 射线复制
掩模移动法
可驱动掩模
Sensors and Actuators A 111 (2004) 37–43
逐步法
LIGA技术特点
¾精度高（亚微米） ¾大高宽比 ¾复杂图形结构（三维图形） ¾用材广泛（金属、非金属、陶瓷等）
实验站主要参数
z主要技术参数 工作波长 0.2 – 0.7 nm 曝光面积 30×80 mm2 离线对准精度优于0.3微米
吸收体
X射线透过率 >50% (0.6nm-10nm)
R>100
表面粗糙度：ra<50nm 平面性： <+/-2μm
厚度：1-2 μm 应力：<20Mpa
厚度均匀性：<+/-5%
杨氏模量：>100Gpa
热稳定性：低热膨胀系数（与衬底接近）
化学稳定性：O2, 有机溶剂
对深度光刻掩模的要求
衬底材料：
吸收体
接近式光刻
投影式光刻
1.短波长光源（248nm，193nm， 157nm，X射线） 2.增大光学系统NA 3.分辨率增强技术（降低k1因子）
W = λg
1.短波长光源 2. 减少间隙
波前工程
z光学系统
z离轴照明技术 z空间滤波技术
z掩模技术
z移相掩模技术 z光学邻近效应校正技术
K1和NA对掩模误差因子和DOF 的影响 K1减少，掩模 误差因子增大