电子束纳米加工技术研究现状

1998年微　细　加　工　技　术№.2

第2期M icrofabricati on T echno logy1998电子束纳米加工技术研究现状

卢维美

(中国科学院电工研究所,北京100080)

【摘要】　纳米科学技术是80年代后期发展起来面向21世纪的高新技术,纳米

加工技术是制造量子微结构的主导技术。电子束纳米加工推动着微细加工技术的研

究向着分子、原子量级的纳米层次发展。本文重点介绍电子束纳米曝光技术的研究现

状及发展前景。

关键词:纳米技术;电子束曝光技术;研究现状

1　概　述

随着微电子技术的发展和应用市场的开发,对集成电路要求的集成密度越来越高,电路设计尺寸不断缩小,从微米级到亚微米级深入到分子、原子量级的纳米级。预计在2000年0.25Λm到0.18Λm线宽的加工将得到普及和应用,集成电路将达到109吉级电路,生产出1GB的动态存贮器、每秒执行1吉条指令的微处理器和每秒1吉字节的通讯芯片,人们将实现在一个芯片上集成10亿个晶体管元件的超大规模集成电路的设想。到2010年将是0107Λm 线宽的加工能力,集成电路将迈进1012太极电路,0107Λm线宽加工促使器件的结构产生革新,一方面对材料的性能参数和加工工艺提出更高要求,另一方面也面临“一个极限问题”,迫使人们去探索及认识微细加工的极限,研究基本的曝光过程,探索未来下一代新的集成电路产品。应运而生的纳米加工技术的出现及发展,必将在微电子学领域中引起巨大的技术开拓,例如量子效应的出现将会导致器件的革新。随着器件尺寸进一步缩小,一旦电子运动的空间被限制在德波罗意波长(几十纳米)时,各类器件便按量子力学规律运行,即电子移动呈现低维性,由三维宏观系统变为二维甚至0维系统,形成超晶格层和量子结构。利用超晶格、量子阱、量子线和量子点等微结构所具有的各种量子化效应,设计和制作新一代的量子功能器件,如量子线、量子点激光器,高速逻辑和多值逻辑器件,高速开关器件及大容量的存贮器。传统的微电子学发展到纳米电子学,这是目前相当活跃的新的研究领域〔1,4〕。

按加工尺寸而言,微细加工技术可划分为:微米技术(1Λm以上),亚微米技术(500nm ～100nm),纳米技术(100nm～1nm),原子技术(1nm～011nm以下),纳米微结构一般指结

收稿日期:1997—12—18

构尺寸从几nm到几十nm的低维量子体系。硅的微加工工艺技术的进步以及微细束加工技术的日渐成熟,人们常用M B E、M OCVD、X射线、离子束、电子束等技术制备各类纳米量子微结构。电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段,是生产及研制集成光学器件、更高频的FET器件、量子效应器件以及超微细曝光的主导技术之一,以下主要介绍电子束纳米曝光技术发展和研究现状,并简单介绍电子束纳米诱导表面淀积技术和电子束全息干涉纳米曝光技术。

2　电子束纳米曝光技术发展和研究现状

电子束纳米曝光的核心问题是设计一个高分辨率的电子光学系统,使其具有高质量的纳米曝光能力。最初人们用改进的扫描电子显微镜(SE M),理论上可以将电子束聚焦到10nm 以下,由于邻近效应等因素的影响,在抗蚀剂上图象的分辨率往往大于10nm。另一方面,采用扫描透射电子显微镜(ST E M)和扫描隧道显微镜(STM)作为曝光手段。如剑桥大学工程系和I BM公司T1J1沃森研究中心合作在JEOL的JE M40000E透射镜(T E M)设备的基础上增加双偏转扫描系统,以及I BM的PC图形发生器改制成ST E M,用L ab6阴极和350kV甚高加速电压,在样品上高斯束斑的最小值为5014nm,加工出线宽小于10nm的金属微结构〔2〕。用ST E M作为电子束纳米曝光设备,一般场深很小(几百nm),由于样品表面不平度和工件台运动时偏摆,当样品随工件台移动时,很难保持电子束在样品上的最佳聚焦状态。英国格拉斯哥大学纳米电子学研究中心,在JEOL100CX ST E M设备上安装双频激光外差干涉仪,检测样品相对于物镜之间工作距离的变化,把所对应的测量干涉信号,送到聚焦控制电路中检测及信号处理电路,最后送到主透镜的控制电路,接到物镜线圈,动态校正电流值,从而达到最佳聚焦状态。该设备场深是200nm,加速电压100kV时,束径是2～3nm,束流是10～15PA,在硅基片上加工出线宽38nm周期光栅图形〔3〕。

图1　STM作图原理图

1982年,I BM公司苏黎世实验室的G1Bm n ing博士和H1Roh rer博士发明了STM,人类第一次能够观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为,了解有关物理及化学性质,人们发现STM探针在电子抗蚀剂表面上移动时可以产生曝光效应。STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应,工作时探针和样品之间的间距小于1nm,用压电陶瓷作为高精度三维扫描控制器,控制探针对样品扫描作图(见图1)。探针和样品之间一般加几伏电压,此时间隙间产生隧道电流,用电子反馈电路控制隧道电流的恒定。由于探针充分接近样品,在其间产生一高度空间限制的电子束,因此电子成象时STM具有极高的空间分辨率,横向可达1nm,纵向优于0101nm,在抗蚀剂上的曝光仅仅是一次束的相互作用而产生的,因而能加工出更精细的图形。在纳米加工领域中,STM的应用和研究已涉及到表面的直接光刻、电子束微区辅助淀积和刻蚀、掩模的修补,进一步深入到对表面单个原子进行操纵,以及对抗蚀剂的曝光机理进行研究诸多方面的工作〔1〕。日本松下公司最早用STM制作10nm高质量硅量子线,1994年在瑞士召开的国际纳米工程会议上,首次展示用STM探针制作的晶体管单元电路。

由于STM曝光速度低,目前仅限于制作很小尺寸的单个器件,尚未在生产上实用。但是STM是目前实现10nm以下的原子及分子操纵,以及提供具有纳米尺度低能(20eV以下)电子的唯一手段,是纳米科学技术研究热点,在材料科学、生命科学等领域有着极其广阔的应用前景。

在研制新型的电子源方面,如采用L aB6和热场致发射(T FE)的高亮度长寿命阴极,提高阴极发射电流密度。70年代中期各大公司着手于T FE阴极的制备及机理的研究工作,历经十多年的实验研究,T FE在电子束曝光设备上的应用日趋成熟。1988年美国I BM公司研制成功用低逸出功的锆钨阴极(Zr O W)热场致发射电子源曝光设备,在20nm束尺寸下,束流密度高达2600A c m2,电子源亮度达到9×107A c m2sr,40小时束流稳定度到千分之一,阴极使用寿命大于4000小时,因而开拓了T FE阴极在电子束纳米曝光设备中的应用〔5〕。电子束纳米曝光另一方面重要工作是研制新型高分辨率的抗蚀性优良的电子抗蚀剂,一般PMM A 的灵敏度从几十到200Λc c m2,Sh i p lay公司新近研制的SAL601型高分辨率化学放大负抗蚀剂,灵敏度是2～3Λc c m2。加工微小结构如量子点,用化学放大负抗蚀剂有明显优点,因为负抗蚀剂可以直接作为掩模刻蚀〔6〕。文中报导用束径2nm的SE M,在Si基片上涂复SAL601型负抗蚀剂并进行刻蚀,得到线宽20nm,高20nm的抗蚀剂图象,并试图进一步研究点图形分辨率极限。有机抗蚀剂中金属氧化物、金属卤化物有高的灵敏度及耐干法刻蚀性,是纳米加工中最有潜力的抗蚀剂。

圆形电子束和成形电子束曝光目前仍然是电子束曝光技术中主导加工技术,成形电子束曝光机目前达到的最小分辨率一般大于100nm,广泛地用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域,深入到纳米量级曝光尚有距离。圆形电子束曝光机的最高分辨率可达几nm。

最近报道的电子束投影曝光技术和微电子光柱曝光技术引起人们广泛的兴趣,电子束投影曝光技术通过转写掩模对样品曝光,把光学投影曝光高生产率的特点和T E M均匀照射的技术二者结合起来,是目前最有希望高效率的掩模加工设备发展方向。日立公司针对012～013Λm水平UL S I电路而开发的HL2800D电子束投影曝光机,生产率是20片 小时。东芝公司和超大规模共同研究室共同开发的EX28D型机,用于0115Λm线宽1Gb it电路加工。富士通公司1997年报道的F5120型机,最小加工线宽0113Λm,生产率是15片 小时(8英寸圆