微纳米加工技术及其应用

绪论

1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。

2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。

3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。（类似于3d打印机？）

4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系）

5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。

6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。

光学曝光技术

1：光学曝光方式和原理

可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。

接触式曝光可分为硬接触和软接触。其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。

掩模间隙与图形保真度之间的关系

W=k√λz

其中w为模糊区的宽度。

掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。

适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。

投影式曝光：投影式曝光广泛应用于大批量大规模集成电路的生产。

评价曝光质量的两个参数：分辨率和焦深。

分辨率（最小可分辨图形线宽）R=k1λ

NA

，其中NA为数值孔径，由上式可知为了提高曝光分辨率可从如何降低k1，开发短波长光源，大数值孔径透镜方面入手。

焦深DOF=k2λ

(NA）2

，由上式可知，单纯地提高分辨率会降低焦深，而在大规模

集成电路的生产过程中，焦深甚至更为重要。

每一层掩模的设计都有一个最关键的尺寸，通常是最小的图形，这一关键尺寸称为CD。CD值需控制在一定的范围内才能使制造的集成电路有效地工作。

2：光学曝光的工艺过程

①硅片表面处理：去除污迹，表面绝对干燥，涂附一层化学增附剂——HMDS；

②涂胶：一般有两种方法——“甩胶法”和喷涂法。

③前烘：蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使硅片表面胶固化。

④曝光：在曝光机中进行曝光。

⑤后烘：可以部分消除驻波效应，采用涂抗反射涂层的方法可以有效防止驻波

效应。

⑥显影：三种显影方法——浸没法，喷淋法，搅拌法。

⑦清除残胶: 显影过后硅片表面会残留一层胶质层，有时会妨碍下一步的图形

转移，但并不是所有情况下都要去残胶。

⑧坚膜：硬烘烤，并不是一步必须的工序。

⑨图形转移：光刻胶本身只起到了一种掩模作用。

⑩去胶:有两种方法——湿法（酸碱类溶液或有机溶剂，如丙酮），干法（等离子体如氧气刻蚀去胶）。

3：光刻胶的特性

定义：光刻胶是指一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料。

作用：作为抗刻蚀层保护硅片。

分类：正型光刻胶和负型光刻胶。二者的区别是正型光刻胶曝光部分被去除，负型光刻胶曝光部分被保留。

组成部分：树脂型聚合物，溶剂，光活性物质（PAC），添加剂。

注意:光刻胶不仅对光敏感，有些光刻胶对电子束，离子束也敏感。

光刻胶的一些指标：①灵敏度——衡量曝光速度；（正负的定义不同）②：对比度——影响胶的分辨能力；③抗刻蚀比——刻蚀胶和刻蚀硅片的速度之比；

④分辨能力⑤曝光宽容度——偏离最佳曝光剂量时，曝光图形的线宽变化情

况；⑥工艺宽容比——偏离最佳工艺条件时，光刻胶的性能变化情况；⑦膨胀效应——负型光刻胶会出现这种情况；⑧热流动性——玻璃化转变温度：

⑨黏度——衡量光刻胶的可流动性的；⑩保质期限——尤其对紫外光成分敏

感。

正型光刻胶，负型光刻胶，暗场掩模，亮场掩模组合起来使用，可以获得任意的曝光图形。相比之下，正型光刻胶的性能更优，用途更广。

其他光刻胶：化学放大胶，特殊光刻胶——厚光刻胶，彩色光刻胶，可进行电镀涂附的光刻胶等。

4：光学掩模的设计和制造

㈠明确定义掩模层：定义每层掩模的作用。

㈡做好掩模对准标志：确定层与层之间的位置关系，微系统器件可以使用掩模对准式曝光机曝光，大规模集成电路使用重复步进式平曝光机。

㈢严格遵守设计规则：不同的工艺具有不同的最小可实现图形尺寸，具有一套掩模设计规则，来规定最小尺寸和最小间距。

掩模制造的本身就是一个微细加工过程。

5：短波长曝光技术

⑴深紫外曝光技术———R=k1λ

NA

，可知减小波长，可以获得更小尺寸的加工图形。一般，436nm为G线，356nm的为I线。采用准分子激光器的深紫外曝光技术。

⑵极紫外曝光技术——极紫外是波长为13nm的光辐射。而其本质是一种软

X射线。极紫外波长可被几乎所有材料吸收，故所有的光学系统包括掩模都必须是反射式的。

组成：①极紫外光源——等离子体激发和同步辐射源；②极紫外光学系统——利用多层膜反射镜，可提高反射率；③极紫外掩模——掩模基板和金属层；④极紫外光刻胶——更高灵敏度和分辨率。

X射线曝光技术：X射线是指波长在0.01~10nm间的电磁波谱，又可分为软硬两种，这里讨论的是硬X射线。X射线不能被折射，故只能做成1∶1邻近式曝光，不可做成缩小式曝光，这样就加大了掩模的制造难度和成本。

6：大数值孔径（NA）和浸没式曝光技术

⒈大数值孔径是高分辨率成像的必要条件。

⒉但是，增加数值孔径会受到焦深的影响和限制，DOF=k2λ

(NA）2

，过

大的数值孔径会使焦深过小。

⒊进一步增加数值孔径还受到光极化效应的影响——当数值孔径达

到0.8以上时，光波通过透镜会被极化成s极和p极分量，在大入

射角的情况下，s极分量会被反射，使得入射光的能量损失以及成

像对比度下降。（采用极化光照明，使得入射光中只有p极分量，

这样就不存在极化反射的问题了）。

⒋提高光学曝光数值孔径的最成功的方法是浸没式曝光技术——又

称为湿式曝光，即将传统的空气介质换为介质水。浸没式曝光的最

大难题是微气泡问题——当曝光镜头在硅片表面高速移动进行扫

描步进式曝光时，会在镜头与硅片表面的水溶液层中形成大量的微

气泡，这些微气泡会大大的改变光波在水液层中的传输性质。7：光学曝光分辨率增强技术