UV压印光刻刻蚀工艺研究

UV压印光刻刻蚀工艺研究

史永胜, 丁玉成, 卢秉恒, 刘红忠

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 710049, 西安）

摘 要：针对UV压印光刻和传统光学光刻不同的技术特点，提出压印光刻刻蚀工艺路线。本文对反应离子刻

蚀和感应耦合等离子体刻蚀技术对阻蚀胶残留膜刻蚀进行了比较实验，确定了在第一步刻蚀中的刻蚀方式选择，并分析了压印光刻阻蚀膜残膜的反应离子刻蚀原理，通过对刻蚀诸参数如反应压力、气体流量、射频功

率的调节获得了稳定的刻蚀速率及优异的各向异性。并对第二步刻蚀进行了深入的理论分析和大量的实验研究，保证了刻蚀图形的质量。

关键词：UV压印二步刻蚀反应离子刻蚀阻蚀胶残留膜感应耦合等离子体刻蚀

1.引 言

随着技术的不断发展与进步，集成电路制造工艺已经进入100nm以下的技术节点[1,2]，各大光刻机制造商

曝光出几十纳米特征线宽的新闻时见报端。在特征尺寸进入100nm以下时，由于衍射现象的存在和光学透镜

系统值数孔径的物理极限的限制，传统光学曝光技术的缺陷十分明显，光刻机制造商运用各种新技术来克服

这些困难，并取得了一定的成绩，但是昂贵的光学系统却使得这些新技术缺乏吸引力。

于是各种下一代光刻技术NGL(Next Generation Lithography）应运而生。NGL主要包括极紫外光刻EUVL、

X射线光刻XRL、电子束投影光刻IBPL和压印光刻。

压印光刻将传统的模具复型原理应用到微观制造领域，通过阻蚀胶的受力变形来实现图形化，因此分辨

率不受光的衍射，阻蚀胶表面光反射、阻蚀胶内部光散射、衬底材料反射和显影剂等制约传统光学曝光的因

素的影响，可以突破光学曝光的分辨率极限。因此压印光刻技术一出现就因分辨率高，成本低，产能大的优

势成为NGL技术中最为潜力的竞争者之一[3,4,5]。

ITRS明确把压印光刻（imprint lithography）列入最有竞争力的集成电路制造技术路线图，而且压印光刻

技术是作为32nm和22nm节点技术的候选。目前普林斯顿大学已经利用LADI（激光辅助压印）技术复制出6nm

尺寸的结构[6]。

在针对压印光刻技术的研究中，各研究者大多针对压印过程的实现展开研究，以期获得更小的线宽，更

适用于压印技术的各种材料和设备平台，而把后续的刻蚀工艺作为传统的集成电路制造中的简单兼容技术而

少去研究。

但事实上，由于压印光刻技术在原理上与光学光刻的不同，所采用材料要求上的差别，导致刻蚀工艺与

光学光刻相比，有很大的独立性。

本文针对压印光刻刻蚀工艺做了深入的理论分析与实验研究，揭示了压印光刻刻蚀工艺与传统光学曝光

刻蚀工艺原理上的区别，比较了各种刻蚀方式的优缺点，确定了刻蚀工艺路线，并得出了满意的实验结果。2.压印光刻刻蚀原理

压印光刻由于原理上的不同使得整个工艺路线与光学光刻相比有很大的独立性，如下图１所示

作者简介：史永胜(1981~)，男. 博士生. 基金项目：国家自然科学基金(50505037), 国家973重点基础研究发展计划(2003CB716203)，国家自然科学基金资助项目（50275118）资助

a (1)通过掩膜光照曝光光刻胶

b (1)模具下压形成图形

a RIE去除残留膜后AFM扫描图

b RIE去除残留膜后AFM扫描图

图2 RIE和ICP去除残留膜后AFM对比图

由图2可以看出，RIE刻蚀后的样片的粗糙度要比ICP刻蚀后小上很多，更为重要的是，ICP刻蚀后，在裸露的基底材料层上有些残留膜没有去去除干净，如图2 b中所示。在存在残留胶时对下一步的刻蚀产生较大的影响，导致在非图形区造成多余掩蔽。

导致这个现象发生的原因是：ICP刻蚀方式从本质上而言是增强的反应等离子体刻蚀技术，与RIE相比它在反应室里的电极上增加了一个射频电源，如此就可以给等离子体提供偏置电压，供给等离子体能量使等离子体垂直作用于基片，加强了物理性的溅射作用。所以在ICP刻蚀中，等离子体的能量更大，作用到阻蚀胶上去产生不均匀的刻蚀作用，致使“漏刻“现象发生。

3．2 去除阻蚀胶残留膜实验

通过如上的比较分析，在刻蚀工工艺中第一步去除阻蚀胶残留膜中选择了RIE的刻蚀方式。

刻蚀气体选用O2，其在辉光放电过程中产生O2，O2+，O3，O—。

刻蚀气体形成的等离子体其电离度约为0.1％—1%，这样的等离子体由电子、离子、自由基组成，其中自由基占90%以上，自由基是电中性的原子或分子基团，但它们已经不是处于基态的中性粒子，它们在射频电场中，受到电离的离子和电子以及粒子间的相互作用，获得了一定的能量，虽未电离但已处于激发态的中性粒子，这种处于激发态的气体粒子具有很强的化学活性，容易产生化学反应。

当自由基粒子到达被刻蚀的阻蚀胶表面，由于它在化学上的活性，被阻蚀胶表面化学吸附后立即反应电

离，在阻蚀胶的表面形成向内的一个很强的偶极场，这个偶极场拖着离化的2O +进入到阻蚀胶的表面内，形成气态的2CO 、2H O ，完成化学刻蚀过程。同时刻蚀过程中也存在粒子的轰击效应,但是这里的粒子轰击效应又不仅仅是一种物理效应,它对化学反应还产生显著的增强作用。

刻蚀阻蚀胶过程中主要反应为：

(CH 2)n O m （s ）+ O 2 (g) →CO 2(g)+H 2O(g) (1)

反应产物作为残余气体抽出反应室，完成阻蚀胶的刻蚀工艺。

刻蚀速率通过用AMBios －XP2型表面形貌仪测量刻蚀前后阻蚀胶残留膜厚度变化来计算。刻蚀质量通过使用VECCO 原子力显微镜测量刻蚀前后特征线宽变化来衡量侧向刻蚀程度。

侧向刻蚀参数用各向异性值Anisotropy 来表征。Anisotropy 计算方法如下式（2）所示

H

V

V Vertical Etch Rate A =Horizontal Etch Rate V ＝ (2)

即：纵向刻蚀速率与水平刻蚀速率之比。

通过对RIE 各刻蚀参数如反应压力、气体流量、射频功率的优化与配置，可以得到稳定的刻蚀速率与较高的各向异性数值。

在O 2的气体流速为50sccm (标准状态下每分的毫升数)，射频功率为150W ，反应时压力为0.8Pa 的刻蚀参数下，刻蚀速率可稳定在140nm/min,各向异性值可以达到8。

在此参数下，可以精确的去除阻蚀胶残留膜，可以保证第二步刻蚀的顺利进行。

在第二步刻蚀中，采用ICP 的刻蚀方式进行基底材料的刻蚀。由于阻蚀胶在第二步刻蚀时残留膜已经完全去除，只有掩蔽作用，而且使用的刻蚀气体对基底材料和阻蚀胶的选择比比较高（10以上），ICP 较强的溅射作用所引发的阻蚀胶的少量去除可以忽略不计。

刻蚀气体选择CF 4和H 2的混合气体。基底材料为Si 。

辉光放电时产生等离子体，在等离子体中CF 4被离解成F 原子和不稳定的CF x 分子基团，CF x 被吸附在基片表面，与Si 反应生成SiF x 和C 原子，而C 原子沉积在Si 表面，形成占据较小基底表面的“原子簇”。 刻蚀中发生的主要化学反应为

CF 4→ CF x +F * (3)

4 F *+S i →SiF 4 (4)

CF x ＋Si →SiF x ＋C （5）

刻蚀结果如下图3所示

图3 图形转移到基底材料层上的AFM 扫描图