微纳米加工技术的研究进展与应用

微纳米加工技术的研究进用展与应用

摘要：

微纳米加工技术是一个新兴的综合性的制造技术, 有良好的应用前景。纳米技术微微机电系统（MEMS）技术和纳米技术的简称，是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家兴起的高校科学技术。微纳米技术的研究和发展必将对21世纪的航空、航天、军事、生命科学和健康保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域产生深远影响。本文对微纳米加工技术的进展与应用作了简要介绍。

关键词：微纳米加工发展应用

引言：

随着科技发展, 对超精密装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求越来越高, 从而使得对特征尺寸在毫米以上级别, 采用多种材料, 且具有一定形状精

度和表面质量要求的精密三维零件的需求日益迫切。微纳米加工技术是指实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。

微纳米加工技术的被加工工件尺寸在10mm~1m 之间,表面加工精度高于1μm, 形状精度高于1μm。微纳米加工技术主要包括: 微纳米加工的机理, 微纳米加工的设备制造技术, 微纳米检测技术, 微纳米加工工作环境条件等。

微纳米检测技术是实现微米, 亚微米乃至纳米量级检测的技术及其相应系统。微纳米检测技术可以大幅度提高产品制造过程中的精度, 提高计量等级, 对微纳

米产品进行直接检测和检定, 能够实现生产过程中的在线检测和控制。

因此, 纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础, 是当前世界科学研

究巫待解决的难题之一。

一、光刻技术

光制造是指通过光与物质的相互作用实现材料成形与改性的过程。光刻技术是应用于光制造的典型实例。传统的光刻技术是一种利用类似于照相复制的曝光与刻蚀相结合的技术，通过曝光和显影工序把集成电光刻掩模版的版图图形转移到光刻胶上，然后通过刻蚀工艺再转移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、纳米尺度的集成电路图形层。其他微、纳米加工领域也都借用半导体集成电路的工艺技术，尤其利用光刻技术实现微、纳米尺度的制造。1965年，G.More在报告中指出，每隔1824个月，芯片的容量将增加1倍，后来演变成了著名的“摩尔定律”。光刻技术作为半导体工业的主流工艺技术，极大地促进了集成电路(IC)

的发展。光刻所获得的最小线宽已成为新一代集成电路的主要技术指标，光刻技术决定着集成电路工艺水平的高低。由于光刻工艺过程需要重复性，因而光刻产

品的成本和质量受到光刻技术稳定性和可靠性的影响较大。因此，光刻技术的纷争主要在于厂家可以提供给用户什么样分辨率和产能的设备以及相关的技术。下面重点介绍几种新型光刻技术在微纳制造中应用的现状及展望，主要有准分子光刻技术、极紫外（EVU）光刻技术、电子束光刻（EPL）、离子束（IB）曝光技术、X射线（XRL）光刻技术和纳米压印光刻（NIL）等。

1.准分子光刻技术

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，要包括：特征尺寸为0.1um的248nmKrF准分子激光技术；特征尺寸为90nm的193nmArF准分子激光技术；特征尺寸为65nm的193nmArF浸没式技术(Immersion,193i)。其中193nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气，而浸没式技术则是将空气换成液体介质。实际上，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径（NA），同时可以显著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL），浸没式光刻技术正是利用这个原理来提高其分辨率。世界三大光刻机生产商ASML，Nikon和Canon的第一代浸没式光刻机样机都是在原有193nm干式光刻机的基础上改进研制而成，大大降低了研发成本和风险。因为浸没式光刻系统的原理清晰而且配合现有的光刻技术变动不大，目前193nmArF准分子激光光刻技术在65nm以下节点半导体量产中已经广泛应用；ArF浸没式光刻技术在45nm 节点上是大生产的主流技术。为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上，光刻专家一直在寻找新的技术，在没有更好的新光刻技术出现前，两次曝光技术（或者叫两次成型技术，DPT）成为人们关注的热点。ArF浸没式两次曝光技术已被业界认为是32nm节点最具竞争力的技术；在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中，浸没式光刻技术也具有相当大的优势。浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题；研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题；研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料；以及有效数值孔径NA 值的拓展等问题。针对这些难题挑战，国内外学者以及ASML，Nikon和IBM 等公司已经做了相关研究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展，以满足更小光刻线宽的要求。

2.极紫外光刻技术

提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的NA或缩短波长，通常首先采用的方法是缩短波长。早在80年代，极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实验，该技术的光源是波长为11~14nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。由于所有的光学材料对该波长的光有强烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系统主要由四部分组成，

即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极紫外光源系统和能用于极紫外的光刻涂层。其主要成像原理是光波波长为10~14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上，通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。目前EUV 技术采用的曝光波长为13.5nm，由于其具有如此短的波长，所有光刻中不需要再使用光学邻近效应校正（OPC）技术,因而它可以把光刻技术扩展到32nm 以下技术节点。2009年9月Intel第一次向世人展示了22nm工艺晶圆，称继续使用193nm 浸没式光刻技术，并规划与EUV 及EBL 曝光技术相配合，使193nm 浸没式光刻技术延伸到15和11nm 工艺节点。2012年4月Intel在北京天文馆举行发布会，正式发布了采用22nm工艺制造的核心代号为IvyBridge的第三代酷睿处理器，首次引入了Intel的3D晶体管技术，SNB处理器中的晶体管数量由11.6亿个增加为14亿个。目前EUV光刻技术面临的挑战有：①研发高功率（大于115W）、高投射率和高寿命的光源系统；②制造低缺陷密度的掩模基板；③研发低线宽边缘粗糙度（小于3nm）、高感光灵敏度（小于10mJ/cm2）和高分辨率（小于40nm）的光刻胶。高功率的极紫外激光器是EUV实现芯片批量生产的前提，因而光源的研制就成了降低EUV光刻机成本的关键。极紫外光源的设计比较困难，现有的激光器在极紫外波段的输出功率较低，达不到ＥＵＶ光刻所需的能量要求。开发EUV光源的最大难点在于如何在提高EUV光源功率的同时，降低等离子中微粒的污染，避免光源快速恶化。EUV光源的设计路线有两种：源于放电型等离子体激光器（DPP）和基于放电型等离子体激光器（LPP）。LPP光源更小更亮，较DPP更有优势。极紫外光刻技术另一个重大的挑战是如何制造满足纳米级光刻的、无致命缺陷的、多层反射膜结构的反射透镜和反射掩模。多层反射膜结构是采用每层要求绝对平滑的80层Mo/Si薄膜相堆叠，每个Si层与Mo层的厚度分别为4.0和2.8nm，要求反射透镜和反射掩模上颗粒的直径不能大于50nm，制作过程中通常还要利用高精密度的掩模缺陷修正技术，如电子束局部加热气化和离子铣等。尽管极紫外光刻技术面临着诸多挑战，但其较低的产业发展成本和较强的延续性被众多公司和学者看好，被认为是能够满足未来16nm生产要求的主要技术。

二、应用SPM技术进行纳米去除加工

扫描探针显微技术的基本方法是使用探针对试样表面进行探测和操作, 其原理是利用针尖原子充分接近试样表面原子时, 即在高度空间约束条件下原子和原子间局域化场如力、电、磁、光等物理量对空间原子间距的微小变化敏感的性质, 通过检测这些物理量白锐微小变化实现包括表面形貌、性质和一个个原子状态的观测这里，探针对表面的检测包含两方面，即检测表面上各点的物理量和检测随各点凹凸方向变化的物理量。这个物理量, 对于扫描隧道显微镜（STM）,