同步辐射X射线光刻技术

第 22卷 第 4觏 2001拒 应 用 光 学 Vo1．22， No．4 2001 文 章 编号 1O02 2082(2001)04 0040 05 同步辐射 X射线光刻技术 张 东平 ，乐德芬 ，胡一贯 (1．中国科技大学 物理系，安徽 台肥 230026；2．国家同步辐射实验室 t安徽 台肥 230027) 摘 要 ： 同步辐射 x射线光刻 (SRXL)是 本世纪超大规模集成 电路(V1 SI)发展中最有希望的探亚微 米图形加工技术，本文综述了SRX1 技术研究的现状及存在的问、井对其今后的发展进行展望 关键词 ： 同步辐射 X射线 ；光刻技术 中图 分类 号 ：0434 1：TN305．7 文献 标 识 码 ：A 引 言 以集成 电路为核心的微电子技术是 当代 国际社会竞争的重点 ，其技术的先进与否将直 接 影响到 国家 的战 略地 位 。 自从上 世纪 6O年 代集成 电路 问世以来，在短短 的 30多年时间 里 ，已经历了从小规模、中规模、太规模 超太 规模 乃至甚大规 模 的发展 过程 。集成 电路 的迅 速发展 ，对加工精度要求越来越高。最小 线度 要求越来越细 ，现已达到探亚微米量级。在集 成电路加工中，光刻技术是最核心的一种工艺 技术 。SRXI 技术由于具有高分辨率、高精度、 高生产率等优点，成为近年来光刻技术 中非常 活跃的研究领域_1]。本文将介绍 SRXL技术研 究发展的现状 ，同时讨论其 中存在的问题及今 后 发展 的方 向 。 l SRXI 的优 点 作为光刻曝光用x射线源，目前常用的有 普通 x射线与同步辐射 x射线两种 。利用 同 步辐射光作为光源进行曝光的光刻技术称为 SRXi 技术 。图 1为同步辐射 x射线曝光 系统 图 1 同步辐射 x射线嘎光系统构成简 图 构成简图。同步辐射光束从高真空一侧的真空 窗进人曝光室，经掩模版照射至片子的光刻胶 上进行 曝光 。用 同步辐射光源进 行光刻 主要有 以下优 点 ： (1)同步辐 射光谱 范围宽 ，并且连 续 可 调，因此可根据掩模版材料和光刻胶性能选择 最佳曝光波长。普通 x射线中连续谱强度低， 曝光 中被光刻胶吸收的主要是特征谱 ，而特征 谱波长是由靶原子所决定的，故曝光时受特征 波长限制，不可任意选择 (2)同步辐射光的强度太，一般较普通 x 收 稿 日期 ：21JcIO O9 23 基 金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(No：69~76026)。 作者简介 ：张东平 (1972 )，男，微 电子专业 ，现在安徽马鞍 山华东冶金学 院数理实验 中 L'I作，主要 事金刚石 基 底 x射 线掩 模 基础 研 究 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 射线高两个量级以上 ，可太太缩短曝光时间， 提高生产率 。 (3)同 步辐 射 光 的平 行性 好 ，发 散 角小 ， 在曝光中引起的半影畸变和几何畸变小 ，曝光 分辨率和套 刻精度也较普遥 x射线高得 多。 另外 ，普通 x射线平行性差，曝光时只在片子 立体角内的 x射线才对曝光起作用 ，因而效 率低 。 2 SRXL掩模 图 2为 同步 辐射 x射线光 刻掩模示 意 图，它是由吸收体图彤 、基底 、衬底和加强环构 成。与光学掩模相 比，SRXI 掩模 由于利用同 步辐射光源的特殊性 ，其制作难度较大，对基 底材料和吸收体材 料也有特殊的要求。 图 2 SRXL掩模 示 意 图 2．1 对 SRXI 掩模 基底材 料 的要求 SRXI 掩模基底材料有如下要求 ： (1)要 在光刻应用 x射线波长范围内透 射率大于 50 j (2)要有较高的杨 氏模量，以减少平面内 畸变 ； (3)要有高的张应力 ， 减少非平面内畸 变和热胀效 应 ； (4)与衬底材料吸收体材料有类似的热 导率 和导热 系数 ，以减少热 畸变 ； (5)平整性要好，以满足图形高分辨率要 求 ； (6)要有高的热稳定性和化学惰性，在曝 光过程中薄膜保持其物理和力学特性； (7)光学 透 明度要 好 ，以利于光学对 准 。 目前世 界上实验研究的掩模基底材料 主 要有 、SiN、BN、金刚石薄膜口 以及 SiN／SiC 双层复合膜等无机材料和聚酯树脂等有机材 料 。近来 大量研究 表 明，含氢的 SiN、t3N 和 SiC 等材料经长期 大剂量的同步辐射光照射后会 导致严重辐射损伤 这主要是因为吸收大量 x 射线后，部分氢原子迁移至薄膜表面，产生 了 内应力的改变和化学退化 ，导致几何形变和光 学透明度降低。金刚石薄膜含氢量极少 ，仅在 ppm量级，而 且具有特别优 良的力学 、热学和 光学性质 ，基本上符合以上要求 ，使其成为理 想的下一代同步辐射光刻掩模基底材料的最 佳候选者，也是当前这一领域研究的热 门0：。 M．R．Ravet及其合作者制作了兼容于商用 x 射线步进光刻机的高分辨率金刚石基底掩模 采 用 常 规矢 量扫 描 图形 发 生器 优 化产 生掩模 图形 ，获得 了最小线宽和周期分别为 60nm 和 1 20nrn的高精度高分辨率金栅 。目前工作主 要是在优化生长金刚石薄膜方面，以便找到各 项性能均满足制作高分辨率 SRXI 掩模的薄 膜 生长条 件 2．2 SRXI．啦收体 要求 SRXI 掩模吸收体通常采用高原子序 数 的重元素材 料 、并 且要满足 以下要求 ： (1)有 适 当的 X射线 吸收系数 ，以保证掩 模 反差 ； (2)易于用常规 的方法制作低缺陷密度 的亚微 米 图形 ，最 好有 陡直 侧壁 } (3)有 高 的杨 氏模 量，以减少 掩模 热畸 受 ； (4)与衬底有 良好 的附着性 ； (5)有较 低 的内应力 ，以减少 掩模本 征 畸 变 ； (6)与 基底有 良好 的热 匹配 特性 ； (7)有 良好 的 化 学 惰 性 ，以利 于后 序加 工 { (8)好 的材料稳 定性 目前 国际上研 究 的吸收体 材料主 要有 w、Au、Ta、Ni、Cu等，对以 Au、W、Ta研究最 多。Au可以满足以上大多数要求，不足之处 在于它不能用减法工艺制造 ，而且一旦衬基破 裂 ，Au会污染硅片。w 易制作陡直侧壁图形 ， 在 x射线波段的质量吸收系数比 Au大 (这有 利 于降低吸收体厚度)．但不易得到低应力膜 ； Ta不仅 具有较 高 的软 x 射线 吸收 能力 ．且 易 41 维普资讯 http://www.cqvip.com 制作超精细 图形 ，在应力控制方面也 比较成 熟 。目前 ，主要工作集中在寻找低应力膜的成 膜 工艺 上，以便使 吸收体图形无畸变或少畸 变，从而达到高精度的要求。Yoshihisa Iba 等 人研究了吸收体 膜中的应力及其分布与成膜 条件 的关系。C．Hudson【5 等人也得到了溅射 法成膜中应力与靶功率、工作气体压强以及靶 极间距等参数的关系。这些工作为我们选择成 膜条件给出了实验依据。 吸收体 的厚度对 SRXI 的宽容度和分辨 率的影响较大。以前人们认为吸收体的厚度应 在 0．5～ 1．0pm 之间最 好 ，因为 只有如此 厚度 的吸收体才能有效地吸收 x射线。但 IBM 的 最新研究表 明，当光 刻线宽 达到 0．25pm和 0．25 m 以下 时 ，吸 收 体 的 厚 度 在 0．3～ 0． 3j m 之间 可获得 高质量 的吸收体 图形 J。这 是由于一部分 x射线透过吸收体 ，引起相移 ， 部分衍 射效应相抵消 ，从而获得高分辨率 图 形 。吸收体厚度的减小不仅有利于降低对衬底 材料 坚韧性 的要求 ，而且 由于 吸收体应力引起 的图形位置精度提高了，使掩模的制作难度太 大降低。另外，对于 x射线掩模缺陷的修复， 则可通过聚焦离子束技术去除透明区的缺陷， 再通过激光淀积方法对图形缺陷进行修补。 3 同步辐 射源 同步辐射 x射线光源是由电子同步加速 器产生 的强辐射 。电子在磁 场中 由于受到洛仑 兹力的作用将作衄线运动，当被加速到接近光 速 时 ，由 于相对 论 效应 ，将 沿 着轨 道切 线方 向 辐射出电磁波。这种辐射主要集中在电子运动 方向即轨道切线方向周围极细的光锥内。一般 认为，0．2 m及 0．2gm 以下线宽的 SRXL柬 线应满足如下要求 ：(1)使光刻胶尽可能多地 吸收人射光的剂量，从而降低对光刻胶灵敏度 的要求 ：(2)使掩模吸收体的高宽比尽量小 ，从 而降低掩模制作难度 ；(3)避免掩模和光刻胶 下的衬底产生大量的光电子 ．因为掩模产生的 光电子会降低图形反差，同时也使光刻胶与衬 底粘接不牢 d2 最新 实验 证 明 ，SRXI 技 术 应用 于 0．]pm 的最 佳 波 长范 围在 0．8～1．2nm 之 间” ，因为 0．7nm 以下 的成份易激发掩模 ，并在光刻胶 下衬底产生大量光电子 ，而 1．2nm 以上 的成 份不 利于光 刻分辨率，也有人更进一步提 出 0．88nm 的同步辐射最适合作光刻工艺。对于 储 存环 能量 的选择 ，一般认为 0．7～1．0GeV 的同步辐射最适合作光刻曝光光源。能量太低 将得不到足够的光子能量辐射 ，使曝光时间过 长；能量太高 ，光子输 出量大，辐射过强，掩模 版 良好 反差难 以实 现 ，并将 产生过强 的热负 载 和辐射 损伤 。 l976年美 国 IBM 公 司 E．Spiller等 人 在 德国汉堡 DESY同步 辐射装置上首次进行了 SRXI 实验 ，所 得结果 展现 出 SRXI 的 良好前 景 。7O年代后 期 ，人们进一 步认 识到同 步辐 射 是一种 极为优 越 的光刻曝光光 源 。80年代 ，美 国、日本 等 国相继 建立 了同 步辐射 装 置 ，用 于 光刻技 术 实验 研究 。我 国北 京正 负电子 对撞机 (BEPC)建有兼用储存环，可进行光刻实验研 究 。中国科技大学国家同步辐射装置 HI s(台 肥 光 源 )是 我 国第一 个 专用 同 步 辐射 源 ，特 征 波长为 2．4nm，晟适合作同步辐射光刻使用 ； 台湾 TI s同步辐射专用储存环上也建有 同步 辐 射光刻 柬线 。耳前 同步辐射装 置 的昂贵建造 费用阻碍了技术的实用化 ，所以各国正努力使 光源朝投资少，维持费用低 ，实用性更强 的超 小型同步辐射源方向发展 ，如德国柏林建造的 COSY小 型超导 环 ，日本 电子技术 综合研 究所 和 日本住友电器公司也开发 了命名为“虹”的 小 型超 导 同步辐 射装 置。表 1列 出了 目前世界 上专用于光刻的小型超导同步辐射装置 ，这为 SRXI 技术走 向实用化奠定了基础。 表 1 用 于光刻的小型超导同步辐射装置 电子能 量 临界 波 长 国名 超 导环 名 称 地 点 (GeV) ( m) 美 国 SXI S BN】| 0．70 1．0 德 国 COSY Per】in lMT 0．59 l 2 英 国 HELlOS Oxford 0．70 0 85 维普资讯 http://www.cqvip.com 表 1(续 】 电子能量 临界波 国名 超导环名称 地点 (GeV) (Dn1) 日本 AURoRA Sumitomo SH1 0 6S 1．0 日本 Super—ALIS TT 0．60 】_73 日本 NIJl Ⅲ ETI ／SE1 0 62 】_l7 4 光刻胶 衡量 x射线光刻胶 的基本 指标有灵 敏 度、分辨率、反差和耐腐蚀性等，实际上同时满 足上述指标是困难的 经常是提高了分辨率和 灵敏度，但耐腐蚀性却大大降低 ．因此无法使 用。人们了一些相互补充的工艺 ，即 所谓的三层胶技术，通常把分辨率和灵敏度高 的胶放上层，抗腐蚀性好的胶放下层 ，这样可 实现高水平光刻 ，但又增加 了工艺 的复杂性。 x 射线 光刻 胶对 x射 线 的吸 收主要 为 光 电吸 收，因此 x射线光刻胶与 电子束 光刻胶具 有 一 定的共性 ，目前常用 的光刻 胶为 PMMA。近 年来的研究成果表明，x射线光刻胶的二次屯 子散射效应要比原来估计的小得多，这就使人 们把提高分辨率的注意力投向高分辨率掩模 的制作和同步辐射光谱的优化上 一 般而言，x射线光刻正胶具有较高的分 辨率，但是灵敏度较差，人们 拄往针对特定 的 X射线 波 长掺人 一些 有 适 当吸 收 系数 的元 素 来 提 高 光 刻 胶 的灵 敏 度 。IBM 最 近 推 出 了 Apex化学放大 x射线光刻正胶 ，其灵敏度达 到 40ml／cm ；NTT则推出了 CANI化学放大 x射线光 刻正胶 ，其灵 敏度为 0～70a~l／cm 。 5 光刻机 光刻机 主要用于完成硅片和掩模的精确 定位、间隙调节控制 、对准套刻和分步重复曝 光等功能，其中对准套刻的精度是衡量一 台光 刻机性能优 良与否的关键 。一般认为对准套刻 精度应高于光刻特征谱线的 20 。～ 台好 的 光刻机应满足以下要求 ：(1)有很高 的校准灵 敏度：(2)很高的信噪 比；L 3)能在较短的时问 内实现对 硅片和掩 模的对 准 ；(4)能实时较 准 ， 即在曝光过程中进行校准 。由于同步辐射光以 与水平面成一定的角度入射 ，光刻机中承接硅 片的工作台 须垂直放 置，并且 x射线难 以 偏转，因此高精度光刻机 比光学光刻机制造困 难得多 。 目前 比较 著名 的 x射线 光刻机有 Karl Suss研制的 XRS200／3 ]，其原理是采用光学 显微镜对硅片和掩模的图形标记进行对准 它 的校准系统采用 电视摄像机对来 自掩模和硅 片对准标记上的光学图像进行数字化处理，然 后对 数字化 的图像进行边 缘检 测 ，这样就可 以 得到掩模和硅片之间的偏差。近年来 日本发展 了一种基 于光栅的光学外差位掐检测系统来 进行对准套刻0·。其基本原理是两束不同频率 的光分别入射到掩模和硅片的光栅标记上 ，然 后分别检测由掩模和硅片的光栅标记衍 射出 来的两束光的位相差 。由于受光栅周期 的限 制，能检测到 的最小位置偏差 为 P ／360，P 是光栅周期 ， 能检测到的最小位相差 。 6 真 空窗 真空窗是用米隔离高真空室和曝光室的 窗口 作为高真空窗的膜材料要对曝光波长的 x射线有较高的透射率，同时有一定的机械强 度，能承受一定的气体压力 。 与其他材料相 比，透射性能好，机械强度较高，因此目前的 x 射线曝光系统多采用 模作为窗 口材料。典 型 的 Be窗厚度为 25pm。 7 曝光气氛选择 从 实用化 观点考 虑 ，最希 望曝光 室中的曝 光气氛能在大气 中曝光，这样操作方便 ，维护 容易，生产效率高。这项技术的难点在于真空 窗的选择 ，既要 窗膜薄 ，面积 太 ，又 要承受大气 压力。人们曾实验使用真空曝光方式和充有某 种惰性气体的曝光方式。真空曝光对真空窗强 度要求低 ，真空窗只起滤波作用 。但掩模版因 吸收辐射而导致温升，理论计算和实验结果都 表明，储存电流为 UJ0mA，掩模皈和曝光片间 43 维普资讯 http://www.cqvip.com 距为 25,／-m 的情况下 ，温升达数 十度 ，会导致 掩模版发生形 变或损坏。同步辐射 x射线在 氦气 中的透 过性 比氨气好 ，所 以 目前 多采用 氦 作为曝光气氛。氦不但对 x射线吸收小 ，而且 还是良好的散热媒体，可以防止掩模版因吸收 辐射而引起的过高温升和形变。 8 发 展前 景展 望 5RXL技术自问世 以来发展极慢 ，离实用 化还有一定距离。其主要原因是：一方面由于 光学光刻技术取得了巨大的发展，使人们忽视 了其 极好 的发 展前景 ；另一 方 面 由于其 本身 在 技 术 上还 有待 进一 步完 善 。在光 学光 刻技 术 上 ，基于 汞灯 的 j线 (365nm)和 KrF(248nm) 准分 子激光 器 的 步进式 光 刻机 的分辨 率 已达 到 0．35,um 和 0．25 m，可 以 满 足 6,tM 和 256M 动态 随 机 存 储 器 (DRAM)最 小 线 宽 的 要 求 ，而正 在研 制 中的 ArF(193nm)准分 子激 光 光刻 技术 可 满 足 0．18vm 或 更 小 的线 宽要 求 。与此 同时．SRXI 技术发展也存在很大 障碍 ，即 同步辐射装置 的成本 昂贵和 SRX! 掩模制作 困难。基于以上两个方面的原因，人 们 对 SRX! 技术 的研 究 ，目前 只能 停 留 在实 验室阶段 。但是 ，同步辐射光刻与其他光刻相 比所呈现出的诸多优点 ，使其工业应用前景非 常好 ，也促使 世界各 国大力 开发本 项技术 。目 前 美 国 的 IBM、Motorola、AT&T 已 联 合 对 SRXL技术进行研究，法国的科学研究 中心、 日本 的 NTT 以及 十三 家 rC企 业 和 13本政 府 联 合 投 资 的 SORTEC等 ，都 在 这 方 面进 行 了 研 究 。1995年 日本 NTT公 司通过把 SRX! 技 术 应用 于 CMOS／SIMOX工艺 中，已研制 出 0．2p-m栅长两端输入的高速与非 门电路 目 前 IBM 公 司 也 正 利 用 sRXL技 术 1G 的 DRAM。另外 SRX! 技术在 MEMS(微电子机 械系统)制造，量子器件制作等方面的研究也 d4 取 得 了较 大进 展 。这些 都 说 明 SRXI 技术 是 本世纪最有希望的深亚微米光刻技术。 参考 文献 ： [13 Shigehisa Ohki Sunao Ishihara．An overview of X—ray lithography口]Microeleetronic En ginering 1996t30(2) 1 7l [2] Cameron J Brooks，Lynn A Powers Charac- teristic of cbemicai vapor deposition diamond films for x—ray mask suhsl rates[Ji。J Vac Sci TechDO1，】999．B17(6)：31 [3] Henry Windischmann，Glenn F Epps．Proper ties of diamond raembranes for X—ray lkhog- raphy[J]j Appl Phys+1990，68(11)：5665． [4] M R Ravet， al Evalution of a diamond— based X—ray m ask for high reso[ution X— ray prox[nlity lithography[3]_J ga~Sic Technol， l995，Bla(6)．3055． [5j c Hudson，R E Somekh Origin of st ress in spultered elemental and alloy thin films[j]J Vac．Scl Techno1．1 996．A 14(4)：21 69． [65 MceordM A．Wagner A-“ ．Effect ofAb- sorber thickness OD X—ray 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used in GJ一341 small remote control op tica1．e1ectronic theode!ite Its a ccLIncy is enough in terR)s。f theory．But there are 5oR)e problems in the surveying anEIe svstem and its reliability．This made hs accuracy is not enough for GJ一341 small rPnlote—control optical—dee- t㈨ 1c theod 1te n pract c ．In this pape~、the effect the surveyit~g angle system and its reliability on the lneagur- ing accuracy of GJ一34 1 small renlote—control optical—electronic theodolite is analyzed． Keyw~rds；surveying angle system ；reliability；theodolite{m eas,Jring accuracy (上 接第 44页) SYNCHRO TRON RADIATION X—RA Y I ITHOGRAPHY TECH NO LOG Y ZHANG Dong—ping ，I．E De fen ，HU Yi guan (1 Department of Physics．USTC，Hefei 230026，Chin~；2．National Synchrotron Radiation Laboratory rHM ei，230027，China) Abstract：Synch rotron radiation X—ray lithography(SRX1 )is a pmmlsing technology for fabricating very—large—scale int grated(VLSI)devices with dim ions of sub 0 1 f*m this century In this㈣ dcl，reeent adva ce in SRXL are iewed，and its existing questions and developing directions are a[so presented Keywords{synchrotron radiation，X—ray rlithography 维普资讯 http://www.cqvip.com