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一、電子束曝光技術

 

光刻是廣泛應用的芯片加工技術之一，下圖是常見的半導體加工工藝流程：

 

光刻廣泛應用于芯片加工，但是其分辨率會受到光波長的限制?

 

電子束曝光( ElectronBeam Lithography, EBL) 是光刻技術的延伸應用? 

 

電子是一種帶電粒子, 其能量越高, 波長越短? 當電子的能量為100eV時,其波長僅為0.12nm，因此,電子束曝光可以獲得非常高的分辨率?

 

電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構示意圖如下圖所示：

 

主要包括: 電子槍,電子槍準直系統(tǒng),聚光透鏡,電子束快門,變焦透鏡,消像散器,限制?？?投影透鏡和偏轉(zhuǎn)器?

 

利用電子束曝光制備掩膜的一般步驟為:

 

(1)樣品表面處理

 

首先清洗樣品去除樣品表面的雜質(zhì), 然后在烘箱中烘烤以確保樣品表面干燥? 防止樣品表面的雜質(zhì)和水分對甩膠和曝光的質(zhì)量產(chǎn)生影響?

 

 

(2)勻膠

 

將光刻膠滴在樣品中央, 通過涂膠機的高速旋轉(zhuǎn)在樣品表面均勻涂覆光刻膠? 

 

光刻膠分為兩種:正膠和負膠? 

 

正膠在曝光時使曝光區(qū)域溶解性增強, 顯影時感光部分溶解, 不感光部分不溶解? 

 

負膠曝光時曝光區(qū)域變成交互鏈結(jié), 顯影時感光部分不溶解, 不感光部分溶解。

 

(3)前烘

 

目的是蒸發(fā)掉光刻膠中的有機溶劑? 

 

烘膠時間和溫度需要控制時間，太短或溫度過低不能把光刻膠中的溶劑蒸發(fā),時間太長或溫度過高將會破壞光刻膠中的增感劑活性?

 

(4)曝光

 

將旋涂光刻膠的樣品放置于電子束曝光機中, 設置合適的條件如束流和劑量進行曝光,被曝光區(qū)光刻膠的性能會發(fā)生變化?

 

(5)顯影

 

將曝光后的樣品放置在顯影液中,所需的圖案就顯現(xiàn)出來。

 

樣品圖案質(zhì)量與顯影時間密切相關, 因此需要嚴格控制顯影的時間?

 

(6)后烘

 

后烘可以使軟化和膨脹的膠膜與樣品粘附更加牢固,增加膠膜的抗刻蝕能力?

 

二、電感耦合等離子體刻蝕

 

電感耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma , ICP)可以刻蝕掉樣品表面沒有被掩膜覆蓋的地方而制備出特定的圖案, 其同時具有化學和物理刻蝕過程，它屬于干法刻蝕技術的一種，它的優(yōu)點在于在低氣壓下,ICP刻蝕源仍然可以產(chǎn)生大量的等離子體?

 

ICP刻蝕系統(tǒng)具有兩套射頻電源于控制,其中一套纏繞在腔室外(ICP generator), 用于產(chǎn)生等離子體,一套位于樣品臺下方(Table bias),用于加速等離子體? 

 

經(jīng)簡化的電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)結(jié)構示意如下圖所示：

 

電感耦合等離子體刻蝕的常規(guī)操作過程是:

 

第一步,將樣品放置于電感耦合等離子體刻蝕設備中?

 

第二步,將腔體抽真空至低氣壓, 通過控制Cryo stage和Helium backing 來使樣品達到所需的溫度? 樣品較高的溫度有助于刻蝕副產(chǎn)物的揮發(fā), 從而提高刻蝕效率?

 

第三步,將適合材料刻蝕的混合氣體從Gas inlet充入腔體?

 

ICP generator產(chǎn)生的射頻會使環(huán)形耦合線圈產(chǎn)生感應電場,導致混合刻蝕氣體輝光放電,產(chǎn)生高密度的等離子體?

 

增加ICP的功率將會增加等離子體的密度,這會對刻蝕過程產(chǎn)生影響?

 

第四步,產(chǎn)生的等離子體在Table bias的RF射頻作用下加速移動到樣品表面,與樣品表面發(fā)生化學反應,生成揮發(fā)性氣體而離開樣片表面，同時也存在物理刻蝕過程?等離子體的動能與 Table bias的射頻功率相關?

 

電感耦合等離子體刻蝕可以刻蝕GaN? AlGaN? GaAs?InP? InGaAs 和Si等材料, 具有高的刻蝕速率和高抗刻蝕比? 

 

三、等離子體增強化學氣相沉積

 

等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD )技術被廣泛應用于各種薄膜的制備(如:硅?氮化硅和二氧化硅等)?

 

PECVD系統(tǒng)的結(jié)構示意圖如下圖所示：

 

其基本原理是:向沉積室中充入含有薄膜組份的氣態(tài)物質(zhì),利用輝光放電使氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學反應而生成等離子體,等離子體沉積在襯底上就生長出了薄膜材料?

 

激發(fā)輝光放電的方法主要有:射頻激發(fā)?直流高壓激發(fā)?脈沖激發(fā)和微波激發(fā)組成成分都具有良好的均勻性?

 

此外,利用PECVD制備的薄膜厚度和該方法沉積的薄膜附著力強, 在較低的沉積溫度下可以達到高的沉積速度?

 

通常來看, 薄膜的生長主要包括以下三個過程:

 

第一步,反應氣體在電磁場的激勵下,輝光放電產(chǎn)生等離子體?在這個過程電子會與反應氣體碰撞, 發(fā)生初級反應,導致反應氣體分解產(chǎn)生離子和活性基團?

 

第二步,初級反應產(chǎn)生的各種產(chǎn)物向襯底方向移動,同時各種活性基團和離子發(fā)生次級反應,生成次級產(chǎn)物?

 

第三步,到達襯底表面的各種初級產(chǎn)物和次級產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應,同時伴隨有氣相分子物的再放出?

 

四、聚焦離子束技術

 

聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)類似于聚焦電子束,都是將帶電粒子經(jīng)過電磁場聚焦而形成亞微米甚至納米量級的細束,可以應用于離子束曝光和成像?

 

除此之外,相比于電子,離子具有大的質(zhì)量? 因此,離子束可以將固體表面的原子直接濺射出來, 進而發(fā)展成為種廣泛應用的直接加工工具?

 

下圖為聚焦離子束系統(tǒng)的結(jié)構示意圖：

 

FIB系統(tǒng)主要由離子發(fā)射源?離子光柱?樣品臺和真空與控制系統(tǒng)組成?

 

聚焦離子束系統(tǒng)主要的應用有：

 

(1)離子束成像

 

離子束照射在樣品表面后會激發(fā)樣品表面的二次電子和二次離子?

 

這些電子和離子隨后被信號探測器收集, 然后經(jīng)過處理可以顯示材料表面形貌的圖像? 激發(fā)的二次電子的數(shù)目不僅與樣品的相貌有關, 還與晶體取向和樣品原子質(zhì)量有關?因此, 相比于掃描電子顯微鏡, 離子束成像可以獲得更多關于樣品的信息, 可用于分析多晶材料晶粒取向? 晶界分布和晶粒尺寸分布等?

 

(2)離子束刻蝕

 

離子束刻蝕是聚焦離子束系統(tǒng)最主要的功能? 將Ar?Kr和Xe等惰性氣體電離成等離子體后, 然后離子束聚焦并加速轟擊樣品表面, 導致樣品表面的原子被濺射出來而形成刻蝕的效果? 

 

離子束刻蝕過程是個純物理過程, 濺射產(chǎn)額與離子能量? 離子種類? 離子入射角度和樣品特性等因素相關? 

 

離子束刻蝕具有方向性好, 分辨率高和刻蝕材料不受限制等優(yōu)點?

 

(3)離子束沉積 

 

將非活性氣體分子吸附到樣品表面需要沉積的區(qū)域,當離子束轟擊該區(qū)域時,非活性氣體分子分解產(chǎn)生的非揮發(fā)性物質(zhì),不會被真空系統(tǒng)抽走,而是沉積到了樣品表面? 

 

離子束具有操作靈活的優(yōu)點, 因此可以在材料表面沉積任意形狀的結(jié)構? 

 

離子束可以沉積金屬材料, 同時也可以沉積絕緣體材料?

 

參考文獻：

 

(1)李青云 硅和鈮酸鋰復合薄膜及相關光子器件的研究[D].

 

(2)周澤龍 投影光刻物鏡偏振像差研究[D].

 

(3)趙磊 投影光刻物鏡像質(zhì)補償策略與補償技術研究[D].