微納系統(tǒng)電子束光刻關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)機(jī)理研究.pdf

1、電子束光刻技術(shù)在微納系統(tǒng)的集成電路光掩模制造領(lǐng)域具有不可替代的作用，是推動(dòng)微納系統(tǒng)特征尺寸不斷降低的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是納米電子學(xué)、納米光學(xué)以及半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)制作等科學(xué)研究領(lǐng)域中不可或缺的加工手段。電子束光刻技術(shù)的性能不僅依賴于電子光學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)、環(huán)境溫度、空間磁場(chǎng)等外部條件，而且當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)深入到百納米級(jí)及以下時(shí)，工藝條件的控制也變得至關(guān)重要。例如絕緣襯底電荷積累問(wèn)題的影響加劇了電子束直寫(xiě)圖形掃描場(chǎng)拼接的誤差；高高寬比納米結(jié)構(gòu)的粘連和坍塌

2、現(xiàn)象制約了后續(xù)的刻蝕工藝；由于電子散射產(chǎn)生的電子束曝光鄰近效應(yīng)限制了電子束直寫(xiě)的有效圖形分辨率、圖形結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度下降。為了有效地提高電子束光刻的加工精度和圖形生成質(zhì)量，本文對(duì)電子束光刻中的關(guān)鍵工藝技術(shù)及其相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。
　　本論文從電子束光刻中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即絕緣襯底的電荷積累、高高寬比抗蝕劑圖形的坍塌及粘連、鄰近效應(yīng)影響圖形分辨率，進(jìn)行了詳細(xì)論述，以PMMA，HSQ，SX AR-P6200抗蝕劑為實(shí)驗(yàn)材料，研

3、究了電子束光刻技術(shù)中影響抗蝕劑圖形質(zhì)量的因素，并探討了問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理及解決方法，通過(guò)理化分析手段對(duì)其進(jìn)行了表征；開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)方法及工藝流程的設(shè)計(jì)，解決了關(guān)鍵工藝技術(shù)問(wèn)題；通過(guò)建立電荷積累、高高寬比抗蝕劑圖形坍塌及粘連、襯底中電子散射三種模型，以旋涂導(dǎo)電膠、電磁波加熱及工藝優(yōu)化與軟件仿真相結(jié)合的方法解決相應(yīng)問(wèn)題。分別以三種抗蝕劑的納米結(jié)構(gòu)為檢測(cè)對(duì)象，進(jìn)行了性能測(cè)試分析，同時(shí)對(duì)其曝光機(jī)理進(jìn)行了探討。主要的工作內(nèi)容如下：
　　1.系統(tǒng)地總結(jié)

4、了納米電子束光刻中存在的各種關(guān)鍵工藝技術(shù)難點(diǎn)，并根據(jù)大量工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了各工藝技術(shù)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了相應(yīng)的解決思路。
　　2.針對(duì)電子束在絕緣襯底上所產(chǎn)生的電荷積累，以及在絕緣體襯底上孤立金屬膜圖形仍然無(wú)法疏導(dǎo)周邊絕緣體表面電荷積累影響的問(wèn)題，通過(guò)仿真分析其產(chǎn)生機(jī)理，建立物理模型，并提出一種在電子抗蝕劑表面旋涂一層富含導(dǎo)電微粒的水溶性導(dǎo)電膠疏散電子束直寫(xiě)所產(chǎn)生的積累電荷的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以有效地抑制了直接在絕緣體

5、襯底上或者非導(dǎo)電介質(zhì)膜上進(jìn)行電子束曝光時(shí)積累電荷排斥電子束的現(xiàn)象，取得理想的效果。
　　3.深入地探討了高高寬比抗蝕劑圖形由于水的表面張力所導(dǎo)致的粘連及坍塌機(jī)理，提出了電子束曝光顯影后直接通過(guò)電磁波加熱去離子水進(jìn)行干燥的方法。該方法是利用水分子在電磁波交變電場(chǎng)的作用下不斷加速產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，使去離子水在交變的電磁場(chǎng)環(huán)境下升溫，分子間的氫鍵斷裂，促使水分子團(tuán)簇減小，降低水的表面張力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這一方法干燥顯影后的高高寬

6、比抗蝕劑圖形取得良好效果。
　　4.通過(guò)Monte Carlo模擬和曝光實(shí)驗(yàn)，從工藝條件、電子光學(xué)系統(tǒng)等方面分析了電子束曝光鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制及主要影響電子束鄰近效應(yīng)校正前散射和背散射的因素。結(jié)合典型版圖的制作，探討了采用計(jì)算機(jī)軟件模擬與曝光實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行鄰近效應(yīng)劑量調(diào)制校正的方法及過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果在校正前后的圖形質(zhì)量進(jìn)行了分析和對(duì)比，確定了最優(yōu)工藝流程。
　　研究結(jié)果表明：在電子抗蝕劑表面旋涂導(dǎo)電膠，可以有效緩解電