微纳米加工及应用

绪论

微纳加工的特点：

微纳加工是在衬底表面通过薄膜材料沉积和图形化的方法实现的，平面工艺一般只能形成二维平面结构，准三维结构通过多层二维叠加形成
微细结构一般由曝光成像的方法形成，而不是加工工具与材料的直接相互作用
复杂微纳米系统是在平面加工过程中形成的，是一个逐层进行且不可逆过程

微纳加工的基本过程：薄膜沉积→图形成像→图形转移【课后复习题】

图形成像：平面工艺；探针工艺；模型工艺

图形转移：刻蚀法；沉积法

集成电路工艺主要包括4个主要方面：薄膜沉积；制图；掺杂；热处理

广义的光刻包括：光学曝光；电子束曝光；离子東曝光和X射线曝光，激光曝光(激光直写光刻)

强酸中毒的应急处理方法：

①沾着皮肤时，用大量水冲洗15分钟 (如果立刻进行中和，因会产生中和热，而有进一步扩大伤害的危险)，再用碳酸氢钠之类稀碱液或肥皂液进行洗涤

②当沾着草酸时，若用碳酸氢钠中和，进一步反应产生很强的刺激，故不宜使用，可以用镁盐和钙盐中和

氢氟酸：

禁配物：强碱、活性金属粉末、玻璃制品

其气体有毒，吸入后应迅速脱离现场至空气新鲜处

误食入需立即用水漱口，给饮牛奶或蛋清，而后就医

强碱中毒的应急处理方法：

①沾着皮肤时尽快用水冲洗至皮肤不滑为止，接着用经水稀释的醋酸或柠檬汁等进行中和；

②沾着生石灰时，则用油之类东西，先除去生石灰

呼吸道吸入刺激性或有毒气体应急处理办法：

①吸入氯气、氯化氢气体时，可吸入少量酒精和乙醚的混合蒸气使之解毒

②吸入硫化氢或一氧化碳气体而感不适时，应立即到室外呼吸新鲜空气

微纳米加工和传统机械加工有什么不同？【课后复习题】

微纳米加工：适用于制造极小尺度的结构，加工尺度在微米到纳米级别，通常依赖于物理和化学方法，并广泛应用于高科技领域。它要求高成本的设备和严格的环境控制，精度比传统机械加工高很多，但生产效率较低

传统机械加工：适合加工宏观尺度的部件，依靠机械力去除材料，应用于制造业中的大规模产品生产，设备和环境要求相对较低，生产效率相对较高

光学曝光技术

光学曝光方式与原理

光学曝光的方式：掩模对准式曝光与投影式曝光【课后复习题】

真空接触：使经过多道工序加工而翘曲的基片恢复平整，从而保证曝光时投射到胶表面的光强分布均匀；使掩膜与胶表面接触更加严密，从而获得更高的分辨率

光学曝光的优缺点：【课后复习题】

	优点	缺点
接触式曝光	曝光分辨率高，工艺简单且设备成本低	掩膜与光刻胶接触容易造成污染和损伤，影响掩膜的寿命
接近式曝光	掩膜不直接接触基底，减少了损坏和污染的风险	分辨率受限于掩膜与基底之间的距离，通常分辨率不如接触式曝光
投影式曝光	分辨率高，尤其是使用高数值孔径（NA）镜头和短波长的光源时掩膜不接触基底，减少了污染和损坏的可能性适合大规模生产，适用于现代半导体制造中的高精度需求	设备复杂且昂贵，需要精密的光学系统和高效的光源由于光学系统的限制，掩膜图案通常需要缩放，使得掩膜制作变得更加复杂

掩膜对准式曝光不适合用于大规模集成电路生产

工业主要采用投影式曝光，它的图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模-基片之间的距离无关

光学曝光工序

光学曝光工序：基片表面处理、涂敷光刻胶、前烘、曝光、后烘、显影、清除残胶、坚膜、图形转移、去胶等【课后复习题】

前烘的目的：去除胶膜中残存的溶剂，使胶膜干燥，以增强胶膜与基片的粘附性和胶膜的耐磨性

后烘的目的：部分消除驻波造成的影响，但是也会导致胶中光活性物质横向扩散，影响胶的图形质量

光线照射到光刻胶与基片界面上会产生部分反射，反射光会使掩模不透光区下边的光刻胶进行曝光，反射光与入射光叠加会形成驻波，驻波会造成光刻胶边缘曝光结果出现螺纹状

如果涂胶前在基片上先涂覆一层抗反射层或涂胶后在胶表面施加抗反射剂则可以有效防止驻波效应

图形转移：通常通过干法刻蚀和湿法刻蚀

光刻胶的评价指标：灵敏度、对比度、抗刻蚀比、分辨能力、曝光宽容度、工艺宽容度、热流动性、膨胀效应、粘度、保质期限【课后复习题】

灵敏度是衡量曝光速度的指标，灵敏度越高，所需要的曝光剂量越小

对比度越高，曝光的线条边缘越陡

光刻胶的分类：

正型：曝光后将会与掩模版上的图案相同

负型：曝光后将会与掩模版上的图案相反

正胶和负胶的区别：【课后复习题】

	曝光反应	显影结果	图案关系	灵敏度	对比度	分辨率	显影液
正胶	曝光后可溶解	未曝光区域保留	与掩膜一致	较低	高	较高	水溶性
负胶	曝光后不可溶解	未曝光区域被去除	与掩膜相反	高	低	较低	有机溶剂

正型胶主要有以下优点：

(1)高分辨率，高对比度；

(2)多使用暗场掩模，减少了曝光图形的缺陷率，因为掩模大部分区域都是不透光的；

(3)使用水溶性显影液；

(4)去胶容易；

负型胶的缺点：

(1)在显影中负型光刻胶容易吸收显影液而膨胀，限制了分辨率；

(2)使用有机溶剂显影液，会产生环境公害

光学曝光的分辨率

特征尺寸( CD )：掩膜设计的最小图形尺寸

最小线宽：$l_{CD}=\sqrt {\lambda z}$，反映了制造工艺的分辨能力

$\lambda $ 是曝光光源的波长，$z$ 是掩模版与基片间的间隙距离

数值孔径：平行光通过透镜后聚焦成一直径有限的光点时最外光线与光轴间的夹角$\theta $的正弦值与透镜和基片之间介质的折射率$n$的乘积【课后复习题】
$$
NA=n \sin \theta
$$
光学分辨率：能精确转移到晶片表面光刻胶图案的最小特征尺寸【课后复习题】
$$
R=k_{1} \frac{\lambda}{N A}
$$
分辨率可以提高减小曝光波长和增加数值孔径来实现

焦深：是指能够满足光刻分辨率与特征尺寸均匀性的基片最大离焦范围【课后复习题】
$$
D=k_{2} \frac{\lambda}{(N A)^{2}}
$$

$k_{1} ,k_{2} $ 为与工艺相关的参数，$k_1$的理论极限是0.25

单纯追求分辨率会使得焦深大大降低，提高分辨率的同时需要综合考虑焦深

对于大规模生产，分辨率只有在一定焦深范围才有意义

焦深太小，掩模成像只在很小的高度起伏范围内才能保证聚焦，超过这一范围就会散焦

短波曝光技术：深紫外光刻(DUV)、极紫外光刻(EUV)、X射线曝光技术【课后复习题】

面临的问题：【课后复习题】

深紫外光刻(波长193nm)：随着晶体管尺寸缩小，193 nm的波长逐渐接近光学分辨率的极限，需要通过多重图形化（如多重曝光、多重图案化）等方法提高分辨率，但这些方法复杂且昂贵

193nm波长的深紫外光刻使用水作为浸没液体

极紫外光刻(波长13.5nm)：

光源功率低：EUV光源的输出功率相对较低，导致曝光效率低，生产速度缓慢。光源功率难以提高
光刻胶材料：极紫外光刻胶需要比深紫外光刻胶具有更高的灵敏度和分辨率，但多数光学放大胶难以同时满足高灵敏度和低线条边缘粗糙

X射线光刻(波长0.1-10nm)：

掩膜制造困难：X射线光刻掩膜的制造极其困难，因为掩膜材料需要具有对X射线的高透明性，且图形尺寸小，金属沉积的应力会导致图形畸变；
曝光分辨率：二次电子、X射线在光刻胶中的散射、衍射效应等会扩大X射线的曝光范围，难以获得与波长相对应的曝光分辨率

浸没式曝光技术：在光刻机投影物镜的最后一个透镜的下表面于硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体，从而增加数值孔径

大数值孔径和浸没式曝光技术是现代光刻技术中用于提高分辨率和缩小特征尺寸的两大关键技术

发展大数值孔径和浸没式曝光技术是为了突破传统光刻分辨率的限制

分辨率增强技术

分为对光学系统的改进和对掩膜版的改进

分辨率增强技术包括：离轴照明技术、空间滤波技术、移相掩膜技术、光学邻近效应校正技术【课后复习题】

离轴照明技术：采用倾斜照明方式，用从掩模透过的零级光和其中一个一级衍射光成像，让包含主要结构信息的低频分量和部分包含精细特征的高频分量都进人系统，因而可以提高分辨率，改善像质；由于是双光束对称成像，还可改善焦深

传统照明系统的光学分辨率:

$$
R_{\text {传统 out }- \text { off }}=\frac{\lambda}{2 N A(1+\sigma)}
$$

离轴照明系统的光学分辨率:

$$
R_{\text {离轴 out }- \text { off }}=\frac{\lambda}{2 N A(1+\sigma)+2 \theta_{i}}
$$
$\sigma $ 为曝光系统的部分相干因子，$\theta_{i} $ 为离轴照明光束的入射角；与传统照明相比，离轴照明提高了分辨率

$$ DOF_{离轴}/DOF_{传统}=\tan \theta' /\tan \frac{\theta '}{2} $$ 离轴照明技术应用较为广泛，其中四极照明比环形照明的效果更明显，但仅适用于周期性图形

空间滤波技术：在透镜的光阑平面上通过加滤光片，滤波片的不同环区对入射光有不同的透射率和相位差，从而部分遏制低频分量，突出高频分量，使得图像清晰度增加

移相掩膜技术：通过移相掩模使两个紧邻清晰区域各自引入0°和180°的相位差，改变了电场的符号，减少了硅片上两个光孔之间黑暗区域的光强，以此来改进图像对比度，从而导致了更好的分辨率和焦深

光学邻近效应：投影式曝光光学从本质上讲是衍射光学，衍射成像会在光波传输过程中丢失部分高频分量，使成像清晰度降低，反映在掩模成像上就是本来方角的掩模图形变成圆角，或线端变短【课后复习题】

光学邻近效应的校正：【课后复习题】

线条偏置法(形状调整法)：对原设计增加或减少部分图形
加衬线法：通过在掩模上添加亚分辨辅助线条改变其空间像的光场分布
灰度掩膜法：调整掩模图形的局部透光率；传统掩模上只有透光区与不透光区，而灰度掩模的透光率则是以灰度等级来表示、

实现灰度的方法是改变掩模的透光点密度，一种是改变透光点的大小，一种是改变透光点的数目，也可以二者相结合

多重曝光和加工技术是唯一能够突破$k_1$因子理论极限技术

评价光刻机的主要参数：分辨率、套准精度、产率、焦深

电子束曝光技术(EBL)

电子束曝光系统

电子束曝光：利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形

光学曝光分辨率：
$$
R=k_1\frac{\lambda }{NA}
$$
受光波长的限制：G线(436nm)→I线(365nm)→DUV(248,193nm)→EUV(13nm)

根据波粒二象性，电子波长
$$
\lambda_e=\frac{1.226}{\sqrt V} \text{nm}
$$
电子束曝光分辨率主要受电子像差和电子散射的限制

电子束曝光系统的重要指标：

最小束直径：直接影响最小可曝光图形尺寸
加速电压：加速电压越高，分辨率也越高，邻近效应越小
电子束流：束流越大，曝光速度越快，但相应束斑也较大
扫描速度：扫描速度越快，曝光速度越快
扫描场大小：扫描场大，可避免拼接
工作台移动精度、套准精度、场拼接精度

电子光学像差：决定最小束斑直径

一般像差：其中以球差和色差为主
偏转像差：电子束离轴后形成的像差，如像散和场曲

空间电荷效应像差：空间电荷排斥效应会使电子束直径增大，破坏聚焦

因此小束斑需要小束流

电子束抗蚀剂

正抗蚀剂：入射粒子将聚合物链打断，曝光的区域变得更容易溶解

负抗蚀剂：入射粒子将聚合物链接起来，曝光的区域变得更不容易溶解

和光刻胶的正负性质相同

传统型：抗蚀剂中的聚合物分解或链接是在曝光过程中完成

化学放大型：曝光时电子束或紫外光首先在这类特殊的聚合物中产生少量的光酸分子，在后烘时这些光酸分子诱发连锁反应产生更多的光酸分子并使聚合物分解

优点：具有高灵敏度，兼有高分辨率；高对比度；高刻蚀比
缺点：对后烘工艺条件要求高；存在延迟效应；存在表面污染

常见高分辨率电子束抗蚀剂：

PMMA：正胶，过曝光时可呈现负胶特性，缺点是抗刻蚀能力差
ZEP-520抗蚀剂：正胶，抗刻蚀能力也很强
HSQ：负胶，无机胶

实际曝光剂量的决定因素：

电子束能量：电子束能量越高，所需曝光剂量越高（曝光主要靠低能量电子）
抗蚀剂厚度：抗蚀剂越薄，曝光剂量越高（因为只有少量电子将能量沉积在抗蚀剂层中）
图形密度：越密集图形，曝光剂量越低（因为电子散射互相影响）
衬底材料密度：高密度衬底会产生更多背散射电子，曝光剂量相对较低
抗蚀剂工艺条件：后烘温度、显影液温度和强度等

多层胶工艺：从下到上灵敏度逐渐降低，形成undercut结构

电子束曝光成像质量

电子束在抗蚀剂和基底材料中的散射：

前散射：入射电子束在抗蚀剂中被展宽，与入射电子能量有关
背散射：电子在抗蚀剂和基底材料界面形成反射，与电子能量、基底材料有关

电子束在抗蚀剂和基底材料中的散射：

电子能量越高，散射深度和范围越大；
衬底密度越高，散射深度范围减小，但背散射电子增加
背散射造成的邻近效应可波及几个微米，造成密集图形变形失真

如何抑制电子束与抗蚀剂作用范围的扩展？【课后复习题】

选择具有较高分辨率的抗蚀剂以减少扩散；
调节电子束的能量和电流密度以降低束流散射；
控制曝光时间和环境条件（如温度和湿度）；
采用更薄的抗蚀剂层

光学曝光邻近效应和电子束曝光邻近效应导致的原因有何不同?【课后复习题】

光学曝光：衍射和散射；电子束曝光：电子散射；

电子束曝光邻近效应校正：【课后复习题】

图形校正、剂量校正、背景曝光；

影响电子束曝光分辨率的因素：【课后复习题】

高电子能量；小限制膜孔；低束流；小扫描场；低灵敏度抗蚀剂；薄抗蚀剂；低图形密度；低密度、高导电性衬底；稳定工作环境

聚焦离子束曝光技术(FIB)

聚焦离子束是通过电磁场聚焦形成的离子束

聚焦离子束成为一种用途广泛的微纳加工工具，因为具备4个特点/功能：

(1) 材料表面加工；（2）注入掺杂，材料改性；（3）材料沉积；（4）高分辨能力

液态金属离子源(LMIS)：利用液态金属在强电场下形成场致离子发射离子源

液态离子发射源的特性：

针尖表面存在一个临界发射的阈值电压，超过阈值电压，发射电流快速增加；
LIMS空间发射角较大(约30°左右)，发射角会随着发射电流增大
角电流分布较均匀
离子能量分散较大，也随发射电流增加，导致聚焦系统色差大
低束流时，主要是单电荷离子；随着束流增加，多电荷离子、分子离子、离子团等比重增加(优选小束流)

聚焦离子束系统

离子在电磁场中受力
$$
F_e=qE\quad F_m=q\vec v\times \vec B\quad \rightarrow \quad v=\sqrt{\frac{2qV}{m}}
$$
离子与电子相比的两个特点：

电荷质量不同，磁场中受力与荷质比相关

优点：以通过磁场筛选不同荷质比的离子；

缺点：磁透镜会将不同荷质比的离子聚焦在不同平面上，聚焦离子束系统只采用静电透镜和静电偏转器
质量远大于电子质量

相同能量下，离子速度远低于电子，因而空间电荷排斥效应远大于电子，导致束斑尺寸、能量分散变大

色差是聚焦离子束系统的主要像差，减小色差的方法就是减小束流

离子在固体中会经历一系列散射，在散射中不断损失能量，最后停止并留在固体中

沟道效应(channeling effect)：在高指数晶向，即原子排列稀疏的方向，离子有可能“长驱直入”，离子射程是非晶材料的数倍

比较离子束曝光技术与电子束曝光技术【课后复习题】

比较方向	离子束曝光	电子束曝光
粒子类型	使用的是带电离子，质量远大于电子	使用的是高速电子，其质量远小于离子
相互作用机制	通过直接的物理溅射和材料表面原子碰撞来移除材料，表面损伤较大	通过电子与材料的电荷相互作用来产生光刻效应，电子散射，表面损伤较小
分辨率	离子的质量较大，难以聚焦到极小的尺寸，分辨率相对较低典型分辨率为几十纳米到几百纳米	可以非常精确地聚焦到亚纳米级别，精度高典型分辨率可以达到几纳米甚至更小
应用场景	常用于深刻蚀、大面积加工以及材料的表面改性，加工速度快	常用于高精度、细微结构的图案化和材料表征，加工速度较慢，适合小批量生产和科研用途

加工原理

离子束加工的原理有哪些？【课后复习题】

离子溅射：入射离子将能量传给靶材原子，使其获得足够能量而逃逸出固体表面的现象，是离子束加工的最主要功能

溅射产额：每个入射离子能够产生的溅射原子数

离子束轰击与化学活性气体结合可以大大提高溅射速度

离子束辅助沉积：吸附在靶材表面的非活性气体分子在离子束的轰击下发生分解，生成固态物质沉积在材料表面

离子束加工技术的应用有哪些？【课后复习题】

审查与修改集成电路芯片；修复光刻掩模缺陷；制作透射电镜样品；多用途微切割工具

聚焦离子束注入技术

注入目的：材料改性

扫描探针加工技术

扫描探针加工技术的优缺点：

优点：简单易行
缺点：加工精度有限；加工深度有限；加工速度极低；加工面积极小

扫描探针显微镜：

STM：扫描隧道显微镜

SFM：扫描力显微镜

AFM、MFM、LFM、EFM etc.

NSOM：扫描近场光学显微镜

扫描隧道显微镜(STM)

STM是一种基于量子隧穿效应的高分辨率显微技术，主要用于观察导电材料表面的原子级结构

STM的成像原理：【课后复习题】

探针与样品表面靠近，当探针与样品表面距离足够近时，电子发生隧穿效应，在探针与样品之间产生一个非常小的电流，距离越近，隧道电流越大；STM通过精确的反馈系统控制探针的高度，使得隧道电流保持恒定，STM可以记录探针的位移，这个位移的变化反映了样品表面的高度变化，形成样品表面的三维高度图像。

原子力显微镜(AFM)

AFM的成像原理：【课后复习题】

AFM将对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个非常尖锐的探针(通常由硅或氮化硅制成)，当探针接近样品表面时，探针尖端和样品表面的原子之间会产生不同的相互作用力，如范德华力、静电力、磁力等。扫描时控制这种力的恒定，微悬臂针尖与样品表面原子间作用力的等位面在垂直于样品的表面方向起伏运动。通过使用光学系统（通常是激光反射装置）来检测悬臂的位移，从而获得样品的表面形貌信息。

在AFM中探针与样品原子之间有两种类型相互作用力

短程力：在针尖与样品表面接触时相互作用力主要是短程的原子间斥力，如泡利斥力和离子斥力、磨擦力等
长程力：当针尖离开样品表面10nm~100nm或更大时，如象磁力、静电力和范德瓦尔斯力等

短程力的作用范围在0.1mm以下，把工作在这种模式下的AFM称为接触式AFM

最主要用的是Tapping mode

AFM的类型	优点	缺点
接触式AFM (Contact Mode)	高扫描速度；高分辨率，唯一可以获得“原子分辨率”；可以扫描表面极端变化的样本；	横向力、摩擦力可能会扭曲图像中的特征；由于探针与样品表面直接接触，可能导致样品的损坏；长时间的接触会导致探针磨损，进而影响成像精度和分辨率
轻敲式AFM(Tapping mode)	大多数样品的横向分辨率更高(1~5nm)；几乎消除了侧向力，减少了样品损伤；	扫描速度比接触式AFM较慢
非接触式AFM(Non-contact Mode)	样品表面不受力，避免样品损伤	横向分辨率较低，受针尖-样品分离影响；扫描速度比接触与轻敲慢，以避免针尖被卡住；只适用于疏水性极强的样品；

分辨率的影响因素：

针尖：探针尖端的半径越小，分辨率越高；侧面角决定最高表面比率特征的探测能力
成像模式：接触、轻敲、非接触
样品表面形貌

扫描近场光学显微镜(SNOM)

SNOM与STM或AFM的基本区别是将固体扫描探针换成一个扫描光源，光源扫描由光纤探针实现

近场光学成像分辨率与入射光波长无关，只与光探针的大小(数值孔径)有关

它突破了传统光学显微镜的衍射极限，实现了纳米尺度下的光学成像和光谱分析

SNOM通常有两种工作模式：

透射模式（Transmission mode）：光通过样品，然后被探针采集，这种模式适用于透明样品
反射模式（Reflection mode）：光反射回样品表面并被探针捕获，适用于不透明样品

优点：

突破衍射极限；
非破坏性分析；
多维信号获取

STM曝光

STM曝光的一些问题：

抗蚀剂层必须很薄

由于探针的针尖必须非常靠近作为阳极的衬底材料表面，才能产生足够高的场致发射电流。用STM曝光的抗蚀剂一般不超过50nm厚
STM曝光分辨率不可能好于/等于STM的成像分辨率

相比于一般电子束曝光利用聚焦电子束， STM针尖发射的电子束是发散束，发散程度取决于施加的偏压和探针与抗蚀剂表面的距离
STM曝光所需剂量大

STM曝光的特点是低能电子束曝光，但传统低能电子束曝光所需曝光剂量低的优点在STM曝光时并不存在。曝光同样尺寸图形时，STM曝光的剂量是传统曝光的30倍

STM曝光的线宽随曝光剂量变化小，具有较小的邻近效应