微纳系统电子束光刻关键技术及相关机理研究

摘要

电子束光刻技术在微纳系统的集成电路光掩模制造领域具有不可替代的作用，是推动微纳系统特征尺寸不断降低的关键技术，同时也是纳米电子学、纳米光学以及半导体量子结构制作等科学研究领域中不可或缺的加工手段。电子束光刻技术的性能不仅依赖于电子光学系统的状态、环境温度、空间磁场等外部条件，而且当工艺节点深入到百纳米级及以下时，工艺条件的控制也变得至关重要。例如绝缘衬底电荷积累问题的影响加剧了电子束直写图形扫描场拼接的误差；高高宽比纳米结构的粘连和坍塌现象制约了后续的刻蚀工艺；由于电子散射产生的电子束曝光邻近效应限制了电子束直写的有效图形分辨率、图形结构质量大幅度下降。为了有效地提高电子束光刻的加工精度和图形生成质量，本文对电子束光刻中的关键工艺技术及其相关机理进行了系统地研究。
　　本论文从电子束光刻中的三个关键技术问题，即绝缘衬底的电荷积累、高高宽比抗蚀剂图形的坍塌及粘连、邻近效应影响图形分辨率，进行了详细论述，以PMMA，HSQ，SX AR-P6200抗蚀剂为实验材料，研究了电子束光刻技术中影响抗蚀剂图形质量的因素，并探讨了问题产生机理及解决方法，通过理化分析手段对其进行了表征；开展了实验方法及工艺流程的设计，解决了关键工艺技术问题；通过建立电荷积累、高高宽比抗蚀剂图形坍塌及粘连、衬底中电子散射三种模型，以旋涂导电胶、电磁波加热及工艺优化与软件仿真相结合的方法解决相应问题。分别以三种抗蚀剂的纳米结构为检测对象，进行了性能测试分析，同时对其曝光机理进行了探讨。主要的工作内容如下：
　　1.系统地总结了纳米电子束光刻中存在的各种关键工艺技术难点，并根据大量工艺实验结果分析了各工艺技术问题产生的原因，提出了相应的解决思路。
　　2.针对电子束在绝缘衬底上所产生的电荷积累，以及在绝缘体衬底上孤立金属膜图形仍然无法疏导周边绝缘体表面电荷积累影响的问题，通过仿真分析其产生机理，建立物理模型，并提出一种在电子抗蚀剂表面旋涂一层富含导电微粒的水溶性导电胶疏散电子束直写所产生的积累电荷的方法。通过实验验证，该方法可以有效地抑制了直接在绝缘体衬底上或者非导电介质膜上进行电子束曝光时积累电荷排斥电子束的现象，取得理想的效果。
　　3.深入地探讨了高高宽比抗蚀剂图形由于水的表面张力所导致的粘连及坍塌机理，提出了电子束曝光显影后直接通过电磁波加热去离子水进行干燥的方法。该方法是利用水分子在电磁波交变电场的作用下不断加速产生剧烈运动的机理，使去离子水在交变的电磁场环境下升温，分子间的氢键断裂，促使水分子团簇减小，降低水的表面张力。从实验结果可以看出，这一方法干燥显影后的高高宽比抗蚀剂图形取得良好效果。
　　4.通过Monte Carlo模拟和曝光实验，从工艺条件、电子光学系统等方面分析了电子束曝光邻近效应产生的机制及主要影响电子束邻近效应校正前散射和背散射的因素。结合典型版图的制作，探讨了采用计算机软件模拟与曝光实验相结合进行邻近效应剂量调制校正的方法及过程，并对实验与模拟结果在校正前后的图形质量进行了分析和对比，确定了最优工艺流程。
　　研究结果表明：在电子抗蚀剂表面旋涂导电胶，可以有效缓解电荷积累产生的场拼接误差并保证套刻精度；电磁波加热干燥显影后的高高宽比抗蚀剂结构图形，可以成功获取高260nm、宽16nm的光刻胶线条组和直径为20nm的光刻胶柱形阵列；通过预先优化工艺条件并结合软件校正的方法，抗蚀剂图形结构质量得到明显改善。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 电子束光刻的基本理论与关键技术分析

2.1电子束曝光系统的分析

2.2电子抗蚀剂的分析

2.3电子束光刻技术的工艺问题分析

2.4本章小结

第3章 电荷积累的产生机理及导电胶抑制的研究

3.1绝缘衬底对电子束光刻的影响

3.2电荷积累机理分析及模型构建

3.3可溶性导电胶抑制电荷积累的研究

3.4本章小结

第4章 电磁波热效应抑制图形坍塌与粘连的研究

4.1图形坍塌及粘连的机理

4.2抗蚀剂图形的实验

4.3电磁波热效应干燥机理及抑制效果分析

4.4本章小结

第5章 电子束光刻中邻近效应的校正方法及优化

5.1电子束光刻中邻近效应的产生机理与校正函数优化

5.2电子束曝光邻近效应的实验现象分析

5.3电子束曝光邻近效应的校正方法及结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢