一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法

摘要

一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法，通过利用紫外激光直接将图案化的光刻胶转化为具有目标设计图案的石墨烯，在采用干法刻蚀或氧气等离子刻蚀去除未完全转化的有机物，将剩余的转化后图案化石墨烯作为干法刻蚀的掩膜版。本发明能有效解决刻蚀中传统光刻胶不稳定的问题，提高掩膜版的抗刻蚀抗力，极大地减小了掩膜版在干法刻蚀中变形、图案崩塌等问题，从而满足高精度、高深宽比刻蚀的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及微制造技术领域，尤其涉及一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法。

背景技术

随着军事、通信、汽车电子、航空航天工业、医疗和其他消费品等领域对大规模集成电路的需求日益增大，高精度、小体积的半导体元器件得到了广泛应用，集成度日益提高，器件图形的线宽及间距急剧减小，图形的高度和深宽比要求进一步增大。

作为亚微米尺度下器件刻蚀的最主要方法，干法刻蚀技术是光刻胶(PhotoResist，PR)经过曝光显影工艺后在衬底表面形成掩膜版图形，按照掩膜版图形将部分衬底表面暴露在刻蚀气体中，以去除未被掩膜版保护的部分。目前存在的工艺难题是：由于光刻胶是有机物，在干法刻蚀中不稳定，光刻胶和未保护的衬底会被同时刻蚀，极易形成具有钝化作用的聚合物，阻碍沟槽刻蚀的进一步深入，导致无法形成极大深宽比的微结构；特别是当刻蚀图案尺寸缩小到100nm以下，在长时间的大深宽比刻蚀(如新一代10nm以下的高精度刻蚀)的应用中，极易出现图案崩溃、线宽不准确、图形极易出现摆动和弯曲、轮廓不理想、深沟槽侧壁光滑度和开口处形貌无法达标等质量问题，对半导体元器件的电气性能及物理性能造成了不良影响，导致器件良率下降。因此，亟需研发以无机物材料为主的掩膜版。

中国专利CN201810386780.6一种光刻胶以及曝光方法,公开了一种添加光致变色物质的光刻胶，该光致变色物质在光刻胶曝光后，使得曝光区相对于遮光区发生变色，方便与目标图形进行尺寸对比，并能够在预处理后恢复原色，不需要剥离并重新涂覆光刻胶即可进行多次光刻指标参数确认。但该光刻胶仍然以烃类有机物为主，在高深宽比的干法刻蚀仍然不稳定，导致器件良率不理想。

现有文献中，期刊《电子技术应用》2018年第44卷第10期论文《基于CMOS-MEMS工艺的高深宽比体硅刻蚀方法的研究》提供了利用RIE单步工艺刻蚀方法对深硅槽进行干法刻蚀，刻蚀气体SF6/O2，主刻蚀200s时，刻蚀深度为6.667μm，开口尺寸为0.675μm；刻蚀550s时，剩余掩膜版厚度为942μm，刻蚀深度为17.6μm，开口尺寸为0.813μm，剩余掩膜版厚度为317nm；刻蚀800s时，掩膜版已经完全损失，导致出现无掩膜的全区域刻蚀。Bing-Lung Yu等人在《APF Hard Mask Distortion Improvement For High Aspect Ratio Patterning》中提出，碳/石墨烯材料因其较高的杨氏模量和类金刚石结构的特点，是刻蚀中作为硬掩膜版的理想材料。Zitu-Tin Lin在《Amorphous Carbon Step Coverage Improvement appliedto Advanced Hard Mask for Lithographic Application》中指出高碳氢比前驱气体C2H2中沉积的无定型碳掩膜层能改善台阶覆盖的能力，结合其他物质(SiON+SiO2)制成的多层掩膜版在多次重复刻蚀中仍能保持原有形状。但无机物材料的掩膜版由于其难以加工和极难转移，仍难以推广。亟需进一步研发新的技术，提出新的易加工和转移的无机硬掩膜版。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法，以解决刻蚀中传统光刻胶不稳定的问题，提高掩膜版的抗刻蚀抗力，从而满足高精度、高深宽比刻蚀的需求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法，制备液体光刻胶，旋涂液体光刻胶，得到覆盖有光刻胶层的晶圆；

具体步骤包括：

步骤S1：利用紫外激光将晶圆上的光刻胶部分转化为具有目标设计图案的石墨烯和/或碳；

步骤S2：用等离子刻蚀去除未转化的光刻胶；

步骤S3：将步骤一中转化后的图案化石墨烯作为后续刻蚀掩膜板；

步骤S4：刻蚀；

步骤S5：去除掩膜层。

优选的，在所述步骤S2中，利用紫外激光将晶圆上的光刻胶部分转化为具有目标设计图案的石墨烯和/或碳，具体步骤如下：

步骤S11：将覆盖有光刻胶层的晶圆置于紫外激光加工平台上的真空腔并固定；

步骤S12：打开真空泵通入氦气，使氦气流量保持在300ml/min；

步骤S13：关闭真空泵，持续通入氦气，当真空度为100Kpa时关闭氦气；

步骤S14：重复操作步骤S22和S23，将真空腔内的多余残留气体完全排除；

步骤S15：打开真空泵，通入氮气，调节氦气流量为300ml/min，真空度为0.1Kpa；

步骤S16：根据目标图案绘制由线条阵列组成的加工图案；

步骤S17：设置参数并开始加工晶圆，晶圆加工完成后取出。

优选的，在步骤S2中，用等离子刻蚀去除未转化的光刻胶，具体步骤如下：

在感应耦合等离子体(ICP)系统中对未转化的光刻胶进行刻蚀，主刻蚀气体为H₂，辅刻蚀气体为CO，刻蚀时间30秒，ICP功率为300W，RF功率20W，反应压强0.4Pa；

在感应耦合等离子体(ICP)系统中对未转化的光刻胶进行刻蚀，主刻蚀气体为O₂，辅刻蚀气体为CO，刻蚀时间30秒，ICP功率为300W，RF功率20W，反应压强0.4Pa。

优选的，在步骤S4中，刻蚀的具体步骤如下：

在感应耦合等离子体(ICP)系统中对覆盖在半导体衬底硅上的SiO₂氧化膜进行刻蚀，刻蚀时间1分钟，刻蚀气体为Ar/SF₆，比例为4:1，ICP功率500W，RF功率30W，反应压强0.5Pa。

优选的，在步骤S5中，去除掩膜层的具体步骤如下：

将晶圆置于N-甲基吡咯烷酮(NMP)液体中，置于超声波清洗机中清洗5分钟。

附图说明

图1是本发明的加工流程示意图；

图2是本发明的衬底上旋涂光刻胶后示意图；

图3是本发明的激光加工晶圆的过程示意图；

图4是本发明的未转化的光刻胶被刻蚀后的示意图；

图5是本发明的刻蚀示意图；

图6是本发明的去胶示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例的一种利用紫外激光加工干法刻蚀中硬掩膜板的方法，如图1所示，具体实施例如下：

制备液体光刻胶，旋涂液体光刻胶，得到覆盖有光刻胶层的晶圆；

如图2所示，制备液体光刻胶：

在一个安装有电动搅拌器、冷凝器、温度计、温控器、加热套及氮气入口的1000ml三口瓶中，加入2-羟乙氧基六氟异丁基-5降冰片烯98g，甲基丙烯酸-(5-降冰片-2-甲酸基)酯34g，甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅烷酯13g，四氢呋喃450g，在搅拌条件下，通入氮气10min，再加热至70℃，再加入偶氮二异丁晴6.5g在20g四氢呋喃中，继续反应回流8h后，冷却至室温，聚合物溶液在庚烷中沉淀，将聚合物固体重新溶于200g四氢呋喃中，再在庚烷中沉淀、过滤，重复沉淀2次，真空后得到聚合物固体。

在一个洁净的500ml聚丙烯塑料瓶中，加入8g聚合物固体，0.81gTMMGU，0.42g三苯基九氟丁基鎓盐，91g电子级丙二醇甲醚醋酸酯溶液，0.05g三乙醇胺，0.02g表面活性剂，在室温下震荡10小时，以使溶剂充分混合，之后用0.5μm孔径的过滤器过滤两遍，去除沉淀，制成的光刻胶封存。

旋涂光刻胶：

将上述配置的光刻胶液体溶液在8寸的硅片上以2000转/分钟的速度旋转，形成0.2μm厚的膜，并在110℃热板上烘烤90s，使光刻胶层3里面的溶剂缓慢充分的溢出来，使光刻胶层3干燥并提高粘附性，光刻胶层稳固覆盖于SiO₂氧化膜上。

如图3所示，步骤S1：利用紫外激光直接将光刻胶部分转化为具有目标设计图案的石墨烯；

具体步骤包括：

步骤S11：将覆盖有光刻胶层的晶圆置于紫外激光加工平台上的真空腔中，并固定；

步骤S12：打开真空泵1分钟后，通入氦气，使氦气流量保持在300ml/min，以将真空腔内残留氧气等气体去除，防止加工过程中生成的游离碳、石墨烯等被氧化，该过程持续3min；

步骤S13：关闭真空泵，持续通入氦气，在真空度100Kpa时关闭氦气开关；

步骤S14：重复步骤S22和步骤S23的操作，将吸气放气的过程重复三次，以完全排除真空腔内残留气体，防止激光加工过程中出现不必要的影响；

步骤S15：打开真空泵，通入氮气，调节氮气流量保持在300ml/min，真空度维持在0.1Kpa；

气体种类和真空度与生成的石墨烯的质量相关，故在加工开始之前需要对真空腔内的气体环境进行严格控制。

步骤S16：根据目标图案绘制由线条阵列组成的加工图案；

步骤S17：设置参数，参数分别设置为打标次数为1、打标速度为100mm/s、分离器数为1个、功率百分比为40％、校准功率为1.8W，焦距为+3mm，开始加工，加工完成后取出晶圆。设置一定的离焦量是为了防止在离焦量为0的状态下因能量密度过大导致光刻胶层直接蒸发，未形成碳化效果。

如图4所示，步骤S2：用等离子刻蚀取出光刻胶中未转化的有机物；

具体步骤包括：

在感应耦合等离子体(ICP)系统中对未转化的有机物进行刻蚀，主刻蚀气体为H₂或O₂，辅刻蚀气体为CO，刻蚀时间30s，ICP功率300W，RF功率20W，反应压强0.4Pa。

步骤S3：将转化后的图案化石墨烯作为后续刻蚀掩膜板；

如图5所示，步骤S4：刻蚀；

具体步骤包括：

在感应耦合等离子体(ICP)系统中对覆盖在半导体衬底硅1上的SiO₂氧化膜2进行刻蚀，刻蚀时间1min，刻蚀气体为Ar/SF₆，比例为4:1，ICP功率500W，RF功率30W，反应压强0.5Pa。

如图6所示，步骤S5：取出掩膜层；

具体步骤如下：

将晶圆置于N-甲基吡咯烷酮(NMP)液体中，置于超声波清洗机中清洗5min，以去除石墨烯掩膜层。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。