纳米点结构制备中电子束直写版图的图形补偿方法

摘要

纳米点结构制备中电子束直写版图的图形补偿方法，以(100)晶向的SOI为衬底；采用热氧化和缓冲氢氟酸BHF对SOI表层硅处理以获得需要的表层硅厚度；旋涂电子束抗蚀剂，以电子束曝光剂量进行电子束直写工艺；以扫描电子显微镜SEM观察结果以确定最优的曝光剂量；根据显影结果，对第一次曝光版图做图形补偿修正；对原始的设计版图进行图形修补，确定最好的修补版图；干法刻蚀将电子束抗蚀剂图形转移到表层硅上，最后湿法去胶。

说明书

                             技术领域

本发明涉及纳米点结构的制备。具体而言，涉及一种基于电子束直写(EBL)工艺并通过灵活修改版图设计来制备不同形状纳米点的方法。

                             背景技术

纳米点的尺寸和形状的控制一直是微细加工领域中的一个重要课题。电子束直写技术(EBL)作为作为微细加工领域中一种能直接获得纳米尺寸图形的加工工艺，即可以用来制造用于光学光刻的掩模板，也可直接用来加工衬底上电子束抗蚀剂并将设计版图转移到电子束抗蚀剂。电子束直写光刻工艺的一个重要指标是经过电子束曝光和显影后电子束抗蚀剂上的图形与所设计版图图形是否具有很好的一致性。实际情况是，显影结果受到很多试验条件的影响，例如电子束抗蚀剂的分辨率大小，电子束束流和剂量的大小，前烘和后烘的温度，以及显影时间等。

一般来说，为了获得纳米尺寸的图形，我们需要做大量的试验来确定最优的试验条件，但对于很多特殊图形不管我们怎么改变上面的条件也很难获得好的显影结果。理论上，电子束直写曝光后抗蚀剂上的图形是由电子束直写在抗蚀剂中的电子能量沉积的分布决定的，在大小图形混合曝光时，往往由于曝光大图形时电子束的能量分布区域也包括了小尺寸图形，而能量沉积是可以叠加的，所以对于固定的显影时间，大小图形很难同时显好；同时，对于没有大图形连接部分的小图形由于能量沉积不够又很容易显掉。一般情况是，图形交叠处线条变宽，小图形甚至完全融入大图形，相反在非交叠处小图形的边角总是在很短显影时间内就会消失，尤其大小图形混合曝光中的一些特殊形状的小尺寸图形很难把形状控制好。例如设计一个正方形纳米点，不管怎么改变束流和剂量大小依然很难达到好的显影效果，正方形的几个边角总是容易显去而变成圆弧状。

为了解决这个问题，传统方法是对电子束进行邻近效应矫正，但是这需要耗费大量的时间进行试验来确定矫正参数。本发明的目的是提供一种简单的方法：即利用邻近效应，通过对电子束直写版图进行补偿设计来实现纳米点等小尺寸图形形状的可控。

                           发明内容

本发明提供一种纳米点的制备方法。本发明基于电子束直写工艺，利用电子束邻近效应，通过灵活设计版图实现大小图形混合曝光中纳米结构的可控，其中所设计的纳米结构均位于大尺寸图形之间。

一种不同形状纳米点结构的制备方法，其特征包括：以(100)晶向的SOI(Siliconon Insulator)为衬底；采用热氧化和缓冲氢氟酸(BHF)对SOI表层硅处理以获得需要的表层硅厚度；旋涂电子束抗蚀剂，设计一组电子束曝光剂量进行电子束直写工艺；在固定显影时间内显影并定影，扫描电子显微镜(SEM)观察结果以确定最优的曝光剂量；根据显影结果对原始的设计版图进行一系列图形修补；固定电子束曝光剂量和显影时间，第二次电子束直写曝光；观察显影结果以确定最好的版图图形。根据确定的修改版图电子束曝光，显影后干法刻蚀，将图形转移到表层硅上，最后湿法去胶。

提供本发明的概述和目的是为了能够揭示其本质。通过参考本发明下列优选实施方案，结合附图，可以更充分地理解本发明。

                            附图说明

图1纳米结构制备工艺的流程示意图

图2正方形纳米点结构的设计版图

图3电子束直写变剂量设计版图

图4版图设计为正方形的纳米点不同剂量曝光时显影后的扫描电子显微镜SEM观察照片

图5修改后的正方形纳米点的设计版图和显影后扫描电子显微镜SEM观察照片

图6修改后的三角形纳米点的设计版图和显影后扫描电子显微镜SEM观察照片

                            具体实施方式

从对本发明的优选实施方式的更具体描述中，参考附图，本发明的前述和其它目的、特征和优势将很明显，在不同的图中相同的标号表示相同的部分。附图不一定是按比例的，相反其重点在解释本发明的原理上。在附图中，为了清楚起见，放大了各层和区域的尺寸和和厚度。

图1是本发明中制备纳米点结构的工艺流程图，以下结合具体的实施例对本发明制备特殊形状纳米点结构的方法进一步详细说明其中，具体工艺中主要包括以下步骤：

步骤(a)：结合热氧化和湿法腐蚀工艺减薄SOI衬底上的表层硅厚度；

步骤(b)：在SOI衬底上旋涂电子束抗蚀剂；

步骤(c)：设计原始版图，设计一组曝光剂量对电子抗蚀剂进行电子束直写曝光；

步骤(d)：固定显影时间进行显影和定影；

步骤(e)：观察显影后扫描电子显微镜(SEM)照片，确定最好的曝光剂量；

步骤(F)：比较显影图形与设计图形差别，对第一次曝光版图做图形补偿修正；

步骤(g)：电子束直写，重复步骤(b)～(e)，不同的是同时固定显影时间和曝光剂量；

步骤(h)：观察显影后扫描电子显微镜(SEM)照片，确定最好的修补版图；

步骤(i)：干法刻蚀将图形转移到表层硅上，湿法去胶

上述步骤(a)中所述的热氧化温度控制在900～1100℃，湿法腐蚀液为氢氟酸和氨水的配比溶液，SOI衬底中二氧化硅埋氧层厚度为400nm左右，表层硅的厚度为50nm，减薄后在20～30nm左右。

上述步骤(b)中所述的电子抗蚀剂可以为正性电子抗蚀剂或负性电子抗蚀剂。正性电子抗蚀剂一般为PMMA、ZEP520、KRS、UV-III或P(SI-CMS)等，负性电子抗蚀剂一般为SAL601、HSQ或Calixarene等。此处采用SAL601负性电子束抗蚀剂，可以增加前烘的工艺流程，其温度为105℃，时间为2分钟。

步骤(c)中所述的原始版图是指根据需要纳米点的形状做设计的版图，其特征包括5～20μ的大图形以及大图形之间的纳米结构，如图2；而电子束直写曝光的特征在于固定电子束束流而改变其剂量。本例将电子束束流固定在50pA，电子束剂量变化为10，12，14，……，28，其单位为μC/cm²，如图3所示。

步骤(d)所述的显影时间需要根据所选择的电子束抗蚀剂的种类决定。在本例中采用的是SAL601负性电子束抗蚀剂，显影时间固定为2分30秒，同时需要增加后烘的工艺步骤，其温度为105℃，时间为2分钟，显影液是CD-26，定影液是去离子水。

步骤(e)中主要是对显影结果进行扫描电子显微镜(SEM)观察，以确定最好的工艺条件。相对于固定的显影时间，如果曝光剂量过大，那么纳米点的尺寸会因为显影不完全而比设计尺寸大很多，反之若曝光剂量过小，图形会因为显影时间过长而显干净，即图形比设计图形小甚至消失。在本例中，当显影2分30秒后，剂量为14μC/cm²的正方形纳米点完全显掉，而剂量为20μC/cm²的正方形从大小图形交叠处看是显影时间不够，但是其边缘已经消失成为线状，如图4所示。综合考虑，本例中18μC/cm²是相对较好的剂量条件。

步骤(f)中所述的图形补偿是指对显影后小尺寸纳米结构中容易缺失的部分设计一些特殊的附加图形。对于步骤(e)中的正方形版图，将边缘沿(110)晶向的正方形两侧在叠加一个边缘沿(100)的矩形，如图5所示；对于三角形纳米点，则将三角形纳米点的版图设计为一个正方形，再在正方形一侧叠加一个边缘沿(100)的矩形，如图6所示。

步骤(g)是固定显影时间和曝光剂量后，基于修改的版图图形进行的第二次电子束直写曝光，本例中曝光剂量为18μC/cm²，显影时间为2分30秒。

步骤(h)中所述的扫描电子显微镜(SEM)观察就是为了确定怎样的版图修改是最好的。本例中的正方形和三角形的纳米点的版图图形在修改后，显影效果好比原始版图好很多，如图5和图6所示。

步骤(i)中所述的干法刻蚀一般采用ICP刻蚀、RIE刻蚀或ECR刻蚀等方法，利用上述方法刻蚀时采用的气体可以为CF₄、CHF₃或SF₆等。本例中采用ICP反应离子刻蚀，以CHF₃/0₂为反应气体，气体流量为100/10SCCM，功率为50W，刻蚀时间1分钟，刻蚀结果是将图形转移到表层硅。

根据试验表明，利用上述的技术方案能简单的制备不同形状的纳米点结构，同时纳米点的二维平面尺寸可以直接控制在100nm以下。这有利于制备不同形状的纳米器件，可对少电子输运性质进行更深入的研究。