在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法

摘要

本发明涉及纳米加工技术领域，公开了一种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，包括：A.对衬底进行表面清洁及热处理；B.在衬底上涂敷负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ厚胶层；C.对涂敷了HSQ厚胶层的衬底进行前烘；D.对HSQ厚胶层进行密集图形的电子束直写曝光；E.显影的准备工作及实施显影；F.定影及干燥；G.进行后续的图形转移工艺。利用本发明，抑制了背散射效应对低灵敏度负性抗电子束蚀剂层上制作密集图形时尤为严重的邻近效应的影响，并且避免由于抗蚀剂层应力、缺陷，以及显影气泡等因素造成的光刻图形漂移或倒塌的现象，使得利用负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ制作密集图形的厚胶工艺实用化。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及一种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法。

背景技术

电子束曝光技术(包括电子束直写曝光与投影式曝光)是现代微纳加工的重要手段，也是下一代光刻技术的有力候选者。抗蚀剂在电子束光刻技术中充当重要的角色，对图形转移的成败以及质量都起到决定性作用。

常用的电子束光刻抗蚀剂有PMMA、ZEP520、SAL601等。虽然前两者都具有较高的分辨率，但PMMA的抗等离子体刻蚀的掩蔽性能差；

ZEP520在显影或经等离子体刻蚀等工艺处理后极难去除；而SAL601是化学放大胶，工艺性能不稳定，分辨率也较低。

HSQ(Hydrogen silsesquioxane)是由Dow Corning公司开发的一种基于氧化硅的无机类化合物，产品代号为Flowable oxide。对HSQ的最初研究是将其作为低介电常数介电层材料应用于亚0.5微米超大规模集成电路，而近几年对其研究的热点主要是作为电子束光刻、极紫外光刻中的抗蚀剂材料以及纳米压印中模具的制作等微细加工方面应用。

作为抗蚀剂材料，HSQ具有许多优良的性能，例如较高的分辨率、较小的边缘粗糙度。此外，HSQ经电子束或X射线曝光后将形成非晶态的氧化硅，机械稳定性及抗刻蚀性能良好，且在扫描电镜下不像其他抗蚀剂那样容易变形从而利于精细结构的测量。

HSQ作为电子束光刻抗蚀剂最大的限制就是其较低的灵敏度，如果入射电子能量为100kev，对小于50nm的线宽所需要的剂量在6000至8000uC/cm²之间，这样大的剂量需要电子束曝光设备长时间的工作，不仅效率低，而且设备稳定性难以保证。

此外，邻近效应是电子束曝光中难以避免的，特别对于在较大厚度、低灵敏度的负性抗蚀剂层(如HSQ)中直写纳米级密集图形而言，背散射电子产生的邻近效应尤其严重，从衬底返回的背散射电子会在密集图形之间的非图形区域引起曝光，致使图形侧壁陡直度下降、图形区域底部结构发生粘连，从而也必然会阻碍后续剥离、电镀、刻蚀等工艺的进行。

国际上关于HSQ作为电子束光刻抗蚀剂所能达到的分辨率记录的刷新报道无一都是在抗蚀剂层厚度极小的情况下获得的，例如在20nm厚的HSQ层上的制作出线宽为6nm的孤立线及孤立点；10nm厚HSQ层上的线宽与间距比为1∶2的密集线条(线宽7nm)。但一般而言，做完电子束光刻的后续图形转移工艺，如刻蚀、剥离或电镀等，往往需要几百纳米的抗蚀剂层厚度，所以像上述的薄抗蚀剂层是没有实用意义的。

此外，在实际操作中发现，如果前烘等工艺条件处理不好，在后续的高温显影过程中，HSQ的光刻图形极易发生漂移及倒塌，这也是HSQ厚胶工艺中急需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，针对实际工艺应用中对具有一定厚度(400至500nm)抗蚀剂图形层的需求，本发明的主要目的在于提供一种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，以抑制电子束曝光中背散射电子造成的邻近效应在制作密集图形结构时的严重影响，并且避免由于抗蚀剂层应力、缺陷，以及显影气泡等因素造成的光刻图形漂移或倒塌的现象，使得利用负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ制作密集图形的厚胶工艺实用化。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，该方法包括：

A、对衬底进行表面清洁及热处理；

B、在衬底上涂敷负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ厚胶层；

C、对涂敷了HSQ厚胶层的衬底进行前烘；

D、对HSQ厚胶层进行密集图形的电子束直写曝光；

E、显影的准备工作及实施显影；

F、定影及干燥；

G、进行后续的图形转移工艺。

上述方案中，步骤A中所述衬底是以硅、锗、化合物半导体或金属材料导体为主体结构的衬底。

上述方案中，步骤B中所述在衬底上涂敷负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ厚胶层，采用匀胶机涂敷方法进行涂敷，负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ包括Fox13、Fox14、Fox15、Fox23、Fox24、Fox25型号的HSQ，涂敷的HSQ厚胶层的厚度为400至500纳米，HSQ厚胶层为单层结构。

上述方案中，步骤C中所述前烘采用烘箱或热板进行，在采用烘箱或热板进行烘烤时进一步采用梯度前烘方法，温度升高及降低过程中该衬底均保持在烘箱内或热板上。

上述方案中，步骤D中所述电子束直写曝光是采用矢量扫描电子束光刻系统实现的。

上述方案中，步骤E中所述显影，显影液采用TMAH或CD26，预先将显影液加热至40℃，准备一杯去离子水作为定影液，并将该定影液加热到40℃；显影时先将经步骤D处理后的衬底放置于常温的显影液中，待不产生气泡时将衬底取出，再置于40℃的显影液中显影5分钟。

上述方案中，步骤F中所述定影及干燥包括：显影完毕后快速将经显影处理后的衬底取出并放入去离子水中定影，在去离子水中定影10分钟并自然冷却后取出该衬底，然后利用超临界CO₂进行干燥，或用N₂气气枪沿该衬底上的图形线条方向吹干。

上述方案中，步骤G中所述后续图形转移工艺包括电镀、剥离和刻蚀。

上述方案中，步骤B的涂胶之前及步骤E的显影之前进一步包括：对该衬底进行热烘烤处理。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，通过利用梯度前烘方法，温度升高及降低过程中旋涂有抗蚀剂层的片子均保持在烘箱中内，以减小由环境温差而在胶层内产生的应力，避免了光刻图形在显影液浸泡时的漂移。

2、本发明提供的这种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，通过较低温度的下的胶层烘烤结合较高浓度的显影液达到提高HSQ对比度的目的，一定程度上抑制了由于低灵敏度负胶所造成的邻近效应现象加剧的影响。

3、本发明提供的这种在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法，在旋涂、烘烤等处理过程中会在HSQ胶层中产生一些缺陷，这些缺陷不利于电子束曝光中沉积能量的均匀分布及显影过程中图形的显现，所以在胶层旋涂及显影之前先将衬底在热板上进行90℃的短时间烘烤以减少胶层中的缺陷。

附图说明

图1为本发明提供的在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法流程图；

图2为依照本发明实施例利用电子束直写曝光技术制作X射线曝光掩模方法流程图，具体为在聚酰亚铵镂空薄膜衬底上的450nm厚HSQ胶层中利用电子束直写光刻出100nm线宽等间距的光栅图形结构的方法流程图；

图3为依照本发明实施例的曝光版图。

图4(a)至图4(d)为依照本发明实施例的过程示意图。

图5(a)和图5(b)为依照本发明实施例进行实验时在不同倍率下的HSQ光栅图形结构顶视图电镜照片。

图6为依照本发明实施例进行实验时HSQ光栅图形结构剖面侧壁电镜照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的实现原理主要是在充分利用HSQ系列负性电子束抗蚀剂高分辨率特性的前提下，通过降低前烘温度及使用高浓度显影液等工艺条件的调节与控制抑制了由于其低灵敏度特性在电子束曝光中的邻近效应的影响，以及显影过程中由于抗蚀剂层应力、缺陷以及显影气泡等因素所造成的光刻图形漂移或倒塌的现象，实现了利用HSQ厚胶层来制作密集图形结构。

如图1所示，图1为本发明提供的在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：对衬底进行表面清洁及热处理；

步骤102：在衬底上涂敷负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ厚胶层；

步骤103：对涂敷了HSQ厚胶层的衬底进行前烘；

步骤104：对HSQ厚胶层进行密集图形的电子束直写曝光；

步骤105：显影的准备工作及实施显影；

步骤106：定影及干燥；

步骤107：进行后续的图形转移工艺。

上述步骤101中所述衬底是以硅、锗、化合物半导体或金属材料导体为主体结构的衬底。所述的处理过程包括对基片衬底进行严格的表面清洁、干燥及其他辅助的热处理。

上述步骤102中所述在衬底上涂敷负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ厚胶层，采用匀胶机涂敷方法进行涂敷，负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ包括Fox13、Fox14、Fox15、Fox23、Fox24、Fox25型号的HSQ，涂敷的HSQ厚胶层的厚度为400至500纳米，HSQ厚胶层为单层结构。

上述步骤103中所述前烘采用烘箱或热板进行，在用烘箱烘烤时采用梯度前烘方法，温度升高及降低过程中该衬底均保持在烘箱内。

上述步骤104中所述电子束直写曝光采用矢量扫描电子束光刻系统实现。

上述步骤105中所述显影，显影液采用TMAH或CD26，预先将显影液加热至40℃，准备一杯去离子水作为定影液，并将该定影液加热到40℃(或40℃左右)；显影时先将经步骤104处理后的衬底放置于常温(20℃左右)的显影液中，待不产生气泡时将衬底取出，再置于40℃的显影液中显影5分钟(或5分钟左右)。

上述步骤106中所述定影及干燥操作包括：显影完毕后快速将经显影处理后的衬底取出并放入去离子水中定影，在去离子水中定影10分钟并自然冷却后取出该衬底，然后利用超临界CO₂进行干燥，或用N₂气气枪沿该衬底上的图形线条方向吹干。

上述步骤107中所述的后续图形转移工艺包括电镀、剥离、刻蚀等。

在步骤102的涂胶之前及步骤105的显影之前进一步包括：对该衬底进行热烘烤处理。

基于图1所述的在厚负性高分辨率电子束抗蚀剂HSQ上制作密集图形的方法流程图，以下结合具体的实施例进一步详细说明。

在本实施例中，以电子束直写加工X射线曝光掩模为例，具体为在聚酰亚铵镂空薄膜衬底上的450nm厚HSQ胶层中利用电子束直写光刻出100nm线宽等间距的光栅图形结构，并将图形通过电镀工艺复制到Au金属层。结合附图说明整个工艺过程的详细方法和步骤。

图2为依照本发明实施例利用电子束直写曝光技术制作X射线曝光掩模方法流程图。其中，图2(a)展示了所使用聚酰亚铵镂空薄膜衬底的结构。硅上是1至2微米的聚酰亚铵薄膜，聚酰亚铵薄膜上是15纳米的铬金电镀种子层，衬底中央区域的硅去除后就形成了镂空的聚酰亚铵镂空薄膜衬底结构。本实施例的具体操作包括以下步骤：

步骤201：对聚酰亚铵镂空薄膜衬底进行表面清洁及热处理；

在本步骤中，对聚酰亚铵镂空薄膜衬底(其结构可参照图4)进行严格的表面清洁处理并用热板在90℃下烘烤2分钟。

步骤202：在衬底上旋涂HSQ系列中的Fox24型号负性电子束光刻抗蚀剂；

在本步骤中，匀胶机涂敷转速为5000rpm，涂敷时间为60秒。

步骤203：对Fox24负性电子束光刻抗蚀剂进行前烘；

在本步骤中，将匀完胶的片子放至在温度为90℃的烘箱中，并将烘箱预设温度调整为150℃，当烘箱温度达到150℃稳定后继续烘烤30分钟后停止加热，待烘箱温度冷却到60℃以下时取出片子，最后所得胶厚测为450nm。

步骤204：进行电子束直写曝光，曝光版图如图3所示。

在本步骤中，经上述处理的片子最好能在3小时之内做电子束曝光，曝光剂量为3000uc/cm²。

步骤205：显影的准备工作及实施显影；

在本步骤中，显影液选用TMAH或CD26，并在热板上加热至45℃，同时用热电偶保持其温度的稳定性。另一方面准备一大杯去离子水作为定影液，并将其加热40℃左右。将做完电子束曝光的片子先用热板在90℃下烘烤2分钟，然后先在常温(20℃左右)的显影液中显影2分钟，待基本不产生气泡时将片子取出，再放至于45℃的显影液中显影5分钟；

步骤206：定影及干燥；

在本步骤中，显影完毕后快速将片子取出并放入去离子水中定影，待片子在去离子水中定影约10分钟并自然冷却后取出片子，用N₂气吹干。

步骤207：进行电镀图形转移工艺，将HSQ胶层图形转移到Au金属层；在本步骤中，需先将片子用氧等离子体去除薄膜衬底表面在显影过程中未显干净的底胶，然后再进行电镀工艺。

进一步地，作为本实施例的辅助参考，图4(a)至图4(d)示出了依照本发明实施例的过程示意图，其中，图4(a)是聚酰亚铵镂空薄膜衬底结构；4(b)是在聚酰亚铵镂空薄膜衬底旋涂HSQ(Fox24)，并进行梯度烘胶，胶层厚度为450nm；图4(c)是在450nm厚胶层上进行电子束直写曝光，经显影后衬底上留下的胶图形结构；图4(d)是通过电镀将HSQ图形结构转移到400nm左右的金层。

图5(a)和图5(b)示出了依照本发明实施例进行实验时在不同倍率下的HSQ光栅图形结构顶视图电镜照片，图6示出了依照本发明实施例进行实验时HSQ光栅图形结构剖面侧壁电镜照片。

在本发明所举这个实施例中，采用的衬底是聚酰亚铵镂空薄膜衬底，在实际应用中，根据使用的要求可以是其他不同的衬底。本实例在曝光显影后是采用电镀工艺进行图形转移的，在实际应用中可以根据具体的工艺设计进行剥离或刻蚀等图形转移操作。这些利用HSQ进行电子束直写曝光形成厚胶层密集图形结构作为后续图形转移的基础结构的技术方案与本发明提供的技术方案在技术思路上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。