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      第卷第期年月电子显微学报JournalofChineseElectronMicroscopySocietyVol,No文章编号:()电子束光刻技术的原理及其在微纳加工与纳米器件制备中的应用张琨,林罡,刘刚,田扬超,王晓平(中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室,安徽合肥南京电子器件研究所单片集成电路与模块国家级重点实验室,江苏南京中国科学技术大学合肥同步辐射国家实验室,安徽合肥)摘要:电子束光刻是微电子技术领域重要的光刻技术之一,它可以制备特征尺寸nm甚至更小的图形。随着电子束曝光机越来越多地进入科研领域,它在微纳加工、纳米结构的特性研究和纳米器件的制备等方面都呈现出重要的应用价值。本文以几种常见的电子束曝光机为例,说明电子束光刻的工作原理和关键技术,并给出一些它在纳米器件和微纳加工方面的应用实例。关键词:电子束光刻微纳加工纳米器件中图分类号:TNTNTG文献标识码:A收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(No)Foundationitem:NationalNaturalScienceFundationofChina(No)作者简介:张琨(),男(汉族),湖南人,博士研究生通讯作者:王晓平(),男(汉族),江苏人,教授,博士研究生导师自年以来,微电子工业的特征尺寸已经悄悄越过nm进入了纳米尺度。得益于浸入式光刻技术的应用,最新的奔腾芯片的最小尺寸是nm,预计到年使用波长nm的深紫外光可以达到nm的最小尺寸,。当器件的特征尺寸降到nm以下时,量子尺寸效应、限域效应等物理效应对器件的影响变得越来越重要。此外,随着纳米科技的发展,各种新型的纳米材料和纳米结构不断制备出来,但在将它们用于器件之前,必须对其相关的物理特性有充分的了解和检测。因此,拓展和完善现有的各种微纳加工和制备技术是十分紧迫的任务。光刻技术是微纳加工过程中的一个重要环节。目前常规的光学光刻是利用KrF、ArF光源。为了提高分辨率,人们开发出许多分辨率增强技术(RETs)。但提高光刻的数值孔径(NA值)带来的是巨大的成本压力,且光学近邻修正技术(OPC)和相移掩膜(PSM)等进一步提高了微细加工的成本门槛。即使这样,光学光刻能否实现nm技术节点仍是一个疑问,人们需要寻找新的更高分辨率的光刻技术。因此,X射线、电子束、离子束光刻技术就成了研究的热点。其中,电子束光刻技术以其分辨率高、性能稳定、功能强大、价格相对低廉而成为人们最为关注的下一代光刻技术之一。电子束光刻中使用的曝光机一般有两种类型:直写式与投影式。直写式就是直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上,不需要光学光刻工艺中最昂贵和制备费时的掩模投影式则是通过高精度的透镜系统将电子束通过掩模图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上。直写式光刻技术是最通常也是最常用的技术,随着直写式电子束曝光机的小型化,它在科学研究中的作用也日益广泛。本文以用于科研的直写式电子束曝光机为主,简要介绍直写式电子束光刻的原理和系统、技术特点及应用实例。电子束曝光机系统直写式光刻技术起源于扫描电镜。自从世纪年代第一台电子束曝光机发明以来~,开发出来众多的产品,功能也不断地完善和改进。一般而言,直写式曝光机的工作原理是将精确聚焦的电子束斑逐点地在样品台上移动,而移动方式可以分为逐行扫描模式和矢量扫描模式。其镜筒系统组成主要包括:电子束光源、偏转系统、开关挡板和精确定位的样品台,如图所示。电子束光源有两种:热电子源和场发射源。前者是将灯丝加热到足够高的温度,使电子有足够的能量越过电子枪金属功函数的势垒发射出来形成电子源。而场发射源是利用足够强的电场使电子隧穿图电子束曝光系统镜筒结构。FigCrosssectiondrawingofatypicalelectronbeamcolumn势垒形成电子源。一个好的电子源应该满足:亮度高、源斑小、能量发散小、稳定性强和时间长的使用寿命。表为不同电子束源主要特性的比较。一般直写式曝光机主要使用的是热场发射源(表面镀ZrO的钨金属针尖),工作温度在K,和冷场发射源相比可以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。表电子束曝光中常用的几种电子束源特性TableCharactersofsomeconventionalelectronsourcesinEBLsystems源类型亮度(AΠcmΠsr)源尺寸能量展宽(eV)真空度(Pa)钨~μm~LaB~μm~热场发射~nm冷场发射~nm电子源发射出来的电子束的聚焦和偏转是在镜筒中完成的。镜筒通常包含有光阑、电子透镜、挡板、像散校正器和法拉第电流测量筒等装置。光阑的作用主要是设定电子束的会聚角和电子束电流。电子透镜的作用是通过静电力或是磁力改变电子束的运动。电子透镜类似光学透镜,也存在球差和色差(当外圈电子会聚比内圈电子强时就形成了球差,而当能量有微小差异的电子聚焦在不同平面上时就形成了色差),从而限制了束斑的大小和会聚角的范围。像散校正器可以补偿不同方位角电子束的像差。挡板的作用是开启或关闭电子束。结合刻蚀和沉积工艺,利用直写式曝光技术可以制备nm甚至更细的图形,最小尺寸达nm的原理型纳米电子器件也已经制备出来。由于直写式曝光技术所具有的超高分辨率,无需昂贵的投影光学系统和费时的掩模制备过程,它在微纳加工方面有着巨大的优势。但由于直写式的曝光过程是将电子束斑在表面逐点扫描,每一个图形的像素点上需要停留一定的时间,这限制了图形曝光的速度。直写式电子束光刻在产能上的瓶颈使得它在微电子工业中一般只作为一种辅助技术而存在,主要应用于掩模制备、原型化、小批量器件的制备和研发。但直写式电子束曝光系统在纳米物性测量、原型量子器件和纳米器件的制备等科研应用方面已显示出重要的作用。几种常见的电子束曝光系统目前实验室常用的电子束曝光系统主要来自日本JEOL公司、德国Leica公司和德国Raith公司。表给出了各家公司代表性的小型电子束曝光机的性能指标。表几种电子束曝光系统的性能TableCharacteristicsofsomeEBLsystems系统型号JEOLFSVBUHRRaith,eLine源类型热场发射热场发射热场发射加速电压kV,kVkVkVVkV图型发生器bitMHzbitMHzbitMHz扫描尺寸μmmmmm最高分辨率nm~nmnm叠层精度nmnmnm拼接精度nmnmnm可加工最大晶片尺寸inchinchinch日本JEOL公司JEOLFS型机具有光斑可调的电子束光源及步进式样品台,能够作为制备砷化镓场效应管、X射线掩模及硅器件的电子束曝光设备也可应用于极限尺寸的新器件(包括量子效应器件)的研究与制备。德国Leica公司VBUHREWF是一种高效的电电子显微学报JChinElectrMicroscSoc第卷子束曝光设备,不但可以应用于常规的微电子技术领域,还可以应用于前沿的纳米光刻和高精度项目。它使用大电流密度的热场发射枪,MHz高速图形发生器和较大的操作区间,能够提供大范围的纳米光刻研发系统最优化的拼接精度和产出能力。整套系统经特殊设计可应用于多种样品尺寸,可以完成多种材料的前沿课题,包括硅、混合半导体、光电子、微晶体管、纳米光刻、微光学和掩模制备。德国Raith公司的eLine高精度电子束曝光及纳米操纵平台是比较适合实验室的通用电子束曝光系统,可用于特殊纳米结构的制备、模版制作与检测、多维形貌学和纳米工程。通过添加一定的附件还可以完成包括电子束辅助气相沉积、纳米操纵、电学测量和X射线分析等功能。电子束辅助气相沉积是一种在光刻掩模修补、无抗蚀剂光刻技术方面有很多应用的直写技术。因为它的高精度与高分辨率,很有希望用于场发射阴极管的制备与修复。很多材料都可以利用这项技术沉积,例如金,、铜、碳、钨,等。利用电子束辅助气相沉积可以制备良好的Pt导电接触,。电子束曝光中的相关材料与工艺电子束光刻胶电子束光刻胶是涂在衬底表面用来实现图形传递的物质,通过电子束曝光使得光刻胶层形成所需要的图形。本节主要介绍常规电子束光刻胶的一些配方。通常用于非光学光刻中的光刻胶由长链碳聚合物组成,在相邻链上碳聚合物接受电子束照射的原子会产生移位,导致碳原子直接键合,这一过程称为交联。高度交联的分子在显影液中溶解较慢。根据聚合物照射前后发生交联还是化学键断裂可以将电子束光刻胶分为正性胶和负性胶。如果光刻胶在曝光后,其聚合物发生化学键断裂,而分裂为容易溶于显影液的分子,则为正性光刻胶。反之当曝光后,光刻胶中的交联占优势,光刻胶由小分子交联聚合为大分子,曝光后的光刻胶难溶解于显影液,则为负性光刻胶。当光刻胶显影后,通过金属化Π剥离或刻蚀Π去胶工艺就可以将所要的图形转移到衬底上。正性光刻胶:聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)是最早使用也是最常使用的正性电子束光刻胶之一,它的玻璃化转变温度为℃。PMMA本身为粉末状固体,但可以一定浓度溶解于苯甲醚和氯苯等有机溶剂中。将光刻胶液体滴在衬底上,然后高速旋转衬底,形成一层连续平整的光刻胶涂层,接着将衬底放入热板或烘箱中加热至℃~℃,去除剩下的溶剂。最后所得到的光刻胶的厚度取决于所用光刻胶液体的浓度和甩胶的速度。以分子量为K的PMMA为例,溶解在苯甲醚中的浓度为的光刻胶,在rpm的转速下得到的光刻胶的厚度约为nm,而曝光所需的电子剂量值为μCΠcm~μCΠcm。为了达到较好的图形对比度,一般使用浓度为∶methylisobutylketone∶isopropanol(MIBK∶IPA)的溶液进行显影,若要更高的敏感度则显影液配方一般采用∶MIBK∶IPA。显影后浸泡IPAs即可将显影区域去除。利用PMMA可以制备分辨率非常高的图形,其极限尺寸甚至可以小于nm,但存在敏感度较低,不适合干法刻蚀,热稳定性一般等问题。为此提出了新的配方MethylMethAcrylateandMethAcrylicAcidP(MMAMAA),其敏感性比PMMA高~倍,且热稳定温度为℃。其它重要的正性光刻胶还有PBS(PolyButeneSulfone)和高灵敏度的EBR(acopolymeroftrifluoroethylachloroacrylateandtetrafluropropylachloroacrylate)、高分辨率的ZEP(acopolymerofchloromethacrylateandmethylstyrene)。但相对PMMA而言,灵敏度更高的光刻胶则分辨率要略低一些。负性光刻胶:负性光刻胶有更好的灵敏度,但容易在显影过程中膨胀放大,使图形失真,且其分辨率也比正胶低。常用的负光刻胶有Shipleyadvancedlithography(SAL),anepoxycopolymerofglycidylmethacrylateandethylacrylateP(GMAEA)(也被称为COP),apartiallychloromethylatedpolystyrene(CMS)。COP具有较高的灵敏度,而CMS具有中等的灵敏度和中等的分辨率。金属化Π剥离工艺电子束光刻中最重要的工艺往往就是金属化Π剥离(liftoff)。该工艺过程主要由涂胶、曝光、显影、金属化(淀积)、剥离等步骤组成,如图所示(用负光刻胶)。第一步(图a)是电子束在光刻胶表面扫描得到需要的图形第二步(图b)将曝光的图形进行显影,然后去除未曝光的部分第三步(图c)在形成的图形上沉积金属最后一步(图d)将曝光部分的光刻胶去除,剩下的是衬底上的金属图形。在金属化Π剥离工艺中,决定图形转移质量的关键在于光刻工艺的胶型控制。光刻胶最好使用厚胶,同时形成底切(undercut)的结构,这样有利于去胶剂更好的渗透,形成良好的形貌。第期张琨等:电子束光刻技术的原理及其在微纳加工与纳米器件制备中的应用图金属化Π剥离工艺的流程图。FigIllustrationofLiftoffprocess邻近效应当电子束能量为keV时,其德布罗意波长小于nm,远小于原子的尺寸。理想情况下电子束光斑可以会聚到小于nm,因此电子束的衍射不会影响其分辨率。但高能电子束照射到光刻胶上,很多电子产生了小角度前散射,从而导致束斑变大。当电子进一步深入光刻胶到达衬底上,一些电子产生大角度散射(背散射),这样使得电子深入到预定未曝光区域,从而导致非曝光区域的曝光,这种现象称为电子束的邻近效应。因为散射过程中产生的少量电子可以具有keV的能量,会导致光刻胶过分曝光,其影响范围达微米量级,所以散射的电子造成的总效果就是曝光图形变形。如图所示,孤立的小区域接受的曝光剂量要小于密集的大区域,这样造成有的图形曝光不足,而有的则曝光过分,致使图形失真。已有很多方法用来减少邻近效应或是消除图形变形。例如,采用很薄的衬底来减少背散射电子,使用更厚的光刻胶来减少前散射电子的影响。更精密的方法是对不同的图形采用剂量控制。对简单图形,可直接通过调控曝光剂量得到所需的图形。而对复杂图形,电子束曝光系统采用相应的软件实现剂量调控。利用MonteCarlo方法,可模拟某入射能量的电子束透过衬底上的抗蚀剂时产生的邻近效应,从而分析入射电子束的形状、入射电子的能量、衬底材料和厚度对邻近效应大小的影响~。通过将模拟结果与实验结果比较,可获得进一步减弱邻近效应的途径。除了上述方法外,还可以采用多层光刻胶、低能电子束曝光等技术来减少邻近效应的影响。图kV电子束曝光正性光刻胶后的扫描电镜照片,孤立的小块区域曝光少于大块或密集区域。Bar=μmFigSEMmicrographofapositiveresistpatternonsiliconexposedwithakVelectronbeamdemonstratestheproximityeffect,wheresmallisolatedexposedareasreceivelessdoserelativetolargerormoredenselyexposedareasBar=μm应用举例纳米加工:利用电子束光刻制备间隔小于nm的电极对纳米电极对是测量纳米结构和单分子输运特性的重要手段。已有文献报道,通过控制电子束曝光位置与剂量,可制备小于nm的电极对。制备过程:将浓度为的PMMAmethylisobutylketone(MIBK)光刻胶以rpm旋转速度涂在衬底上,形成nm的光刻胶层,然后℃烘烤min再利用电子束矢量曝光机(光斑nm)进行电子显微学报JChinElectrMicroscSoc第卷曝光。曝光后放入温度为±℃的∶的MIBK和异丙醇混合剂中显影。接着在图形上利用电子束分别蒸发厚nm的Ti和厚nm的Au,最后通过剥离工艺得到纳米电极。在制备过程中,通过控制电子束的曝光剂量和显影时间,可以控制最后形成的电极间距。图纳米电极对的扫描电镜图像。a:从上至下分别为不同电子剂量、和mCΠcm,显影时间均为sb:从上至下分别为不同的显影时间s、s和s,电子剂量均为mCΠcm。FigSEMofthenanogapsa:Fabricatedusingthesamedevelopingtimeofs,butdifferentelectrondosesof,,andmCΠcm(fromtoptobottom)b:FabricatedusingthesameebeamdoseofmCΠcmbutdifferentpatterndevelopingtimesofs,s,ands(fromtoptobottom)respectively如图a所示,当曝光剂量为mCΠcm、显影时间为s时,可以得到nm间隔的电极,当显影时间不变,曝光剂量从mCΠcm变到mCΠcm时,得到的电极间隔从nm降到nm。当保持曝光剂量mCΠcm不变时,增长显影时间,从s增加到s和s,这时得到的电极间隔为从nm陆续减小到nm和nm,如图b所示。使用这种方法制备电极的成品率很高,间隔为nm~nm的电极可以达到,nm~nm电极为。此外,这种方法制备的电极对具有良好的绝缘性,漏电阻高达欧姆~欧姆,可应用于多种纳米电子学器件的研究。单电子器件(Singleelectrontransistor)年巴丁和肖克利发明晶体管,开启了电子学的新时代。随着芯片集成度的提高,晶体管越做越小,目前单电子晶体管已成为人们研究的热点。图是一个垂直机电单电子晶体管。其制备过程包括两部分,首先利用电子束光刻得到所要的图形,然后利用反应离子刻蚀(RIE)获得设计的单电子晶体管结构。电子束光刻得到的金的图形不仅作为导电材料,还作为反应离子刻蚀的掩模。中央的硅纳米柱支撑起顶端的金纳米岛,而这个金纳米岛作为单电子晶体管的库仑岛控制着电子的隧穿过程。量子电导原子开关(Quantizedconductanceatomicswitch)量子电导原子开关(QCAS)是依靠电极间的单原子桥的形成与消失来控制电流的一种新型纳米器件。如图a所示,QCAS可以通过电子束光刻、金属沉积和剥离等工艺制备出来,由两根nm宽的金属Pd线和一根nm宽的硫化银纳米线之间的交叉点接触构成。其工作原理如图b所示:当铂和硫化银之间距离很近(nm)时,因为隧道电流导致的固体电化学反应,电极间的偏压极性变化将导致电极间金属银原子接触点的形成或消失。当硫化银电极上施加正电压时,电极间金属银反应析出,上下电极导通当硫化银电极上改为负电压时,电极间的金属银反应消失,这就关闭了量子电导开关。该开关可以在室温和空气下工作,工作频率可达MHz,工作电压mV。利用该开关还可进一步构建基本的逻辑电路。结束语随着纳米科技和微电子技术的发展,人们对高分辨微纳加工的要求越来越高。电子束光刻技术以其分辨率高、性能稳定、功能强大、价格相对低廉而成为最为关注的下一代光刻技术之一。许多研究成果已表明直写式电子束光刻技术在制备小于nm特征尺寸的纳米器件方面具有很大的灵活性。可以预期,伴随着电子束光刻技术的不断完善和日益广泛的应用,它在微纳加工、纳米结构特性的基础研究及新型纳米器件的制备等领域将扮演更为重要的角色。第期张琨等:电子束光刻技术的原理及其在微纳加工与纳米器件制备中的应用图单电子晶体管的扫描电镜照片和测量电路:在源端S处施加交流信号Vac与阶梯直流电压信号V,测量漏端D的总电流ID,G电极悬地。FigSEMmicrographandexperimentalcircuitryofthesiliconnanopillarAnacsignalVacwithasuperimposeddcbiasVisappliedtothesourceSandthenetcurrentIDatdrainDisdetectedwithacurrentamplifierThethirdelectrodeGisfloating图a:量子电导开关的扫描电镜照片(Bar=μm)b:量子电导开关的示意图,上图是器件构成的最初状态,中图和下图分别是QCAS处于关态和开态。Figa:SEMimageoftheQCAS(Bar=μm)b:SchematicdiagramsoftheQCASAsformedswitchedonstate(top),switchedoffstate(middle)andswitchedonstateaftertheinitialswitchingoffprocess(bottom)参考文献:童志义电子工业专用设备,,:董大为中国集成电路,,:FontanaRE,etalIEEETransactionsonMagnetics,,:杨清华,刘明,陈大鹏,叶甜春电子工业专用设备,,:TsengAA,etalIEEETransactionsonElectronicsPackagingManufacturing,,:RaiChoudhuryPHandbookofMicrolithography,MicromachiningandMicrofabricationVolume:电子显微学报JChinElectrMicroscSoc第卷Microlithography,MarounK,FerryDKJVacSciTechnolB,,:数据采自JEOL,Leica,Raith公司的官方网页UtkeI,DwirB,LeiferK,CicoiraF,DoppeltP,HoffmannP,KaponEMicroelectronEng,,:M«lhaveK,MadsenDN,RasmussenAM,etalNanoLett,,:YenMY,ChiuCW,ChenFR,KaiJJ,LeeCY,ChiuHTLangmuir,,:FujitaJ,IshidaM,IchihashiT,OchiaiY,KaitoT,MatsuiSJVacSciTechnolB,,:MatsuiS,IchihashiT,MitoMJVacSciTechnolB,,:RackPD,RandolphS,DengY,FowlkeJS,ChoiY,JoyDCApplPhysLett,,:TakaiM,KishimotoT,MorimotoH,etalMicroelectronEng,,Π:YavasO,OchiaiC,TakaiM,HosonoA,OkudaSApplPhysLett,,:HelbertJN,DaouTIn:HelbertJNedHandbookofVLSIMicrolithography,ParkRidge,NJ:Noyes,chKratschmerEJVacSciTechnol,,:BroersAN,HarperJME,MolzenWWApplPhysLett,,:孙霞,尤四方,肖沛,丁泽军物理学报,:孙霞,丁泽军,肖沛,吴自勤电子显微学报,,:肖沛,孙霞,闫继红,丁泽军电子显微学报,,:HowardRE,HuEL,JackelLD,GrabbeP,TennantDMApplPhysLett,,:LiuK,AvourisPh,BucchignanoJ,MartelR,SunSApplPhysLett,,:ScheibleDV,BlickRHApplPhysLett,,:TerabeK,HasegawaT,NakayamaT,AonoMNature,,:CorrespondingauthorPrincipleofelectronbeamlithographyanditsapplicationonthenanofabricationandnanodeviceZHANGKun,LINGang,LIUGang,TIANYangchao,WANGXiaoping(HefeiNationalLaboratoryforPhysicalScienceattheMicroscale,UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiAnhuiNationalKeyLaboratoryofMonolithicIntegratedCircuitsandModules,NanjingElectricalDeviceInstitute,NanjingJiangsuNationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiAnhui,China)Abstract:Electronbeamlithography(EBL)isoneofthemostimportanttechniquesintheareaofthemicroelectronicsforitsabilityofcreatingvariouspatternswiththefeaturesizeoflessthannmItalsohasagreatapplicationonthenanotechnology,suchasthenanofabrication,thecharacterizationofnanostructures,andtherealizationofnanodeviceInthispaper,webrieflyreviewedtheprincipleoftheEBLandsomekeyissuesoftheEBLprocessThecapabilitiesofEBLonthenanofabricationandthenanodevicewerealsoillustratedfromsomerecentlyachievementsfromthepublishedreferencesKeywords:electronbeamlithography,microandnanofabrication,nanodevice第期张琨等:电子束光刻技术的原理及其在微纳加工与纳米器件制备中的应用

      施工合同亦称“工程合同”或“包工合同”。指发包方 (建设单位) 和承包方 (施工单位) 为完成商定的建筑安装工程施工任务,明确相互之间权利、义务关系的书面协议。对于我们日常接触比较多,且需求量比较大的施工合同,这些模板也许能够帮到你。

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