CN101286004B - 一种用于光刻技术的无机热阻膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光刻技术的无机热阻膜，包括基底、在基底上依次生长的无机金属薄膜Al和无机金属薄膜B；还包括在无机金属薄膜B的另一面上再生长一层相同的无机金属薄膜A2；所述的无机金属薄膜Al和无机金属薄膜A2为相同的金属，并且与无机金属薄膜B是三者能够一起生成二元合金的材料。本发明的无机热阻薄膜具有三明治夹层结构，该无机热阻膜充分利用热传导的向上、向下同时进行的双向传导过程，可以有效增加光刻后所得纳米构造的高度或深度。该无机热阻膜采用干法过程制备，在光刻过程中相关的干法过程有利于整个微纳米加工过程的干法化，有利于减少加工过程中的污染，减小加工成品的缺陷率，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种在光刻工艺中使用的光刻掩膜材料，特别是涉及一种在光刻工艺中使用的无机热阻薄膜材料及制备方法。
背景技术
目前，微纳米加工技术在大规模集成电路和半导体器件制造领域得到了广泛的应用。而把一个设计掩模的图形转移到基片上，其主要过程包括晶圆表面处理、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、清除残胶、坚膜、图形转移、去胶等过程。在现行的曝光过程中主要采用有机光刻胶，即一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料作抗蚀剂。曝光时，有机光刻胶吸收光子能量，高分子链长发生改变，导致曝光部分和未曝光部分对于一定的腐蚀剂表现出不同的抗腐蚀性质，从而实现选择性的刻蚀。随着大规模集成电路加工和半导体器件制造行业对微纳米器件尺寸的缩小提出更高的要求，有机光刻胶曝露出以下缺点：
1.有机光刻胶对曝光光源的波长高度敏感，随着微纳米器件的特征尺度进一步减小，曝光光源的波长向短波长方向移动，对应的有机光刻胶结构越来越复杂，开发越来越困难。
2.有机光刻胶在微纳米加工过程中易于造成污染，相关的清洗过程耗时、耗材、费力，而且容易造成加工器件的缺陷。
3.为了减少加工过程中带来的污染，减少加工成品中的缺陷，现有的微纳米加工技术朝干法流程发展，而目前与有机光刻胶相关的湿法流程不符合这一趋势。
4.有机光刻胶的曝光过程具有能量等易性，即多次低能量曝光的效果等同于一次总等同能量曝光的效果，再加上光的高斯分布因素，不利于减小曝光图形的邻近效应，提高曝光图形的分辨率。
相对于有机光刻胶，无机热阻膜例如文献1：G.H.Chapman，Patent No.：US 6641978 B1所介绍的，该无机热阻膜采用两层金属薄膜，即为M/N，它体现出以下优点：
1.由于无机热阻膜都是在热作用下温度升高至转变温度后才发生光学性质和抗刻蚀性质的转变，所以无机热阻膜对曝光光源波长的敏感性降低。
2.无机热阻膜能通过等离子溅射、磁控溅射、直流溅射、化学气相沉积、物理气相沉积等干法过程制备，而且曝光后可采用干湿法联合过程进行刻蚀，实现整个微纳米加工工序的干法化，减少加工过程中的污染，减小加工成品的缺陷率。
3.采用无机热阻膜可用于全干法加工，或可减少湿法加工过程，有利于节省原材料、能源，缩短产品的生产周期。
4.曝光时，曝光区的无机热阻膜吸收能量后温度升高至转变温度以上，光学性质和抗蚀性发生转变。由于光强的高斯分布，曝光区附近部分温度也升高，但在转变温度以下时，无机热阻膜冷却后又恢复到曝光前的状态。所以曝光时采用无机热阻膜能减小曝光图形之间的邻近效应，提高曝光图形的分辨率。
但是在专利US 6641978 B1中，由于双金属薄膜M/N的曝光为热诱导过程，曝光时沿薄膜表面存在热扩散，这也就意味着在获得高分辨率的同时，不利于提高M/N两层金属薄膜的总曝光厚度，即不利于提高所得纳米构造的高度。在专利US 6641978 B1中，双金属薄膜M/N在曝光过程中形成二元共晶合金，即双金属薄膜中M、N的摩尔配比遵循共晶点成分，这限制了具有非共晶点成分摩尔配比的双金属薄膜M/N的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有的两层金属薄膜组成无机热阻膜的缺陷，从而提供一种采用三层金属薄膜组成的三明治夹层结构(A/B/A)的无机热阻膜，该三明治夹层结构的无机热阻膜充分利用热传导的双向传导过程(向上、向下同时进行)，可以有效增加光刻后所得纳米构造的高度或深度。同时，可通过调整二元合金AB中A、B两种金属的摩尔比改变其合金化温度，即改变其曝光阈值功率，实现不同摩尔配比的三层金属薄膜A/B/A的可控曝光。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的用于光刻技术的无机热阻膜，包括基底1、在基底1上依次生长的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜B；其特征在于：还包括一层无机金属薄膜A2，该无机金属薄膜A2生长在无机金属薄膜B的另一面上，所述的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜A2为相同的金属，并且无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2与无机金属薄膜B三者是能够一起生成二元合金的金属材料。
在上述的技术方案中，所述的无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2和无机金属薄膜B厚度分别为5nm-100nm。
在上述的技术方案中，所述的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜A2，包括以下金属：Bi、Sn、In、Al、Zn、Sb、Pb、Pd、Pt、Ga、Cd、Mg；
在上述的技术方案中，所述的无机金属薄膜B包括：In、Sn、Zn、Al、Pb、Pd、Pt、Cd、Co、Ga、Mg、Ti；
在一种无机热阻薄膜中，所含的无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2与B金属薄膜必须是能够生成二元合金的材料，例如金属薄膜A1、B、A2三层金属薄膜形成的二元合金AB为以下任一种组合：BiIn，BiSn，BiZn，BiCd，BiCo，BiPb，InSn，InZn，InSb，CdIn，SnZn，AlZn，CdZn，CdPb，CdSb，CdSn，CdTi，GaIn，GaMg，GaSn，GaZn，MgPb，MgSn，MgTi，PbPd，PbIn，PbPt，PbSb，PbSn，SbTi，SnTi。
在上述的技术方案中，所述的基底1采用SiO2或Si基片。
本发明提供的无机热阻薄膜的制备方法，依次采用双氧水、丙酮、去离子水将基底1超声波清洗各10分钟，每次清洗后用N2吹干基底3，清洗完毕于120℃真空干燥2小时后取出制备薄膜。采用干法如磁控溅射、直流溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等物理气相沉积方法，在基底1上依次溅射沉积生长一层无机金属薄膜A1、一层无机金属薄膜B、一层无机金属薄膜A2。
本发明提供的具有三明治夹层结构的无机热阻薄膜，可在一定波长和超过曝光强度阈值的曝光条件下，无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2和无机金属薄膜B三层薄膜吸收了能量，使温度升高至发生合金化；曝光部分和未曝光部分在一定的刻蚀剂中比现出不同的刻蚀速度，从而可以实现曝光部分和未曝光部分的选择性刻蚀。
曝光后金属薄膜A1、A2和金属薄膜B能形成二元合金AB，其熔点低于双金属薄膜中任一种单金属薄膜A和B的熔点，且AB的熔点低于500℃；
A1、B、A2三层金属薄膜的曝光存在一定的阈值功率，当在该阈值功率以下条件曝光时，金属薄膜层A1、B、A2不发生合金化反应；而且，可通过调整二元合金中两种金属的摩尔比(改变膜层厚度)而改变阈值功率，实现不同摩尔配比(不同膜层厚度)的三层金属薄膜A1、B、A2的可控曝光。
曝光前后，金属薄膜对光的透射率和折射系数均发生变化，可用于作光刻掩模材料和光存储介质，而且所形成的二元合金其透光性随曝光功率变化而变化，因此可用于作灰度掩模。
该发明应用于微纳米加工光刻技术领域，将有利于促进整个微纳米加工过程的干法化，减小加工成品缺陷率，同时简化了微纳米加工工艺，缩短产品的生产周期。而且，该发明还能有效地降低光刻胶和掩模材料的开发成本。
本发明的优点在于：
本发明提供的无机热阻薄膜具有三明治夹层结构，该无机热阻膜充分利用热传导的双向传导过程(向上、向下同时进行)，可以有效增加光刻后所得纳米构造的高度或深度。
该无机热阻膜采用干法过程制备，在光刻过程中相关的干法过程有利于整个微纳米加工过程的干法化，有利于减少加工过程中的污染，减小加工成品的缺陷率，提高生产效率。
和现有的有机光刻胶的曝光过程不同，该无机热阻膜曝光时存在功率阈值，故有利于减小曝光图形之间的邻近效应，提高曝光图形的分辨率。
由于它在现有曝光系统条件下能实现光密度的梯度变化，因此可用于光刻掩模和光存储介质领域。而且曝光前后其在一定刻蚀剂中具有很大的刻蚀选择比，可在微纳米加工技术领域将获得广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的无机热阻膜结构示意图
图面说明：
1-基底； 2-金属薄膜A1； 3-金属薄膜B；
4-金属薄膜A2；
具体实施方式
实施例1
参照图1，选择Si片作为基底1，在基底1上采用磁控溅射法(室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm，溅射时间100s)制备一层20nm厚的Bi金属薄膜作为第一金属薄膜A1，采用磁控溅射法在第一金属薄膜A1上制备一层50nm厚的金属In薄膜(室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm，溅射时间650s)作为金属薄膜B，在金属薄膜B再生长一层30nm的金属Bi薄膜(室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm，溅射时间150s)。
实施例2
参照图1，选择Si片作为基底1，在基底1上采用磁控溅射法制备一层15nm厚的Sn金属薄膜作为第一金属薄膜A1，采用磁控溅射法在第一金属薄膜A1上制备一层50nm厚的金属In薄膜(室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm)作为第二金属薄膜B，在金属薄膜B再生长一层35nm的金属Sn薄膜(室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm)作为第一金属薄膜A2。
其中，第一金属薄膜A1、第二金属薄膜B、第一金属薄膜A2三层金属薄膜均在室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm条件下制得。
实施例3
本实施例结构同实施例1相同，其中从下往上依次为：基底1为Si片，第一金属薄膜A1为金属Zn薄膜30nm，第二金属薄膜B为金属A1薄膜20nm，第一金属薄膜A2为金属Zn薄膜50nm；
其中，第一金属薄膜A1、第二金属薄膜B、第一金属薄膜A2三层金属薄膜均在室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm条件下制得。
实施例4
本实施例结构同实施例1相同，其中从下往上依次为：基底1为Si片，第一金属薄膜A1为金属Bi薄膜40nm，第二金属薄膜B为金属Zn薄膜20nm，第一金属薄膜A2为金属Bi薄膜50nm；
其中，第一金属薄膜A1、第二金属薄膜B、第一金属薄膜A2三层金属薄膜均在室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm条件下制得。
实施例5
本实施例结构同实施例1相同，其中从下往上依次为：基底1为Si片，第一金属薄膜A1为金属In薄膜40nm，第二金属薄膜B为金属Zn薄膜10nm，第一金属薄膜A2为金属In薄膜60nm；
其中，第一金属薄膜A1、第二金属薄膜B、第一金属薄膜A2三层金属薄膜均在室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm条件下制得。
实施例6
本实施例结构同实施例1相同，其中从下往上依次为：基底1为Si片，第一金属薄膜A1为金属Zn薄膜10nm，第二金属薄膜B为金属Sn薄膜100nm，第一金属薄膜A2为金属Zn薄膜10nm；
其中，第一金属薄膜A1、第二金属薄膜B、第一金属薄膜A2三层金属薄膜均在室温，溅射功率30w，背景压强2.5×10-5Pa，气体流速25sccm条件下制得。
实施例7
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例1；
实施例8
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例2；
实施例9
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例3；
实施例10
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例4；
实施例11
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例5；
实施例12
本实施例结构同实施例1相同，基底为SiO2，其它同实施例6；
以上实施例中各金属薄膜层均可采用其它方法如离子溅射、直流溅射、化学气相沉积、物理气相沉积等干法过程制备，采用普通光学曝光系统即可实现曝光，曝光过程如图2所示。当采用无掩模直写曝光技术时，不断改变曝光功率即可制得灰度掩模，可以实现三维图形的光刻。
Claims (4)
1.一种用于光刻技术的无机热阻膜，包括基底(1)、在基底(1)上依次生长的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜B；其特征在于：还包括一层无机金属薄膜A2，该无机金属薄膜A2生长在无机金属薄膜B的另一面上，所述的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜A2为相同的金属，并且无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2与无机金属薄膜B三者是能够一起生成二元合金的金属材料，该二元合金的熔点低于500℃，所述的基底(1)采用Si或SiO2。
2.按权利要求1所述的用于光刻技术的无机热阻膜；其特征在于，所述的无机金属薄膜A1、无机金属薄膜A2和无机金属薄膜B厚度分别为5nm-100nm。
3.按权利要求1所述的用于光刻技术的无机热阻膜；其特征在于，所述的无机金属薄膜A1和无机金属薄膜A2，包括以下金属：Bi、Sn、In、Al、Zn、Sb、Pb、Pd、Pt、Ga、Cd或Mg。
4.按权利要求1所述的用于光刻技术的无机热阻膜；其特征在于，所述的无机金属薄膜B包括：In、Sn、Zn、Al、Pb、Pd、Pt、Cd、Co、Ga、Mg或Ti。
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Patent Citations (4)
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