CN101946306B - 使用放射性薄膜的自供电光刻方法和装置 - Google Patents

使用放射性薄膜的自供电光刻方法和装置 Download PDF

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Abstract

自供电近场光刻系统100包括三个主要部件，即：包括放射性材料(例如，放射性同位素112)的薄膜或发射极衬底110、承载能量可改性层122(例如，光致抗蚀剂)的目标衬底120、以及位于发射极衬底和目标衬底之间且在发射极衬底上制造并被限定在发射极衬底中的模板(例如130)。模板由能够阻挡通过放射性衰变从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子组成。模板包括被图案化成允许通过放射性衰变从发射极衬底110的放射性同位素发射的粒子选择性地通过的通孔132，并且模板优选地向上倚着(或非常接近于)目标衬底120设置。

Description

使用放射性薄膜的自供电光刻方法和装置
相关申请的优先权要求和引用
本专利申请要求2007年12月21日提交的相关和共同拥有的美国临时专利申请序列号61/008,596的优先权，其全部公开通过引用被并入本文。
技术领域
本发明涉及用于制造半导体电路或纳米级机电系统的方法并且提供对标准光刻或电子束光刻的更加经济的备选方案。
背景技术
半导体和纳米级机电系统通常使用诸如标准光刻或电子束光刻的工艺来产生，每个工艺在资本设备和相关设施上要求相当大的投资。
薄膜处理是现代集成电路工业的基础。所有集成电路由薄膜材料的连续沉积和去除构成。沉积技术包括旋涂、化学气相沉积和大气或低压、蒸发、溅射、反应离子沉积。薄膜去除方法包括湿化学蚀刻、等离子体反应和/或物理蚀刻。IC工业此外广泛地依赖于光学光刻而较不广泛地依赖于电子光刻来限定光致抗蚀剂中的图案。在这些方法的很多中，内在地需要高能带电和中性粒子的使用。在反应离子溅射中，气体被离子化以产生等离子体，其离子种类与表面起反应以去除原子。在蒸发中，材料通过直接电阻加热或通过电子束轰击被加热。在溅射中，加速的离子轰击表面以去除材料。在光刻中，高能电子撞击在光致抗蚀剂上以破坏或加强分别在正性和负性抗蚀剂中的键合。这些键合被连续暴露给分别去除正性和负性光致抗蚀剂的曝光或非曝光区域的化学制品。
电子束光刻(EBL)是目前用于产生具有20-50nm最小特征尺寸的图案的现有技术。然而，EBL系统实现(数百万美元)和维护起来(＞$100,000/年)昂贵。此外，因为它们使用0.1-10nA/cm2电子束的光栅扫描来曝光图案，它们需要很长的曝光时间来沉积使EBL光致抗蚀剂显影所需的100-1000μC/cm2剂量(参见例如，P.Rai-Choudhury，″Handbook ofMicrolithography，Micromachining，and Microfabrication″Volume 1：Microlithography，SPIE Press Monograph Vol.PM39)。这导致用于使小至1mm2的面积曝光的～$10,000的高成本/运转。
相反地，在半导体工业中使用的先进光学光刻技术能够导致具有最小特征尺寸40-60nm的大面积的更加经济的曝光。然而，光学光刻也需要高资本成本，且曝光工具和专门掩模的成本(数百万美元)使光学光刻不适合于R&D和小批量生产。因此，电子束和光学光刻不能提供更加经济的光刻解决方案来实现真正更加经济的微米或纳米级系统。
用于光刻的现有技术方法使用电子束或图像投影来曝光光致抗蚀剂层，光致抗蚀剂层通过从远处的源射在光致抗蚀剂上的电子束或投影光的曝光而被改性。电子束和图像投影仪是光致抗蚀剂改性能量的“远场”源，所以需要创建和维护起来昂贵的真空塔(columns of vacuum)。
这产生其它方法，包括在美国申请号20060264016中Hyde等人的“有源掩模”方法，其假定“较大的分辨率可使用接触方法来获得，其中掩模放置成与衬底接触”。Hyde的光刻掩模包括具有有源区和至少一个无源区的图案化能量发射层，有源区响应于电输入以选定的水平发射能通量(例如，光)，而无源区不响应于电输入而发射光。Hyde的光刻方法包括产生能量(例如，光)通量并使通量敏感材料(flux sensitive material)(例如，光致抗蚀剂或脂质双分子层)暴露至能量通量以使通量敏感材料被改性。Hyde的图案化能量发射层可以包括以静态或动态可变的图案被激活或通电的发光二极管或电极的阵列。Hyde的图案化能量发射层因此对于从有源掩模发射的“通量”需要单独的电源或能量源来激活有源掩模的发光二极管(或其它能量发射源)。
然而，Hyde对于如何产生并使用有源掩模的描述有些不够详细，所以如果需要实用的工作“接触式”光刻系统(例如，对于半导体制造)，这些领域的技术人员将被迫从事大量开发工作。
因此，需要在大面积(1-100cm2)上的快速和低成本的纳米光刻(20-50nm最小特征尺寸)以实现低成本纳米级系统的不昂贵的系统和方法。
发明内容
本发明的结构和方法通过提供实用的工作“接触式”光刻系统克服了上面提到的困难，该实用的工作“接触式”光刻系统能够在大面积(例如，1-100cm2或更大)上进行快速和低成本的纳米光刻(例如，20-50nm最小特征尺寸)，从而实现低成本纳米级系统。
根据本发明，新的低成本“接触式”光刻系统利用由放射性同位素薄膜自发发射的高能粒子(例如，电子)来曝光带电(energized)粒子敏感光致抗蚀剂表面。所谓“光致抗蚀剂”，本申请人指目前在常规电子束光刻系统中使用的类型的可改性层。来自这个膜的放射性同位素的粒子(例如，电子)发射使用如在常规电子束光刻中使用的图案化纳米模板被掩蔽，且放射性同位素模板叠层用于曝光大量晶圆，而不引起任何额外的成本。该装置和方法实现在大面积(1-100cm2)上的快速和低成本(＜$10,000)的纳米光刻(20-50nm最小特征尺寸)以实现低成本纳米级系统。
如上所述，用于光刻的现有技术方法使用电子束或图像投影来曝光光致抗蚀剂层，所述光致抗蚀剂层通过暴露至从远处的源射在光致抗蚀剂上的电子束或投影光而被改性；且这些被认为是光致抗蚀剂改性能量的“远场”源。现有技术光刻系统因而需要创建和维护昂贵的真空塔。
本发明的方法类似于将底片放置在彩扩纸(photo-printing paper)上以在常规影印制造中产生“接触印刷”或“校样”，且在本发明中，光致抗蚀剂改性能量的源放置在图案化模板或掩模上，图案化模板或掩模又放置在“近场”中的光致抗蚀剂上或很接近光致抗蚀剂。该能量的源还是自供电的，需要来自外部电源的零功率。有利地，光致抗蚀剂改性能量的源是包括放射性材料的发射极薄膜或衬底，该放射性材料产生稳定的带电粒子流(例如，β粒子或带电的电子)，其穿过纳米图案化模板中的预先界定的孔径或通孔并接着进入目标衬底上的可改性(例如，光致抗蚀剂)层，使模板所限定的曝光图案中的光致抗蚀剂被改性。该光刻方法不需要使用真空室，因为这些步骤可在环境大气中执行。
本发明的方法和结构包括发射极衬底和图案化模板，其可以可选地被层压或紧固在一起以再次用于连续的目标衬底(例如，也涂有光致抗蚀剂)上，以产生具有选定的曝光图案以用于经济的自动工艺中的很多被曝光或改性的目标衬底。
本发明的光刻系统包括三个主要部件，即，包括放射性材料(例如，放射性同位素)的发射极薄膜或衬底、承载能量可改性层(例如，光致抗蚀剂)的目标衬底、以及介于或位于发射极衬底和目标衬底之间的模板。图案限定模板由能够阻挡通过放射性衰变从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子组成。模板图案由开口或通孔限定，所述开口或通孔被设置成允许使通过放射性衰变从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子选择性地透过，并且模板向上倚着(up against)(或非常接近于)目标衬底放置。
本发明的光刻方法使用放射性同位素发射的粒子来曝光可以在制造半导体电路或微米和纳米级机电器件中使用的目标衬底。模板位于发射极衬底和待曝光的目标衬底之间，使得从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子将撞击在模板上，并且对于未被模板中的开口或通孔覆盖的那些目标衬底区域来说，粒子撞击在目标衬底上。模板和目标衬底可以彼此相对固定，使得通过放射性衰变从发射极的放射性同位素发射的粒子选择性地使目标衬底的部分被曝光。可以想象发射极衬底可以相对于模板和目标移动一只有模板和目标需要在曝光期间被锁定在一起，因为如果模板相对于目标移动，则将模糊目标光致抗蚀剂中的曝光图案。有趣地，如果发射极衬底在光致抗蚀剂曝光期间相对于模板移动，则可能没有不利的作用，因为粒子发射的方向是随机的，所以无需担心发射极衬底是否移动，只要所发射的粒子仍然能够撞击在目标衬底上。必须在通过放射性衰变从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子所必需的持续时间持续的预定曝光周期或时间间隔内保持发射极衬底、模板和目标衬底的相对位置，以获得目标衬底被改性效果(例如，目标衬底上的光致抗蚀剂的充足的曝光)。
当考虑本发明特定实施例的下列详细描述时，特别是当结合附图理解时，本发明的上面和其它目的、特征和优点将变得显而易见，其中不同附图中相似的附图标记用于表示相似的部件。
附图说明
图1A是根据本发明的零功率光刻系统的示意性正面(in elevation)截面图。
图1B是示出了根据本发明的图1A的零功率光刻系统的掩敝电子发射源的制造的示意性正面截面图。
图1C是根据本发明的零功率光刻系统的示意性正面截面图，所述零功率光刻系统具有待曝光的目标晶圆或衬底、位于不同载体晶圆上的模板、以及承载放射性同位素的发射极晶圆或衬底。
图2A-2D是示出根据本发明的光刻系统的示意性正面截面图，其包括：(a)理想曝光，(b)电子的各向同性发射的曝光细节，(c)使用负性轮廓(negative profile)掩蔽侧壁的曝光，以及(d)0-60keV电子的图案开口的不同厚度。
图3A是示出根据本发明的具有图案化放射性源的零功率光刻系统的示意性正面截面图。
图3B是示出根据本发明的图案化电子发射源的制造的示意性正面截面图。
图4是示出根据本发明的用于验证光致抗蚀剂(PR)中的β粒子穿透的模型和由模板或掩模层的厚度引起的遮蔽效应的实验装置的示意性正面截面图。
图5a和5b是示出根据本发明的实验装置的直接接触Ni-63薄膜发射极和模板或掩模的发展的示意性正面截面图。
图6是示出根据本发明的用于测量来自Ni-63薄膜发射极的通量电流密度的实验装置的示意图。
图7A示出根据本发明的金属Au的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(IMFP)相对于能量以及阻止本领(stoppingpower)相对于能量曲线而绘制出的测量结果。
图7B示出根据本发明的金属Ni63的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(IMFP)相对于能量以及阻止本领相对于能量曲线而绘制出的测量结果。
图7C示出根据本发明的电子束抗蚀剂NEB31A的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(IMFP)相对于能量以及阻止本领相对于能量曲线而绘制出的测量结果。
图7D示出根据本发明的氚化铍(BeH3 2)的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(IMFP)相对于能量以及阻止本领相对于能量曲线而绘制出的测量结果。
图8是根据本发明的用于Si3N4膜栅格的图案的显微图像，其示出亚微米分辨率；Au的沉积提供具有300-500nm间隙和2μm特征尺寸的图案。
图9A是使用本发明的方法示出使用3H薄膜发射极和Au模板或掩模来提供亚100nm特征的直接接触式光刻系统的示意性正面截面图。
图9B是根据本发明的方法的图9A的3H薄膜发射极的β衰变的电子分布的曲线。
图9C是根据本发明的方法的作为曝光面积的函数的曝光时间的柱状图，其示出随着不同的同位素变化的时间，用在评估生产量和成本中。
图10A是示出根据本发明的方法的电子光刻系统的示意性正面截面图。
图10B是示出根据本发明的方法的具有电子/α表面荷电性的光刻系统的示意性正面截面图。
图10C是示出根据本发明的方法的X射线光刻系统的示意性正面截面图。
图10D是示出根据本发明的方法的物理溅射的示意性正面截面图。
图10E是示出根据本发明的方法的反应离子蚀刻的示意性正面截面图。
具体实施方式
现在转到图1A-10E，根据本发明，光刻系统100包括三个主要部件，即，包括放射性材料112(例如，放射性同位素)的发射极薄膜或衬底110、承载能量可改性层122(例如，光致抗蚀剂)的目标衬底120、以及介于或位于发射极衬底110和目标衬底120之间的模板或掩模130。图案限定模板130包括能够阻挡通过放射性衰变从发射极衬底110的放射性同位素112发射的粒子的非透射材料(例如，由例如W/Pt制造的重金属掩蔽层)。
模板130限定具有被设置成允许使通过放射性衰变从发射极衬底110的放射性同位素发射的粒子选择性地透过的开口或通孔的图案，并且模板130向上倚着(或非常接近于)目标衬底放置，如图1A中零功率光刻系统100的示意性正面截面图中所示的。
被掩蔽的发射极衬底110承载附接的掩蔽层或模板130，且通过非透射材料(例如，W/Pt)的沉积在原位(in-situ)制造以限定具有允许粒子发射通过的通孔或开口132的曝光图案。图1B是示出图1A的零功率光刻系统的被掩敝的电子发射源110的制造的示意性正面截面图。
图1C是根据本发明的一个稍微不同的零功率光刻系统100A的示意性正面截面图，所述零功率光刻系统100A具有待曝光的目标晶圆或衬底120，所述目标晶圆或衬底120接近或倚着固定到或承载在单独的载体晶圆131上的模板或掩蔽层130放置，载体晶圆131与承载放射性同位素源112的发射极晶圆或衬底110分离或相对于发射极晶圆或衬底110是可移动的。
能量可改性层122可以包括标准光致抗蚀剂材料，如现在用在半导体制造(例如，PMMA光致抗蚀剂或ZEP520光致抗蚀剂)中的，或者可以包括正性或负性光致抗蚀剂材料，其通过暴露至来自发射极衬底110的带电粒子或x射线而被改性，并接着随后在另一图案设置步骤的蚀刻步骤中进行处理，以用于到目标衬底的光刻图案传送。
目标衬底可以由SiO2、玻璃、硅或任何其它衬底材料制成，这些材料能够利用通过光刻传送的图案而被有用地改性，并且目标衬底可以相当小，如在半导体电子电路和MEMS或NEMS机械结构中所使用的，或相当大，如当图案被传送到衬底以用于大平板显示器等中。
“接触式”光刻系统100利用通过放射性同位素薄膜(例如，放射性同位素源112)同时发射的高能粒子(例如，电子)来曝光带电粒子敏感表面122。为了术语的目的，申请人使用词“光致抗蚀剂”来表示目前在常规电子束光刻系统中使用的类型的可改性层，以及现在或在未来可服务于相同的目的的任何等效形式。
使用如在常规电子束光刻中使用的图案化纳米模板130对来自薄膜的放射性同位素的粒子(例如，电子)发射进行掩蔽，并且放射性同位素模板叠层(stack)(例如，如图1A所示)容易用于曝光大量目标衬底或晶圆120，而不引起任何额外的成本。该装置和方法能够在大面积(例如，1-100cm2)上进行快速和低成本(＜$10,000)的纳米光刻(20-50nm最小特征尺寸)，从而实现低成本纳米级系统。
本发明的方法类似于将底片放置在彩扩纸上以在常规影印制造中产生“接触印刷”或“校样”，并且在本发明中，发射极衬底110-光致抗蚀剂改性能量的源放置在图案化模板或掩模130上，图案化模板或掩模130又放置在“近场”中的光致抗蚀剂122上或很接近光致抗蚀剂122。该能量的源是连续自供电的，在延长的持续时间或有用的使用寿命内需要来自外部电源的零功率。
有利地，光致抗蚀剂改性能量从包括放射性材料112的薄膜或衬底发射，该放射性材料112产生稳定的带电粒子流(例如，β粒子或带电的电子)，其穿过纳米图案化模板130中的预先界定的孔径或通孔132并接着进入目标衬底120上的可改性(例如，光致抗蚀)层122，使模板130所限定的曝光图案中的光致抗蚀剂被改性。该光刻方法不需要使用真空室，因为这些步骤可在空气中被执行。
发射极衬底110和图案化模板130可以可选地被层压或紧固在一起用于再次用于连续的目标衬底(例如，也涂有光致抗蚀剂)上，以产生具有选定的曝光图案、用于经济的自动工艺中的很多被曝光或改性的目标衬底。
本发明的光刻方法使用放射性同位素发射的粒子来曝光可以在制造半导体电路或微米和纳米级机电器件中使用的目标衬底。模板130位于发射极衬底110和待曝光的目标衬底120之间，使得从发射极衬底的放射性同位素112发射的粒子将撞击在模板130上，并且对于未被模板中的开口或通孔132覆盖的那些目标衬底区域，粒子撞击在目标衬底120上。
模板130和目标衬底120可以彼此相对固定，使得通过放射性衰变从发射极的放射性同位素112发射的粒子选择性地使目标衬底120的部分曝光并且被改性。应意识到发射极衬底110可相对于模板130和目标120移动——仅模板130和目标120需要在曝光期间锁定在一起，因为如果模板130相对于目标120移动，则将模糊目标光致抗蚀剂(或其它可改性层)122中的被曝光图案。有趣地，如果发射极衬底110在光致抗蚀剂曝光期间相对于模板130移动，则可能没有不利的作用，因为粒子发射的方向是随机的，所以不用担心发射极衬底是否移动，只要所发射的粒子仍然能够撞击在目标衬底上。必须在通过放射性衰变从发射极衬底的放射性同位素发射的粒子所必需的持续时间持续的预定曝光周期或时间间隔内保持发射极衬底、模板和目标衬底的相对位置，以获得目标衬底被改性的效果(例如，目标衬底上的光致抗蚀剂的充足的曝光)。
如图1A-3B所示的根据本发明的低成本光刻系统利用通过放射性同位素薄膜同时发射的高能电子来曝光常规电子敏感光致抗蚀剂，如目前在EBL中所使用的(参见图1B)。本发明的方法和装置通过使用预期花费小于$10,000的安全低活性放射性同位素薄膜而消除了电子束产生和精确扫描的昂贵工艺。
本发明的接触式方法和近场系统将同时曝光在整个晶圆上待图案化的所有特征，因而使这成为特征被并行曝光，与在目前使用的光栅扫描的EBL方法中的特征的串行曝光相反，因此使大图案的曝光更快。
光刻系统100可以通过首先在载体晶圆114上沉积适当的放射性同位素112的薄膜来实现(图1C)。用于沉积的示例性放射性同位素是Pm-147，其是有利的，因为其电子发射特征(平均0.1-10nA/cm263keV)紧密匹配EBL的电子束特征(参见例如，P.Rai-Choudhury，″Handbook ofMicrolithography，Micromachining，and Microfabrication″Volume 1：Microlithography，SPIE Press Monograph Vol.PM39)。因此，可以在没有任何进一步的发展的情况下使用目前可用的EBL光致抗蚀剂(例如，如图1A所示的PMMAPR)。
在放射性同位素薄膜沉积之后是重金属(例如，如图1A所示的W/Pt掩蔽层)薄层的沉积，重金属薄层厚到足以阻挡从放射性同位素源或发射极110发射的β电子。
接下来，使用EBL将最终写到器件晶圆上的高分辨率图案写到重金属掩蔽或模板层130上。
模板130可以接着用于曝光大量晶圆，而不引起额外的成本(参见下面的表1)。
Figure BPA00001206166100091
表1：所提出的系统与EBL系统的曝光属性的比较。在Cornell纳米制造设施中的经验中得到关于EBL的数据。
模板或掩模130可接着被剥除，且放射性同位素源112可以与用于写其它图案的其它模板一起再次使用。
根据本发明的可选的光刻系统200使用承载图案化放射性膜222而不是图案化重金属掩模130(参见图3A和3B)的发射极衬底210。对于图3A和3B的实施例，首先通过各种机制(例如，电镀、溅射、蒸发等)将放射性薄膜212沉积在传导玻璃或硅晶圆或衬底210上。该膜可使用包括化学机械抛光的各种技术进行抛光，以实现亚纳米级平滑度。
对于包括直接接触式掩模或模板层(例如130或530)的实施例，接下来，沉积第二膜层。该第二膜层将优选地掩蔽(阻挡其透射)从放射性薄膜发射的电子、x射线或α粒子。虽然可以设置几乎任何传导性材料，一些期望属性是有用的。首先，这种材料应为硬的并充分粘附到放射性薄膜。材料应是高度耐用的，因为它可能多次接触抗蚀剂。材料应具有对粒子的高阻止本领。好的候选材料是高原子序数和高密度金属，例如铂、钨或锰。该膜所需的典型厚度将通过下面的两个折衷来控制。一方面，膜应该尽可能厚以在光致抗蚀剂内产生粒子通量的最大对比度(例如，122、222、422或522)。另一方面，当厚度增加时，在材料中的蚀刻线的最大长宽比将限制使用该材料能够获得多么小的特征尺寸。对于10∶1的长宽比和20nm的期望最小尺寸，需要200nm的薄膜。其中50nm的期望特征尺寸，可能有500nm的薄膜。这些是实际膜厚度。为了增加材料中所发射粒子的吸收，可以使用原子外延技术以实现电子的布拉格反射光栅。例如，因为在30keV处的电子波长是亚埃，具有埃级周期性的不同金属的周期性结构可以导致大部分电子或β射线反射回放射性膜中。接下来，多层叠层或单个金属层将被蚀刻以限定掩模图案。这可以利用离子束图案化或通过利用电子束或深uv图案化的标准光刻来完成。在电子束光刻的情况下，来自放射性薄膜的剩余电子可以使顶部PR 222显影。因此，也许需要具有高非线性对比度的PR材料。从放射性薄膜或发射极212发射的峰值能量也可以通过沉积薄膜进行能量吸收而被转移到较低的能量。
该项工作正在进行，且要克服的一个可能的挑战是由来自放射性同位素的电子的各向同性发射引起的光致抗蚀剂(例如，122或222)的阴影(shadow)曝光。可以通过使用具有负性轮廓侧壁(参见图2C中的130N)的掩蔽层来消除。当所沉积的金属比掩蔽光致抗蚀剂层厚时导致蘑菇效应的电镀技术可能能够用于产生具有负性轮廓的侧壁。选定的掩模层厚度也能够用于改变通过掩模或模板(参见图2C中的130T)的发射的吸收。
在下面的参考著作中找到本领域技术人员可利用的额外的背景信息：[1]P.Rai-Choudhury，″Handbook of Microlithography，Micromachining，andMicrofabrication″Volume 1：Microlithography，SPIE Press Monograph Vol.PM39；以及[2]在下面的NIST公布中可用的网页内容：http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html。
概念实验的验证
通过微加工掩模暴露至发射的电子
现在转到对支持本发明的方法和系统的发展努力进行描述，图4是示出根据本发明用于验证光致抗蚀剂(PR)中的β粒子穿透的模型和由模板或掩模层的厚度引起的遮蔽效应的实验光刻系统400的示意性正面截面图。使用承载平面Ni-63薄膜的发射极衬底410的最初实验表明，从这些膜获得10-milli-Ci/cm2辐射活性。实验使用图4中示出的装置来完成。使用与基于电子束的光刻组合的传统体微加工技术来制造SixNy膜，以界定具有纳米级孔径(简单的孔、正方形、矩形等)的模板430。SiN膜中的应力被认为可能使纳米级孔径变形。为了形成孔径和被承载在目标衬底420上的PR中限定的图案之间的良好比较，应力引起的曲率和孔径变形通过在曝光之前利用光学和基于探针的计量技术扫描孔径区域来测量。该装置设置在振动隔离平台(如图4中所示)上以避免晶圆420、微加工掩模430和镍薄膜发射源410之间的任何滑动。
直接Ni-63接触曝光：图5A和5B中所示的另一实验将Ni-63薄膜512直接设置成与ZEP-10电子束抗蚀剂层522接触。在这里，Ni-63通过以SiN膜产生的纳米级遮蔽掩模530涂有热蒸发的金薄膜。金-Ni63发射极衬底或芯片510配置为放置成与具有光致抗蚀剂522的多个目标晶圆520直接接触。Ni-63薄膜512沉积在来自商业厂家的硅芯片上。此外，现有的热蒸发器被改进以允许蒸发到Ni-63薄膜上。图5A和5B是示出包括具有模板或掩模530的Ni-63薄膜发射极510的直接接触式光刻系统500的发展的示意性正面截面图。
图4-5B的装置允许重复曝光以研究放射性曝光掩模的磨损和磨耗问题。此外，对4英寸放射性薄膜掩模进行显影以展示大面积纳米级特征定义容量并研究掩模的老化。申请人还研究用于发展高规定活性Pm-147薄膜的电镀和不同处理步骤以实现有源掩模的方法。
实验工作包括测量承载Ni-63薄膜的示例性发射极衬底(例如，410)的通量电流密度，如示出实验装置570的图6所示。
对在该显影工作期间所发射的粒子的路径进行建模和测量，且该工作也允许掩模或模板(例如，130、230或430)的显影。根据本发明，图7A示出针对金属Au的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、以及阻止本领相对于能量曲线而绘制的测量结果；图7B示出针对金属Ni63的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、以及阻止本领相对于能量曲线而绘制的测量结果；图7C示出针对电子束抗蚀剂NEB31A的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、以及阻止本领相对于能量曲线而绘制的测量结果；以及图7D示出针对氚化铍(BeH3 2)的弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、非弹性平均自由路径(EMFP)相对于能量、以及阻止本领相对于能量曲线而绘制的测量结果。
原型发展的理论基础
1.费米理论
从β衰变的费米理论(参见下面的参考资料1)中，对所允许的跃迁的能量分布的形状近似地由下面的表达式给出：
N(E)＝C(E2+2Emec2)1/2(Q-E)2(E+mec2)F(Z，E)
其中c是光速，me是电子静止质量，Z是在子核上的核电荷，E是所发射的电子的动能，Q是电子的动能的上限。费米函数F(Z，E)解释核库仑相互作用，其由于子核和所发射的电子之间的库仑吸引而将该分布转移到较低的能量。它由(2)给出：
Figure BPA00001206166100131
2.蒙特卡洛模拟
蒙特卡洛电子轨迹模拟方法使用基于几个可用的蒙特卡洛模型的代码广泛应用于电子探针微米分析和纳米分析(参见下面的参考资料3-5)。
a.弹性散射
Mott截面用于描述弹性散射。对于具有n个元素的复合材料，其总的弹性平均自由路径(EMFP)λe由下式确定：
λ e - 1 ( E ) = ρ N 0 Σ i = 1 n C i σ e i ( E ) A i
其中E是入射电子的动能，ρ是区域的密度，N0是阿伏加德罗常数，Ai、Ci分别是元素i的原子量(atomic weight)和序数分数(number fraction)。化学元素i的Mott截面值
Figure BPA00001206166100133
使用预先计算的和表列值(6-7)来确定。
b.非弹性散射
使用介电响应理论来描述非弹性散射。电子非弹性微分截面可由(8)表示：
其中a0是玻尔半径，
Figure BPA00001206166100135
是能量损失，
Figure BPA00001206166100136
是动量转移，E是入射电子的动能，而ε(q，ω)是介电响应函数。
阻止本领和非弹性平均自由路径(IMFP)λin由(5)给出：
Figure BPA00001206166100141
Figure BPA00001206166100142
光介电常数ε(ω)与折射率n和消光系数k有关，表示如下：
ε(ω)＝(n+ik)2＝(n2-k2)+i(2nk)
在大约30eV之上的光子能量范围中的材料的光学特性可以由原子散射因子描述。材料的折射率通过下式与单独原子的散射因子有关：
n = 1 - r e 2 π λ 2 Σ i n i f 1 i
k = 1 - r e 2 π λ 2 Σ i n i f 2 i
其中re是经典电子半径，λ是入射电子的波长，以及ni是元素i的原子序数体积密度，f1、f2分别是原子散射因子的实部和虚部(9)。
c.蒙特卡洛程序和编程
首先，使用三个均匀随机数[0，1]Ri来确定最初在具有维数尺寸Di(i＝1，2，3)的放射性同位素薄膜源中产生的β粒子坐标
Figure BPA00001206166100145
x i 0 = R i · D i
β粒子的初始能量由另一均匀随机数R4通过下式确定：
R 4 < &Integral; 0 E N ( E &prime; ) dE &prime; / &Integral; 0 Q N ( E &prime; ) dE &prime;
假定β粒子的初始角分布是各向同性的。所以它的初始移动方向角θ0和方位角
Figure BPA00001206166100148
分别由另外两个均匀随机数R5和R6确定：
θ0＝πR5，φ0＝2πR6
总平均自由路径λm通过下式与相应的弹性平均自由路径(IMFP)λe和非弹性平均自由路径(IMFP)λin有关：
&lambda; m - 1 = &lambda; e - 1 + &lambda; in - 1
两个连续碰撞之间的行进距离由另一均匀随机数R7评估：
s＝-λmIn(R7)
在经过距离s之后，均匀随机数Rs用于通过下列方法确定下一单独的散射事件的类型-弹性或非弹性：
如果为真，它是弹性的，否则，它是非弹性的。
对于弹性散射，使用均匀随机数R9来确定第i个元素原子，其将负责该单独的弹性散射：
&Sigma; j = 1 i - 1 C j &sigma; e j A j &Sigma; j = 1 n C j &sigma; e j A j < R 9 < &Sigma; j = 1 i C j &sigma; e j A j &Sigma; j = 1 n C j &sigma; e j A j
弹性散射角θe由随机数R10确定：
R 10 < &Integral; 0 &theta; e &sigma; e sin &theta; &prime; d&theta; &prime; / &Integral; 0 &pi; &sigma; e sin &theta; &prime; d&theta; &prime;
方位角
Figure BPA00001206166100155
被假定是各向同性的并由随机数R11确定：
φe＝2πR11
对于非弹性散射，这个单独的事件的能量损失ΔE由下式给出：
&Delta;E = - dE dS &CenterDot; s
非弹性散射角θin由经典二元碰撞模型预测：
θin＝sin-1(ΔE/E)1/2
θin＝sin-1(ΔE/E)1/2
方位角
Figure BPA00001206166100157
也被假定是各向同性的并由随机数R12确定：
φin＝2πR12
能量损失ΔE被认为传输到所产生的二次电子，对于价电子激发，所述二次电子具有初始能量
Figure BPA00001206166100158
或者对于离子化，所述二次电子具有初始能量
Figure BPA00001206166100159
其中EB是结合能(3)。对于电子束抗蚀剂曝光过程模拟，因为ΔE相当小，假定该能量损失ΔE将被抗蚀剂介质局部吸收，使得可以获得能量轮廓特征曲线(参见例如图7C和7D)。
3.实验细节
a.源通量电流密度i测量
放射性Ni63薄膜通过化学镀镍技术(10，11)沉积在预先抛光的镍/硅衬底上。薄膜源(例如，410，尺寸为1cm×1cm)通量电流密度i使用装置570通过将源放置在金属真空室中来进行测量，压力向下到1E-5托(参见图6)。针对所述源所测量的i值是12pA/cm2。
b.掩模制造
在大约700℃时通过低压化学气相沉积(LPCVD)将Si3N4膜的薄层(～50nm)沉积在硅晶圆上。然后，氮化物膜通过电子束光刻和干法蚀刻被图案化。接下来的步骤是通过硅晶圆回蚀到氮化硅层。然后，Au层(10nm Ti+500nm Au)从晶圆的背侧通过金属蒸发器以慢的沉积率进行沉积(图2A)。
c.电子束抗蚀剂曝光和显影
负性电子束抗蚀剂NEB31A(Zeon Corperation)薄膜(厚度为120nm)以8000RPM的旋转速度旋涂在硅晶圆上，然后在110℃烘培2分钟。之后，将Au掩模(上面制造的)放置在NEB31A膜的顶部，并接着将Ni63薄膜源安装在掩模的顶部上以使抗蚀剂在空气中连续曝光7天(168小时)(图2A)，这些是在暗室中进行的，因为NEB31A抗蚀剂对白光高敏感度。在曝光之后，在95℃烘培晶圆2分钟，在MF-321中使它显影30秒钟，然后通过DI晶圆冲洗和N2枪干燥。
参考资料
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2.P.Venkataramaiah et a1.，Journal of Physics G：Nuclear and ParticlePhysics 11，359(1985).
3.Z.Ding，R.Shimizu，Scanning 18，92(1996).
4.P.Hovingt on et al.，Scanning 19，29(1997).
5.Z.Tan et al.，Applied Physics A 81，779(2005).
6.Z.Czyzewski et al.，Journal of Applied Physics 68，3066(1990).
7.D.Drouin et al.，Scanning 19，20(1997).
8.D.Pines et al.，The Theory of Quantum Liquids，New York(1966).
9.A.Thompson et al.，X-ray data booklet，(2001).
10.G.O.Mallory et al.，Electroless Plating：Fundamentals andApplications 1，1(1990).
11.M.Schlesinger et al.，Modern Electroplating(fourth edition)，667(2000).
原型光刻系统图案特征尺寸
如图8所示，目标衬底的显微图像(例如620，在去除被曝光的PR层之后)，Si3N4膜栅格的图案表明，本发明的光刻方法可以提供亚微米的分辨率。Au的沉积提供了具有300-500nm的间隙和2μm的孔特征尺寸的图案。包括三个新的Si3N4TEM膜栅格上的Au沉积物的一批衬底使用具有相对慢的Au沉积率(1A/s到1.5A/s)的蒸发器。在显微镜下发现沉积膜相对均匀。基于申请人的模拟工作，发现较小的模板孔需要较长的曝光时间。这些时间可以基本通过更高活性的放射性同位素源的使用来减少。
对于所示图案，NEB31负性抗蚀剂被曝光10天，因此图案是清晰可见的。选择10天周期以明确地获得曝光，并且图案被过度曝光。后见之明表明，对于这种装置，8天的曝光可能提供令人满意的具有2μm孔的图案(如在图8中的)。额外的工作看来可能基于该SiNTEM栅格+Au掩模来显示改进的图案。
几种放射性同位素源似乎是有前景的。图9A是示出了使用本发明的方法使用3H薄膜发射极610和Au模板或掩模630来提供亚100nm特征的直接接触式光刻系统600的示意性正面截面图。图9B是根据本发明的方法的图9A的3H薄膜发射极的β衰变的E分布的曲线。如图9C所示，(作为曝光面积的函数的曝光时间的柱状图，其示出了不同的同位素的时间)不同同位素的显影时间使该方法在生产量和成本上优于其它方法，并且曝光时间明显短于电子束光刻的曝光时间。
额外的考虑因素
放射性薄膜(例如，如在源载体110中的)经由放射性衰变产生高能粒子。单独地或以某种组合发射γ射线(高能x射线)、α粒子(氦核)和β粒子(电子)。例如，镍-63薄膜是具有大约3-77keV的电子能发射的纯β发射膜，平均能量为17keV。钋-210是具有在几MeV范围内的能量的纯α发射极。来自放射性原子的粒子的发射通常是各向同性的，但如果放置在薄膜中，它在正交于晶圆表面的方向上变得更强。
本申请做出的总权利要求是以α粒子、β粒子、γ射线的形式发射的能量能够用于改变表面和在表面周围的气体，以实现表面和子表面薄膜处理。
通过直接图案化膜或通过从均匀的膜通过在另一衬底上制成的纳米级掩模辐射粒子，放射性薄膜的纳米级图案化是可行的。该技术的重要优点之一是放射性图案化的掩模可以被制造得任意大，从而允许针对各种应用以大范围的尺寸定义集成电路。
下面的表2总结了预想使用放射性薄膜进行处理的不同方法。
Figure BPA00001206166100181
Figure BPA00001206166100191
表2(参见图10A-10E)
为了延长的使用寿命，所提出的光刻系统可被经济地使用。如上所述，模板130可以接着从发射极衬底110剥除，且放射性同位素源112可以与用于写入其它图案的其它模板一起被再次使用。Pm-147的半衰期是2.8年，所以单个发射极衬底可在以年测量的使用寿命内能够曝光数千目标衬底。
本发明的放射性光刻的一个特定应用是对平板电子器件的纳米级光刻的发展，其目前关注于显示器。用于这种大显示器的光刻被限制到微米级或仅亚微米尺寸，因为使用缝合式(stitched)光刻或接触式光刻。这限制了每单位面积可制造的晶体管的数量。目前平板显示器的每像素只能实现几个晶体管。如果更多的晶体管可安装在同一空间中，则可以实现高度智能像素反馈控制，或通常计算机可以在同一衬底上被并行制造，使得显示器和计算机位于同一衬底上，消除了与不同的芯片和包装相关的成本。大面积纳米级放射性光刻可以将平板光刻推行到在现有技术微处理器和存储器中存在的相同尺寸，并且通过这么做，实现在一个衬底上集成计算机的不同功能的新的可能性。
因此，因为本发明的发射极衬底和目标衬底可以制造地任意大，本领域技术人员将容易理解，本发明的系统和方法容易适用于在大显示器中使用的目标衬底上使用，所述大显示器包括符合LCD显示器的Gen 10标准(例如，具有～8.7m2的面积)或即将来临的Gen 11标准(例如，具有～3200mm×3600mm或～11.5m2的面积)的那些显示器，并且对于那些实施例中的每一个，根据本发明，发射极衬底(例如，112)的有源区、目标衬底(例如，122)的抗蚀剂覆盖的区域、以及模板或掩模层(例如，130)均具有基本相等的面积(例如，每个～3200mm×3600mm)。
本领域技术人员将意识到，这里公开的示例性实施例使自供电近场或接触式光刻系统对于各种应用并且在大范围的尺寸成为实际的事实。描述了新的和改进的光刻系统和方法的优选实施例后，考虑到这里所阐述的教导，将为本领域技术人员提供其它变型、变化和修改。因此应理解，所有这些变型、变化和修改被认为落在如在所附权利要求中所阐述的本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种用于对将在制造半导体电路或纳米级机电器件中使用的衬底的表面进行改性的光刻系统，包括：
包括放射性同位素的第一发射极衬底；
第二目标衬底；
模板，所述模板位于所述第一衬底和第二衬底之间，包括能够阻挡通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子的材料；
其中，所述模板包括一个或多个通孔，所述一个或多个通孔限定选择的曝光图案以允许通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子选择性地透过；
并且其中，所述模板邻近于所述第二衬底。
2.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述第二衬底包括能量可改性材料的层，所述材料响应于暴露至所述发射的粒子而被改性。
3.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述第二衬底的能量可改性材料的层包括对所发射的粒子敏感的光致抗蚀剂层。
4.如权利要求2所述的光刻系统，其中，所发射的粒子是β粒子。
5.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述放射性同位素配置为位于所述第一衬底的表面上的薄膜层。
6.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述第二衬底由硅制成。
7.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述第二衬底由玻璃制成。
8.如权利要求1所述的光刻系统，其中，所述第二衬底由SiO2制成。
9.如权利要求2所述的光刻系统，其中，在所述第二衬底暴露至所述粒子时，所述第二目标衬底被所述粒子改性。
10.一种使用放射性同位素发射的粒子来使将在制造半导体电路或微米和纳米级机电器件中使用的衬底曝光的近场光刻方法，包括：
(a)设置包括放射性同位素的第一发射极衬底；
(b)设置待曝光的第二目标衬底；
(c)设置包括能够阻挡通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子的材料的模板，所述模板包括限定选择的曝光图案的通孔；
(d)使所述模板定位于所述第一衬底和待曝光的所述第二衬底之间，使得从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子撞击在所述模板上，穿过所述模板中图案化的通孔，并接着撞击在所述第二衬底上；
(e)使所述模板和所述第二衬底固定成彼此邻近，以便通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子选择性地使所述第二衬底的所述曝光图案中的部分曝光；以及
(f)在通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的所述粒子在所述第二衬底上实现期望曝光效果所需的时间段内维持所述第一衬底、所述模板和所述第二衬底的定位。
11.如权利要求10所述的方法，还包括在所述第二目标衬底上暴露至所发射的粒子之后使用抗蚀剂显影剂去除所选择的抗蚀剂材料以在所述目标衬底上产生蚀刻的沟槽或间隙的图案的步骤。
12.一种用于在待曝光的衬底或晶圆上制造半导体电路、微米级机电器件或纳米级机电器件的光刻系统，包括：
自供电发射极衬底，所述自供电发射极衬底包括配置成以预定的曝光图案连续产生带电粒子的放射性膜；
目标衬底，所述目标衬底包括在暴露至所述带电粒子时将被改性的可改性表面；
其中，当所述目标衬底被曝光时，所述发射极衬底和所述目标衬底设置成彼此非常接近。
13.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述放射性膜产生α粒子。
14.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述放射性膜产生β粒子。
15.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述目标衬底的可改性表面包括当暴露至所述带电粒子时被改性的光致抗蚀剂层。
16.如权利要求12所述的光刻系统，还包括具有限定所述预定的曝光图案的通孔的模板，并且其中所述发射极衬底的带电粒子仅经由所述通孔穿过所述模板。
17.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述目标衬底由玻璃制成。
18.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述目标衬底包括硅晶圆。
19.如权利要求12所述的光刻系统，其中，所述目标衬底由石英制成。
20.一种用于在待曝光的衬底或晶圆上制造半导体电路或纳米级机电器件的光刻系统，包括：
自供电发射极衬底电子发生器，所述自供电发射极衬底电子发生器从放射性同位素薄膜部分以选择的曝光图案连续和自发地发射高能电子；以及
目标衬底，所述目标衬底承载电子敏感光致抗蚀剂。
21.如权利要求20所述的光刻系统，其中，使用纳米模板来掩蔽来自所述发射极衬底的所述电子发射，所述纳米模板图案化有所述选择的曝光图案的通孔并且固定到所述目标衬底。
22.如权利要求21所述的光刻系统，其中，所述纳米模板使用常规电子束光刻来制造。
23.如权利要求21所述的光刻系统，其中，所述发射极衬底适合用于曝光大量晶圆，并且将在超过两年的时间间隔内保持自供电。
24.如权利要求21所述的光刻系统，其中，所述系统用于曝光大量晶圆，而不引起任何额外的成本，从而提供能够在1-100cm2的面积上提供300nm最小特征尺寸的范围内的分辨率的低成本纳米光刻系统。
25.一种使用β同位素发射的电子以曝光大量晶圆的近场光刻方法，包括：
(a)设置目标晶圆；
(b)在所述目标晶圆上设置电子敏感光致抗蚀剂；
(c)设置源载体晶圆；
(d)在所述源载体晶圆上沉积适当的放射性同位素层；
(e)设置纳米模板，所述纳米模板定位于所述放射性同位素层和所述目标晶圆之间，以产生放射性同位素薄膜模板叠层；以及
(f)将所述目标晶圆暴露至自所述模板叠层中的所述放射性同位素自发发射的高能电子，以便曝光承载在所述目标晶圆上的所述电子敏感光致抗蚀剂。
26.如权利要求25所述的方法，其中，步骤e包括：
(e1)沉积厚到足以阻挡所述放射性同位素所发射的β电子的薄的重金属掩蔽层；
(e2)使用电子束光刻将高分辨率图案写到所述重金属掩蔽层上以制造模板；以及
(e3)剥除被曝光的掩蔽层。
27.如权利要求28所述的方法，还包括：
(g)使用所述模板来曝光大量连续的目标晶圆。
28.一种使用近场光刻来制造显示器面板的方法，所述近场光刻利用放射性同位素发射的粒子来曝光在制造固态显示器中使用的衬底，所述方法包括：
(a)设置包括放射性同位素的发射极衬底，所述发射极衬底具有选择的面积；
(b)设置待曝光的目标衬底；所述目标衬底基本是矩形的并且具有基本与所述发射极衬底的选择的面积相同的曝光面积；
(c)设置包括能够阻挡通过放射性衰变从所述第一衬底的所述放射性同位素发射的粒子的材料的模板，所述模板包括限定选择的曝光图案的通孔，其中，将所述模板的曝光图案的大小确定为在所述目标衬底的曝光面积内；
(d)使所述模板定位于所述发射极衬底和待曝光的所述目标衬底之间，当从所述发射极衬底的放射性同位素发射的粒子撞击在所述模板上，穿过所述模板中图案化的通孔，并接着撞击在所述目标衬底上时，所述目标衬底被曝光；
(e)使所述模板和所述目标衬底固定成彼此邻近，以便通过放射性衰变从所述放射性同位素发射的粒子以所述曝光图案选择性地曝光所述目标衬底的部分；以及
(f)在通过放射性衰变从所述放射性同位素发射的所述粒子在所述目标衬底上实现期望曝光效果所需的时间段内维持所述发射极衬底、所述模板和所述目标衬底的定位，以在所述目标衬底上提供被配置用于限定显示器电路的曝光区域，并且其中所述目标衬底上的所述曝光区域限定高达3200mm x 3600nm的矩形。
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