CN104681427B

CN104681427B - 并行电子束、离子束蚀刻工艺及装置

Info

Publication number: CN104681427B
Application number: CN201510037979.4A
Authority: CN
Inventors: 胡小龙; 顾超; 朱晓田; 程宇豪
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2018-08-10
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104681427A

Abstract

本发明涉及纳米加工领域，为实现并行电子束蚀刻系统以及并行离子束蚀刻系统，加快曝光速度，减小曝光时间，增加产量，降低成本。另外，系统本身的成本也有望低于一般扫描电子束蚀刻系统，为此，本发明采取的技术方案是，一种并行电子束、离子束蚀刻工艺，包括如下流程：(1)准备模板，模板材料采用刚性薄膜；(2)将模板转移到附有蚀刻胶的基底上；(3)将样品放入真空室中，将真空室中气压抽至设定值以下，开始对模板及蚀刻胶进行一定时间的电子束或者离子束曝光；(4)电子束或离子束蚀刻后移走模板，模板可重复利用，蚀刻胶原来的暴露部分性质改变；(5)显影，洗掉性质改变的胶，得到需要图形。本发明主要应用于纳米加工场合。

Description

并行电子束、离子束蚀刻工艺及装置

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体讲，涉及并行电子束、离子束蚀刻工艺。

技术背景

扫描电子束、离子束蚀刻系统(scanning-electron(ion)-beam-lithographysystem)无疑是纳米加工领域最核心的设备之一。扫描电子束、离子束蚀刻系统将人在计算机上设计的图形“写”入电子束蚀刻胶，从而改变胶的性状，再通过后续显影，将设计的图形转移到胶上。扫描电子束、离子束蚀刻在技术上可以达到很高的空间分辨率(10nm以下)，是纳米器件加工和制作精细的光刻模板不可或缺的设备。

扫描电子束蚀刻和扫描离子束蚀刻技术都存在一个重要的问题：从本质上讲，该技术是一种串行技术，每一个图形都是由电子束或者离子束通过逐点扫描“写入”蚀刻胶，好像用笔在纸上书写。作为类比，光刻技术是一种并行的技术，每一个图形是由透过模板的光一次性写入光刻胶，就好像复印机复印。串行的蚀刻技术速度慢，因此对复杂图形的曝光时间非常长，产量低且成本高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，实现并行电子束蚀刻系统以及并行离子束蚀刻系统，加快曝光速度，减小曝光时间，增加产量，降低成本。另外，系统本身的成本也有望低于一般扫描电子束蚀刻系统，为此，本发明采取的技术方案是，一种并行电子束、离子束蚀刻工艺，包括如下流程：(1)准备模板，模板材料采用刚性薄膜；(2)将模板转移到附有蚀刻胶的基底上；(3)将样品放入真空室中，将真空室中气压抽至设定值以下，开始对模板及蚀刻胶进行一定时间的电子束或者离子束曝光；(4)电子束或离子束蚀刻后移走模板，模板可重复利用，蚀刻胶原来的暴露部分性质改变；(5)显影，洗掉性质改变的胶，得到需要图形。

模板制作流程：(1)将电子束曝光胶附在模板材料上，然后对模板材料进行电子束或离子束刻蚀；(2)移除电子曝光胶，将模板材料暴露出来，此时模板材料已被刻蚀成需要的形状；(3)从模板材料镂空处向下滴入氢氟酸溶液，逐渐溶解掉模板材料下面的二氧化硅薄膜，使二氧化硅薄膜在中间形成凹陷，方便后续将模板材料中心部分取出；(4)用聚二甲基硅氧烷探针将模板材料中心部分即模板轻轻取出。

刚性薄膜厚度大约在200nm左右，为硅薄膜或者氮化硅薄膜；蚀刻胶可选正或负胶，厚度在100nm左右，并选择蚀刻胶对应种类的显影液；基底为SiO₂基底。

电子束、离子束进行电磁透镜聚焦，串行刻蚀。

模板材料上有四个弱连接的矩孔，两个矩孔相距最近顶点之间的距离为10μm或以下，从弱连接矩孔滴入氢氟酸溶液；探针长度在30mm左右，距探针头部100μm处，附有聚二甲基硅氧烷球状粘附物。

一种并行电子束、离子束蚀刻装置，包括置于真空室中的如下部件：(1)电子枪或者离子枪；(2)加速电极；(3)样品台；(4)计时器；(5)电子束流测量装置；电子枪发射的发散电子束能够覆盖整个样品；样品台用于放置样品，电子枪发射的发散电子束投射、覆盖整个样品；计时器，用于计时并控制曝光时间；电子束流测量装置用于测量电子束流，即电子束流面密度。

电子枪或者离子枪的加速电压应该在1kV～100kV连续可调；离子枪离子为氦离子、氖离子、氩离子中的一种。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

在本发明中，只有第一步制作模板为串行过程，而后的电子束曝光是并行过程。整体进程类似于光刻，是并行的。因而本发明可以大大提高电子束以及离子(氦离子、氖离子、氩离子)束曝光进程的效率。

附图说明

图1：并行电子束刻蚀的基本方案过程图示。

图2：并行电子束曝光所用模板的制作流程图示。

图3：电子束曝光真空室图示。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：一种基于并行电子束、离子束刻蚀方法，其特征在于，对模板处理包括如下步骤：

1)首先是电子束、离子束刻蚀模板的材料选择，模板材料可以选用硅薄膜、氮化硅薄膜或其它刚性薄膜。

2)电子束、离子束刻蚀模板的加工流程，包括：

(1)将电子束曝光胶附在硅薄膜上，上面有四个弱连接的矩孔，然后硅薄膜进行电子束或离子束刻蚀；

(2)移除电子曝光胶，将硅薄膜暴露出来，此时硅薄膜已被刻蚀成需要的形状；

(3)从硅薄膜镂空处向下滴入氢氟酸溶液，逐渐溶解掉硅片下面的二氧化硅薄膜，使二氧化硅薄膜在中间形成凹陷，方便后续将硅薄膜中心部分取出；

(4)用聚二甲基硅氧烷探针将硅薄膜中心部分(模板)轻轻取出。

3)将制作好的模板移到附有电子束曝光胶的基底上，证将模板放在样品工作区域，且保证工作区域处在电子束曝光范围内。

步骤1)所述的薄膜为刚性薄膜，厚度大约在200nm左右。

刚性薄膜，其长度、宽度根据需要曝光的图形区域大小而定。

步骤2)中第(1)步所述的电子束曝光胶可选正或负胶；第(1)步所述的弱连接矩孔为4个，最短相差距离为10μm或以下；第(1)步对硅薄膜进行刻蚀需要对电子束、离子束进行电磁透镜聚焦，串行刻蚀。第(2)步移除电子束曝光胶一般用到显影液，种类由正或负曝光胶决定。第(3)步中，滴入氟化氢(HF)溶液4滴分别从四个弱连接矩孔滴下。第(3)步中所述二氧化硅薄膜的腐蚀情况，再分别在四个矩孔逐滴滴入。第(4)步中所述基底为SiO₂基底。第(4)步中所述工作区域为将进行图形曝光的区域。

所述最短相差距离，为每两个矩孔相距最近顶点之间的距离。第(4)步中所述聚二甲基硅氧烷探针，探针长度在30mm左右，距探针头部100μm处，附有聚二甲基硅氧烷球状粘附物。

一种并行电子束、离子束蚀刻装置，需要包括如下核心部件：(1)电子枪或者离子枪；(2)加速电极；(3)样品台；(4)计时器；(5)电子束流测量装置。将模板覆盖在涂有电子束、离子束曝光胶的样品上，在真空室中进行曝光并显影。

所述的电子束、离子束曝光胶，其厚度在100nm左右，保证覆盖所述的工作区域。

真空室的真空度应高于10^-5托。

电子枪或离子枪发射的电子或离子为发散的，不需电磁透镜聚焦。

子枪或离子枪发射的电子或离子为发散的，且束流可以覆盖整个样品。

加速电极的加速电压在1kV～100kV连续可调。

样品台用于放置样品，且尺寸足够放置样品。

计时器用于计时并控制曝光时间，确保刻蚀的有效性。

电子束流测量装置用于测量电子束流，即电子束流面密度。

所述电子束流测量装置，其测量的电子束流面密度可作为所述计时器曝光时间设置的参考标准。

为了提高样品工作区域单位面积内电子或离子束流的能量，可以考虑加大电流以增加单位面积束流密度。电流越大，曝光时间可以越短。

电流不能过大，否则会伤害样品。控制合适电流。

不仅适用于电子束曝光，也适用于氦离子、氖离子、氩离子对电子束胶进行曝光。

并行电子束蚀刻系统的总体技术方案为：用纳米加工的方法加工含有图形的模板，将模板放置在已经附有电子束蚀刻胶的基底上；在真空室中用电子枪发射分散成平面(而不是汇聚)的电子束，电子束根据模板上的图形对电子束蚀刻胶进行选择性曝光；移走模板，可以重复使用；对电子束蚀刻胶进行显影。总体技术方案如图1所示。

图1并行电子束、离子束蚀刻系统工艺流程。(1)准备模板，材料可以采用硅薄膜或者氮化硅薄膜等。模板镂空处宽度可做到几十纳米，厚度为200nm左右；(2)将模板转移到附有蚀刻胶的基底上；(3)将样品放入真空室中，将真空室中气压抽至设定值以下，开始一定时间的电子束或者离子束曝光；(4)电子束蚀刻后移走模板(模板可重复利用)，蚀刻胶原来的暴露部分性质改变；(5)、显影，洗掉性质改变的胶，得到需要图形。

下面对总体技术方案中每一个步骤进行详细阐述：

加工准备模板：

模板材料可以选用硅薄膜、氮化硅薄膜或其它刚性薄膜。模板的加工过程如下图所示。

图2模板制作流程。(1)将电子束曝光胶附在硅片上，上面有四个弱连接的矩孔，然后硅片进行电子束或离子束刻蚀；(2)移除电子曝光胶，将硅片暴露出来，此时硅片已被刻蚀成需要的形状；(3)从硅片镂空处向下滴入氢氟酸溶液，逐渐溶解掉硅片下面的二氧化硅薄膜，使二氧化硅薄膜在中间形成凹陷，方便后续将硅片中心部分取出；(4)用聚二甲基硅氧烷探针将硅片中心部分(模板)轻轻取出。

将制作好的模板移到附有电子束曝光胶的基底上：

保证将模板放在样品工作区域，且保证工作区域处在电子束曝光范围内。

并行电子束、离子束曝光：

下面着重对该设备(发明)进行描述。如图3所示，整个设备采用一个真空室，真空度应高于10^-5托。整个设备包括如下几个核心部件：(1)电子枪或者离子枪；(2)加速电极；(3)样品台；(4)计时器；(5)电子束流测量装置。

图3电子束曝光真空室示意图。真空室中包括电子枪、电子加速器、计时器及样品台等部件。样品放在样品台中央，保证电子束可以覆盖样品上待处理区域。

(1)电子枪发射的发散电子束能够覆盖整个样品，电子枪的加速电压应该在1kV～100kV连续可调。(2)样品台用于放置样品，为保持良好真空度，真空腔可附带进样室。(3)计时器，用于计时并控制曝光时间。(4)电子束流测量装置用于测量电子束流，即电子束流面密度。

将样品放入真空室，抽真空，根据电子束胶应有的剂量和所测电子束流面密度进行定时曝光。

移走模板，该模板可重复使用。

显影。

该项发明适用于电子束曝光，也适用于氦离子、氖离子、氩离子对电子束胶进行曝光。在装置和实施步骤上与以上描述方案相似。

模板的加工应该在100级以上的超净间中按照技术方案中所描述步骤进行。模板制作过程采用串行电子束刻蚀，在取下模板时，采用聚二甲基硅氧烷探针将模板中心部分轻轻取出(由于周围镂空处是弱连接所以比较容易取出)。该探针是依靠附在探针上的柔性材料与模板结合时由形变和粘连产生的应力将模板取出。模板制作好后可封存，等到加工所需样品室，模板可重复利用。

一般电子束或离子束刻蚀系统中，电子或离子枪枪发射出来的束流经加速电极加速和电磁透镜聚焦，使电子束或离子束在样品工作区域汇聚在一点，依靠高能束流对样品进行逐行刻蚀。区别以往的技术，在并行电子束、离子束刻蚀系统中，并不需要电磁透镜将束流聚焦，只需将束流加速即可。同时，为了提高样品工作区域内单位面积电子或离子束流的能量，可以考虑加大电流以增加单位面积束流密度。电流越大，曝光时间可以越短。但电流过大可能会伤害到样品，因此控制合适的电流十分重要。电流大小可以通过连接在电子枪上的束流测量装置观察。

设备多个部件可购买商用部件，然后进行组装调试。

Claims

1.一种并行电子束、离子束蚀刻工艺，其特征是，包括如下流程：(1)准备模板，模板材料采用刚性薄膜；(2)将模板转移到附有蚀刻胶的基底上；(3)将样品放入真空室中，将真空室中气压抽至设定值以下，开始对模板及蚀刻胶进行一定时间的电子束或者离子束曝光；(4)电子束或离子束蚀刻后移走模板，模板可重复利用，蚀刻胶原来的暴露部分性质改变；(5)显影，洗掉性质改变的蚀刻胶，得到需要图形；其中，模板制作流程为串行过程，具体地：(1)将电子束曝光胶附在模板材料上，然后对模板材料进行电子束或离子束刻蚀；(2)移除电子束曝光胶，将模板材料暴露出来，此时模板材料已被刻蚀成需要的形状；(3)从模板材料镂空处向下滴入氢氟酸溶液，溶解掉模板材料下面的二氧化硅薄膜，使二氧化硅薄膜在中间形成凹陷，方便后续将模板材料中心部分取出；(4)用聚二甲基硅氧烷探针将模板材料中心部分即模板取出。

2.如权利要求1所述的并行电子束、离子束蚀刻工艺，其特征是，刚性薄膜厚度为200nm，为硅薄膜或者氮化硅薄膜；蚀刻胶可选正或负胶，厚度为100nm，并选择蚀刻胶对应种类的显影液；基底为SiO₂基底。

3.如权利要求1所述的并行电子束、离子束蚀刻工艺，其特征是，制作模板时，电子束、离子束进行电磁透镜聚焦，串行刻蚀。

4.如权利要求2所述的并行电子束、离子束蚀刻工艺，其特征是，模板材料上有四个弱连接的矩孔，两个矩孔相距最近顶点之间的距离为10μm或以下，从矩孔滴入氢氟酸溶液；探针长度为30mm，距探针头部100μm处，附有聚二甲基硅氧烷球状粘附物。

5.一种并行电子束、离子束蚀刻装置，其特征是，包括置于真空室中的如下核心部件：(1)电子枪或者离子枪；(2)加速电极；(3)样品台；(4)计时器；(5)电子束流测量装置；电子枪发射的发散电子束能够覆盖整个样品；样品台用于放置样品，电子枪发射的发散电子束投射、覆盖整个样品；计时器，用于计时并控制曝光时间；电子束流测量装置用于测量电子束流，即电子束流面密度。

6.如权利要求5所述的并行电子束、离子束蚀刻装置，其特征是，电子枪或者离子枪的加速电压在1kV～100kV连续可调；离子枪离子为氦离子、氖离子、氩离子中的一种。