CN1971845A

CN1971845A - 一种利用原子力显微镜的套刻对准方法及装置

Info

Publication number: CN1971845A
Application number: CNA2006101648888A
Authority: CN
Inventors: 李晓娜; 韩立
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: CN100541708C

Abstract

一种利用原子力显微镜的套刻对准方法及装置，其方法包括以下步骤：(1)在第一层图形写入的同时写入套刻对准标记；(2)在第二层图形刻写之前对其工作区域扫描成像，根据扫描成像的结果对第二层图形结构的坐标进行修正；(3)以修正后的图形坐标刻写第二层图形结构；(4)多层图形结构的坐标均依据原子力显微镜扫描结果进行修正，从而完成套刻加工。应用上述套刻对准方法的装置，包括以压电陶瓷闭环定位系统作为扫描器的原子力显微镜、光学观测镜、机械调节平台与电压开关电路[8]，电压开关电路[8]控制加工电压。本发明利用原子力显微镜自身的成像功能与压电陶瓷闭环定位系统[5]进行测量与定位，在不引进复杂的高精度光学对准设备的条件下可实现高精度的套刻加工。

Description

一种利用原子力显微镜的套刻对准方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用原子力显微镜进行多层图形结构加工的半导体加工方法和装置，特别涉及基于原子力显微镜AFM(Atomic Force Microscope)刻蚀技术的套刻对准方法及装置。

背景技术

基于原子力显微镜的刻蚀技术是利用原子力显微镜的探针与样品之间的相互作用来实现样品表面微细结构制造的半导体加工技术，具备高精度的加工分辨力。三维集成电路与微系统器件设计的发展要求进行多层图形结构的加工，不同层图形之间的套刻对准技术是基于原子力显微镜的半导体加工的关键技术之一。基于AFM的刻蚀技术能够实现纳米级尺寸的高精度刻蚀，但是由于其扫描范围小、速度慢的缺点，目前尚不能应用于大规模集成电路的制造，在小于100×100μm的小范围内进行多层图形结构的加工，要求高精度的套刻对准技术。基于原子力显微镜的套刻对准技术，其关键在于原子力显微镜的重新定位。目前广泛使用的重新定位方法主要依靠光学测量系统和机械定位系统。中国专利200410011339.8 “基于原子力显微镜的重新定位方法”公开了一种利用光学测量系统和机械定位系统进行原子力显微镜重新定位的方法，其缺陷在于对准精度低，不适用于纳米级的半导体加工工艺。现有依靠光学测量系统和机械定位系统的重新定位方法存在着其自身的局限性。一方面，光学的衍射极限在理论上限制了光学系统在纳米级图形结构测量中的应用，另一方面，高精度的光学测量系统与机械定位系统结构复杂，其设备与原子力显微镜设备不兼容。现有的重定位方法主要是针对利用原子力显微镜进行观测而设计的，未考虑到在原子力显微镜刻蚀技术中对加工过程进行控制的装置。基于AFM的微细加工技术的发展需要新型的与AFM设备兼容的高精度重新定位方法与装置以实现套刻对准技术。

发明内容

本发明针对现有技术中对准精度低、对准设备结构复杂的缺陷，提供了一种基于原子力显微术与压电陶瓷闭环定位系统的套刻对准方法及装置。本发明可有效地利用原子力显微镜本身的成像能力进行高精度的测量，通过压电陶瓷闭环定位系统进行精确定位，能够克服光学对准系统的衍射极限限制，兼顾对准系统与加工系统的设备兼容性，实现高精度套刻对准。

本发明方法如下：

基于原子力显微镜刻蚀技术的套刻对准方法，包含以下几个步骤：

(1)利用原子力显微镜刻蚀技术在制作第一层图形的同时制作套刻对准标记，计算机记录对准标记相对于该工作区域的坐标值；

(2)将探针移出工作区域进行制备第二层图形的准备，再通过原子力显微镜自身配备的低分辨率光学观测系统与低精度机械调节系统将探针移至工作区域内；

(3)利用原子力显微镜的成像功能，在制备第二层图形之前，对此时的工作区域进行扫描，计算机记录对准标记相对于此时的工作区域的坐标值；

(4)通过计算机对原子力显微镜测量得到的对准标记坐标值与原记录的对准标记坐标值之间的差值进行计算，得到位移、角度的补偿值；

(5)利用该补偿值修正第二层图形的坐标，通过压电陶瓷闭环定位系统，按照修正后的坐标，精确控制第二层图形的刻蚀；

(6)对于多于两层的图形结构的制造，利用所述套刻对准标记，逐层按照步骤(2)(3)(4)(5)进行刻写，实现多层图形结构的高精度套刻。

所述原子力显微镜刻蚀技术为基于AFM的电场诱导氧化法。

所述步骤(1)中的套刻对准标记为工作区域内专门用于层与层之间图形对准的图形结构，采用“X”字形图形标记以得到显著形貌特征与高分辨率；同一工作区域内使用三个“X”字形图形标记，以确定工作区域坐标系。

所述低精度光学观测系统采用原子力显微镜自身配备的光学显微镜，分辨率为1.5μm。

所述低精度机械调节系统采用原子力显微镜自身配备的用于调节样品与探针之间相对位置的机械设备，精度可以在10μm至50μm之间。

本发明的技术效果如下：

由于本发明的套刻对准方法，采用基于AFM的电场诱导氧化法进行纳米级微细结构的制造，通过控制针尖与样品之间的电压，能够及时准确地实现加工过程与成像过程之间的切换，使得原子力显微镜的成像过程不会对加工过程发生干扰，因此能够直接用于样品表面形貌的测量，而原子力显微图能够达到纳米级的测量精度(水平方向1nm，竖直方向0.1nm)，从而保证了套刻对准标记坐标的测量精度，为实现高精度的套刻加工奠定了基础。

由于使用原子力显微镜系统自身的成像功能，不需要额外的光学对准设备，实现了系统设备的兼容性，避免了复杂的高精度光学对准系统的设备与原子力显微镜系统设备的不匹配，有利于节省设备投入，充分有效地利用设备资源。

由于使用原子力显微镜测量得到的显微图作为套刻对准的依据，测量精度超越了光学衍射极限的限制，其测量分辨力在水平方向和竖直方向都有显著的提高，使得套刻标记的图形信号分辨率提高，从而保证了多层图形套刻过程的实现。

由于套刻标记与第一层图形同时由原子力显微镜刻蚀技术制作，套刻标记的加工精度与图形的加工精度相同，氧化线结构的高度相似，保证了套刻标记的形貌特征能够充分的体现在原子力显微图中，有利于得到高分辨率的套刻标记图形信号。

由于使用的原子力显微镜配备有闭环的压电扫描器，采用压电陶瓷的闭环定位系统能够实现在大于50×50μm范围内的高精度定位与重定位，保证了图形结构能够按照设计的图形坐标实现高精度刻蚀。

由于使用了原子力显微镜配备的低分辨率的光学观测系统和低精度的机械调节系统，使得套刻对准方法在不需要额外对准设备的基础上，实现了大范围内的低精度定位。低精度定位在高精度定位之前完成，使得原子力显微镜的成像区域能够覆盖对准标记所在位置，为实现套刻对准提供依据，克服了原子力显微镜刻蚀技术中作用范围小的缺陷，保证了套刻对准方法的实用性。

应用本发明方法的装置包括使用压电陶瓷闭环定位系统作为扫描器的原子力显微镜、光学观测镜、机械调节平台与电压开关电路。其中电压开关电路是以实现基于AFM的电场诱导加工技术为目的而设计的，控制加工电压的专门部件。利用控制计算机的数字信号控制该电压开关电路，以实现原子力显微镜针尖与样品之间的电压控制。当电压开关电路输出高电位电压信号时，原子力显微镜探针的针尖与样品之间存在10v左右的正电压，在该电压的诱导下，在样品表面针尖周围局部区域内，实现样品表面氧化。而当电压开关电路输出电压为低电位电压信号，原子力显微镜探针的针尖与样品之间的电压接近0v，此时样品表面不发生氧化反应，原子力显微镜探针不改变样品表面的性质。通过以上的控制，当探针移过不需要进行氧化的位置时，使开关电路输出低电位电压信号，而在需要加工的位置，使开关电路输出高电位电压信号，结合压电陶瓷闭环定位系统的定位系统控制原子力显微镜的探针在样品表面上的相对移动，能够在指定的位置上进行纳米级氧化物结构的制造。

原子力显微镜包含激光器、带有扫描探针的悬梁、平面镜、光电检测器，样品台，AFM控制箱，压电陶瓷扫描器与控制计算机。

所述压电陶瓷扫描器为压电陶瓷闭环定位系统，扫描范围大于50×50μm。

所述光学观测镜与机械调节平台为原子力显微镜的辅助设备。光学观测镜位于原子力显微镜中样品台的侧上方，使样品台位于光学观测镜的观测范围内。机械调节平台位于样品台与压电陶瓷扫描器之下，进行低精度大范围的位置调节，精度为10μm至50μm之间。

所述电压开关电路可位于AFM控制箱之内，亦可独立于AFM控制箱之外，其与样品台有公共接地电位，由直流稳压电路与场效应管组成。输入的阶跃信号由控制计算机提供并控制，输出的电压信号与导电探针相连接，用以实现对探针与样品之间的电压的控制，从而实现对于原子力显微镜的加工过程的控制。

综上所述，依据本发明的精神实质与基本的技术构思，可以得到一个完整的基于AFM刻蚀技术的套刻对准方法与装置，通过本发明能够实现多层图形的高精度的套刻对准，同时节省了设备投入，充分利用了资源。

附图说明

图1本发明装置结构示意图，图中：1激光器，2带有扫描探针的悬梁，3平面镜，4光电检测器，5压电陶瓷闭环定位系统，6样品台，7AFM控制箱，8电压开关电路，9控制计算机，10光学观测镜，11机械调节平台；

图2电压开关电路的电路图，图中12直流稳压电路板，13场效应管；

图3a本发明方法第一步骤示意图，图中M1、M2、M3为套刻标记；

图3b本发明方法第二步骤示意图，图中区域14第二层图形刻写前原子力显微镜的扫描区域，区域15第一层图形刻写时的工作区域，图形16由原子力显微镜加工制作的第一层图形；

图3c本发明方法完成两层图形结构的制作后的工作区域14的示意图。图中17通过坐标修正后套刻于设计位置的具有双层图形结构的图形。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明：

图1本发明装置结构示意图。如图1所示，本发明装置由以下几个部分构成：激光器1，带有导电探针的悬梁2，平面镜3，光电检测器4，样品台6，压电陶瓷闭环定位系统5，机械调节平台11，光学观测镜10，AFM控制箱7，控制计算机9，电压开关电路8。除电压开关电路8以外的装置为原子力显微镜系统基本结构。

激光器1位于悬梁2之上，激光经由悬梁2反射通过平面镜3的反射调整光路由光电检测器4接收，通过AFM控制箱7对压电陶瓷闭环定位系统5在竖直方向上的运动进行控制，样品台6紧固于压电陶瓷闭环定位系统5之上，与压电陶瓷闭环系统5同步运动，压电陶瓷闭环定位系统5在竖直方向上的位移量检测值输入控制计算机9，用以生成扫描测量的结果，即原子力显微图，同时由控制计算机9直接对压电陶瓷闭环定位系统5在水平方向的运动进行控制，机械调节平台11位于压电陶瓷闭环定位系统5之下，用来进行大范围内的低精度定位，光学观测镜10位于样品台6的侧上方，在不遮挡激光束的前提下，使样品台6位于光学观测镜10的观测范围内，配合机械调节平台11，用以实现大范围内的低精度定位。

独立于AFM控制箱7之外的电压开关电路8的电路结构如图2所示。其中直流稳压电路12在本实例中利用稳压管LM317实现。直流稳压电路12的输入端与15v直流电压连接，直流稳压电路12的调节端与R₁和R₂相连接，通过对R₁和R₂的阻值进行调节得到直流稳压电路12的输出电压，直流稳压电路12的输出端与分压电阻串连后与场效应管13的漏级D相连接，场效应管13的源级S接地，场效应管的栅极G与计算机控制信号V_in相连接(V_in为电压阶跃信号)，场效应管13的漏级D通过负载电阻引出输出电压信号V_out，该信号通过场效应管13受控于V_in并连接到导电探针上，使得导电探针与样品之间存在电位差，在大气环境下，实现对于样品表面的阳极诱导氧化加工。

原子力显微镜的扫描探针为镀有W₂C的导电探针，样品为n型Si100，导电率为10Ωcm，压电陶瓷扫描器5为带有闭环反馈系统的压电陶瓷定位系统，其扫描最大范围为100×100μm，，光学观测镜为数字CCD，其发大倍率为100，分辨率为1.5μm，机械调节平台11定位精度为10μm。加工过程中，保持样品与探针之间的作用力反馈环，样品接地，探针上加负电压，在大气环境中，针尖与样品表面发生阳极诱导氧化反应，生成SiO₂图形结构。

如图3所示，为本发明套刻对准方法示意图，其实施过程包括以下几个步骤：

步骤1、标记16为设计的拥有两层图形结构的图形中的第一层图形。将对准标记与图形16，按照设计的坐标同时刻蚀在工作区域内，本实例中使用三个“X”字型标记M1、M2、M3作为对准标记，三个标记的交点的坐标m₁(X₁，Y₁)、m₂(X₂，Y₂)、m₃(X₃，Y₃)组成直角三角形，如图3a所示。利用控制计算机记录此时交点的坐标值。

步骤2、解除探针与样品之间的作用力反馈环，利用机械调节平台将样品移动，使探针完全离开原工作区域。利用光学观测镜10与机械调节平台11移动样品，使得探针返回到原工作区域内进行扫描，此时的扫描区域即为如图2b中14所示的区域，图3b中15所示的区域为原工作区域，套刻对准标记M1、M2、M3的三个交点相对于区域14的坐标分别为m₁′(x₁，y₁)、m₂′(x₂，y₂)、m₃′(x₃，y₃)。由于区域14同时也为第二层图形的写入区域，因此需要依据区域14与区域15的偏差量，对第二层图形的坐标加以修正。其偏差量包含位移偏差与角度偏差，依据套刻对准标记交点相对坐标进行如下计算：

\{\begin{matrix} x_{offset} = \frac{X_{1} + X_{2} + X_{3}}{3} \cos θ - \frac{Y_{1} + Y_{2} + Y_{3}}{3} \sin θ - \frac{{x_{1}}^{'} + {x_{2}}^{'} + {x_{3}}^{'}}{3} \\ Y_{offset} = \frac{X_{1} + X_{2} + X_{3}}{3} \sin θ + \frac{Y_{1} + Y_{2} + Y_{3}}{3} \cos θ - \frac{{y_{1}}^{'} + {y_{2}}^{'} + {y_{3}}^{'}}{3} \\ θ = \arctan \frac{{y_{2}}^{'} - {y_{1}}^{'}}{{x_{2}}^{'} - {x_{1}}^{'}} - \arctan \frac{Y_{2} - Y_{1}}{X_{2} - X_{1}} \end{matrix}

其中，X_offset、Y_offset为位移偏差，θ为角度偏差。

利用该补偿值对第二层图形坐标进行如下修正：

\{\begin{matrix} X' = X \cos θ - Y \sin θ - X_{offset} \\ Y' = X \sin θ + Y \cos θ - Y_{offset} \end{matrix}

其中，X、Y为修正前第二层图形的坐标，X′、Y为修正后第二层图形的坐标。

步骤3、按照该补偿值修正后得到第二层图形的坐标，通过压电陶瓷闭环定位系统，精确控制第二层图形的刻蚀，在工作区域中写入图形结构，完成第二层图形的套刻加工，如图3c中所示，标记17为具有两层图形结构的图形，该图形包含第一层图形16。通过对于第二层图形坐标的修正，在工作区域中完成了具有两层图形结构的图形17的加工。

为了进行对准精度的测量，实例中加工的图形结构17为一组游标，其主游标为第一层图形16，其副游标为第二层图形。实验结果证明，本发明能够简便有效地实现对准精度为30nm的套刻加工。

Claims

1、一种利用原子力显微镜的套刻对准方法，其特征在于包含以下几个步骤：

(5)利用该补偿值修正第二层图形的坐标，通过压电陶瓷闭环定位系统，按照修正后的坐标，精确控制第二层图形的刻写；

2、应用权利要求1所述的利用原子力显微镜的套刻对准方法的装置，包括激光器[1]，带有导电探针的悬梁[2]，平面镜[3]，光电检测器[4]，样品台[6]，压电陶瓷闭环定位系统[7]，机械调节平台[11]，光学观测镜[10]，AFM控制箱[5]，控制计算机[9]，电压开关电路[8]，其特征在于利用电压开关电路[8]对加工电压进行控制；该电路由直流稳压电路与场效应管构成，直流稳压电路输出端通过分压电阻与场效应管的漏级相连接，场效应管的漏级作为开关电路的输出端，场效应管的源级接地，场效应管的栅极与控制计算机的数字信号相连接，作为开关电路的输入端；电压开关电路[8]与样品台具有公共的接地电位，电压输出端与原子力探针具有相同电位。