常温压印光刻研究 - 文章

常温压印光刻研究

作者：刘红忠丁玉成洪军卢秉恒李涤尘李寒松

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摘要：针对追求低成本和更小特征尺寸的现代集成电路造业发展的要求，提出了常温下压印光刻工艺。它采用模具转换工艺实现高生成效率的大模具压印；采用基于紫外线光固化的方式实现常温压印，消除由温度变化而导致的材料热变形及定位误差；采用低粘度、高光敏性抗蚀剂作为图形转换媒介；采用双环伺服控制系统实现高精度定位及压印动态过程的控制要求。常温压印光刻工艺的研究结果表明，它的低成本和微尺寸复型的极大潜力的优势是下一代集成电路光刻工艺强有力的接替者。
关键词：集成电路，紫外线，压印，光刻

前言

目前，国际IC制造的主流工艺是光学光刻技术，但由于光学光刻的极限已导致国际半导体制造设备厂家和学术界已将资源投注于NGL(Next Generation Lithography)原理研究和现有NGL储备技术的工业化。现有的NGL主要包括：157nm DUV+PSM、电子束投影刻蚀技术、X射线投射刻蚀、13nmEUV刻蚀、离子束投射刻蚀及无掩模刻蚀制造等。这些技术面临着如高性能束源的研制、超数值孔径和高透射率光学透镜的制造、高透射率掩模材料的研制、对极高环境状态的要求以及解决这些技术问题和配套设备所需付出的高额代价等问题[1~3]。为避开这些技术难点，降低高额费用，借鉴在光盘制造和全息防伪标记制造中已成功应用的压印技术将产生一条全新的技术路线。它的主要吸引力在于低廉的成本和特征尺寸复制可达6nm的极高潜力。针对目前IC光刻技术所存在的问题和我国目前的集成电路发展水平，本文论述了一种创新的IC制造工艺路线：常温压印光刻技术，简称IL (Imprint Lithography)。虽然国际上在IC光刻技术中已经提出IL技术，但这种方式大都是指HEL (Hot Embossing Lithography)。由于HEL要加热降低抗蚀剂粘度，但热源将会导致机构的热变形使光刻精度和套刻精度的丧失，采用IL将完全解决HEL所面临的问题[4][5]。当然，对压印光刻工艺的研究、抗蚀剂材料的选择、固化方式的选择、压印机构的设计和高精度定位控制策略的制定也是IL所要面临和要解决的技术问题。

1 IL工艺的制定

IL工艺过程从总体上分为模具制造和压印生产。图1所示，模具制造由模板基材的制备、小模板的制造和大模板的产生三个部分组成。压印生产包括基片清洗、抗蚀剂涂铺、压印、等离子刻蚀和渗杂、沉积等。整个工艺过程不仅可以取代现有IC光刻工艺环节，而且可以实现与现有IC制造工艺的良好接口，从而避免了现有IC制造工艺的改变和大量资金的注入。

图1 冷压印刻蚀工艺原理

为顺利地将压印工艺应用到IC的光刻工艺中，模具的制造是首先要解决的问题，同时又是IC制造的瓶颈。原因是，在小模具上生成高质量的纳米级图形，较好的方式是电子束直写和用扫描探针显微镜直接在模版上刻划。这两种方式的缺点都是效率低，所以母板不可能做得太大 (一般10×10~25×25mm或更小)。使用这样小的模具进行压印，模版中所容纳的单元芯片数太少，明显不适用于批量生成。所以，用小模具向大模具转换是解决这一矛盾的方式，也是这一工艺的创新之一。图2就为小模版翻制大模版的工艺过程。一般小模版只能容纳一个芯片图形或一个芯片组的图形信息，而对于φ300mm的硅片，可布满上千个芯片单元或芯片组。我们选用φ50mm的大模版，上面可以分布20~25个芯片单元或芯片组，使后续压印光刻效率提高20~25倍。图2a是大模版翻制过程中的剖面图，通过分布压印的技术将小模版的图形转移至大模版上。转换的具体过程是，图形首先转移到通过旋转涂铺方式在大模版基片上形成的抗蚀剂膜上，再通过等离子刻蚀和对残留抗蚀剂清洗的工艺过程最终生成大模版。图2b为小模版在大模版上进行分布式压印的二自由度运行过程。

图2 小模版翻制大模版

整个IL工艺过程中，最关键的工艺环节就是模版生成和压印光刻工艺。实际上大模版的生成过程又包含了压印技术。与HEL相比，IL是常温压印工艺，整个工艺过程的实现都是在常温下进行，抗蚀剂的固化与HEL通过降低温度来实现是有根本区别的。IL采用的固化方式是紫外光固化，所以模版基材采用透光率高的石英玻璃。这也是IL工艺的一个创新之处。同时也消除了由于温度变化而造成的硅片及机构热膨胀，从而导致定位精度丧失，失去重复定位和多层压印的基准的严重后果。当然，IL也带来了光固化材料的选取和冷压印工艺分析研究等相应的技术问题。

2 IL工艺分析

IL压印工艺与小模版翻制大模版的工艺基本相同，不同的地方在于压印面积的不同，基材所用材料的不同。模版翻制过程所用的材料都是石英玻璃，而IL过程为硅片。IL过程中，抗蚀剂是图形转移的中间媒介，抗蚀剂的粘度系数、收缩率和弹性系数以及光固化时间等参数直接决定着压印后抗蚀剂薄膜的残留厚度、压印速度和最终压印质量。IL所选用的抗蚀剂为高分子光敏固化树脂，为了达到要求的涂铺均匀性、复型分辨率和精度以及固化脱膜性等，该抗蚀剂在性能上应具有高感光速度、低粘度系数及尽可能小的弹性形变和固化收缩率。基于以上条件，对于压印过程的动态分析就可以采用流体静力学的方式进行进一步的研究。

为了研究方便，压印过程可简化为图3所示的最简模型。其中，s为压印面积，W为模版图形凹槽宽度，D为凹槽深度，h(t)为抗蚀剂厚度。假设模版与基底之间完全平行，两个接触面完全平整无波浪起伏，忽略压印时的表面张力和毛细现象，认为抗蚀剂在整个压印过程中为不能压缩的Newtonian流体。根据Navier-Stokes方程，压印过程的受力分析、留膜厚度和压印时间如式(1)，(2)，(3)所示。

式中：F为压印时施加的力，tf为压印时间，η为抗蚀剂粘度，p为压印时的有效压强，h0为压印前抗蚀剂的厚度，hr为压印后残留抗蚀剂的厚度，hs为压印模版的槽深，v为压印速度。从式(1)，(2)，(3)可以得出：要使hr越小，F要越大，且抗蚀剂的粘度系数η要越小越好；同时，压印时间与粘度系数η的关系也是η越小越好，且有效压强p越小越好。实际中，模版图形如图2所示，相对于图3来说，图形的凸凹数量远不止一个，而且特征尺寸是非周期的。在压印过程中，压印特性的主要变化集中在有效压强的变化上。这是因为，模版凹槽的特征尺寸不一样，抗蚀剂的填充速度和时间也不是一个常量。这直接影响了压印过程中有效压强的变化，使得有效压强成为变量。当有效压强变化时，压印过程中的整个力学过程也发生变化，使得过程中的压力、速度、时间和抗蚀剂薄膜的减薄速度的关系都发生变化。因此，复杂的压印过程控制又是整个IL一个技术难点，同时也是IL的一个技术创新。

图3 压印过程分析

有了压印动态过程的力学、速度和时间的分析，为了保证IL超高精度的微复型性能，纳米级定位和重复定位以及定位的检测环节如：激光干涉仪和光栅对准构成的双环高精度定位反馈环节的技术研究就是IL的又一个技术难点和创新点。

3 IL高精度定位分析

IL超高精度定位系统如图4，图4a为纳米定位双伺服控制系统框图。系统由宏、微两级驱动来实现IL超高精度定位。宏驱动采用行程为100mm，步进精度为1μm，满行程直线度小于1μm的直线电机完成。实时检测由激光干涉仪实现，并且构成系统的反馈环节。微驱动采用行程为60μm，步进精度为1nm的压电陶瓷致动器。微驱动环节采用Exact Model Matching (EMM) 控制策略，使得线性度误差小于3％。同时，微驱动的满行程检测采用摩尔条纹空间放大的定位对准系统，如图4b所示。在分布式压印过程中，母版与硅片上都预刻有对准标记，标记的形式为光栅条纹。在对准过程中，光栅条纹经过激光的照射，产生摩尔条纹，实现空间放大，将微位移的变化量转变为光能的变化，再通过PD接收器实现对准信号的采集和转换，最终对准误差小于30nm。。实际中，母版采用两组52.5μm和50.0μm且方向不同的光栅阵列，硅片采用10.0μm和10.5μm且方向不同的光栅阵列。

图4 IL超高精度定位系统

IL宏微两级行程L为10μm的控制结果如图5所示，图5a为宏微两级的切换过程，可看出采用PID控制策略的宏驱动在L达到9μm时，由控制策略动态切换算法将现有控制方式转变为EMM控制策略的变化过程。图5b就为稳定后的微驱动控制动态过程，明显看出稳定后的定位误差在8nm以内，这也是整个系统的定位精度指标。

(a) 宏微两级驱动的切换过程 (b) 微驱动过程中的局部响应
图5 宏微两级控制

以上研究结果的另一个基础就是整体机构的设计。实际中，为消除材料热膨胀、机构运动部件之间的摩擦等因素而产生的误差，整体机构从机架到压印驱动部件上采用热变形系数很小的铟钢，使整体机构的热变形应力场分布一致，相互抵消。同时，超净室温度变化也控制在±0.5℃。另外，系统微定位平台采用柔性绞链机构，实现无间隙和无摩擦驱动，消除由于摩擦产生的误差。

4 结语

基于以上研究结果，对不同特征尺寸图形所做的压印实验有0.5μm的光盘凸凹图形，0.35μm的集成电路图形，0.1μm的平行线条和空十字图形，结果如图6。图6a~6d的结果都是由日本Keyence公司显微设备在3000倍放大条件下观察得到的。可看出IL的微复型质量好，保真度高。这一论断也可以通过美国DI公司的原子力显微镜进行三维形貌测试进一步证实。如图6e就为0.35μm集成电路的复制结果，复制图形的凸凹界限分明，图形完整。另外说明，图中的尖峰突起非压印结果所致，是芯片受环境污染，灰尘颗粒所致。所以，由以上结果可以说，IL的工艺先进，微复型的潜力空间巨大，与集成电路前后端的接口基本匹配，对集成电路制造的整体工艺无需大的改造。另外更重要的一点是，IL的开发应用在资金投入量较其它光刻工艺相比呈指数下降。故IL成为IC领域NGL的可能性与日俱增。

图6 不同特征尺寸的压印结果

参考文献
[1] S.Y.Chou, Chris Kelmel. Ultrafast and Direct Imprint of Nanostructures in Silicon [J]. Nature, 2002, 417(20): 835-838
[2] R.A.Lawes. Future Trends in High Resolution Lithography [J]. Applied Surface Science 2000, 154: 519-526.
[3] Cohen Pinsky. Advanced Lithography Alternatives for IC Fabrication Below 0.1µm [J], Microelectronic Engineering, 2001,41: 19-25.
[4] T.Balley, B.J.Choi. Step & Replicate Imprint Lithography for Microdevice Fabrication with 100nm Template [J]. IEEE Trans on Semiconductor Manufacturing, 2001, 3(14): 651-658.
[5] T.Ito, S.Okazaki. Pushing the limits of lithography [J]. Science, 2000, 406: 1027-1031.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2005)


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