亞波長分辨光刻介質(zhì)特性與光刻方法研究.pdf

1、光刻技術(shù)是集成電路小型化以及研究微觀量子世界的重要基礎(chǔ)之一，它已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)制備微電子器件、光電子器件的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)有的亞波長光刻技術(shù)存在著諸如設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、產(chǎn)出低等限制。本論文以亞波長分辨光刻介質(zhì)及光刻方法為研究主線。主要開展了365nmLED光源設(shè)計及其在光刻中的應(yīng)用，亞波長分辨光刻介質(zhì)特性，表面等離子體、導(dǎo)模干涉刻寫亞波長光柵等研究工作。本論文發(fā)展的半高全寬10nm的365nm紫外LED光源光刻技術(shù)，可實現(xiàn)低成本、高效、

2、節(jié)能、環(huán)保的微納尺度光學(xué)刻寫;開展的X AR-N7700/30型商用光刻膠、新型氰基偶氮苯共聚物薄膜光刻特性的研究，為表面等離子體、導(dǎo)模干涉等亞波長光刻奠定了基礎(chǔ);首次提出的導(dǎo)模干涉亞波長光刻技術(shù)，具有無掩模和低成本的優(yōu)勢，可實現(xiàn)大面積亞波長光柵的刻寫，光柵周期可通過光刻膠厚度、激發(fā)的電磁模式進(jìn)行有效調(diào)控。用自制的偶氮苯聚合物做新型亞波長光刻介質(zhì)，工藝簡單，刻寫結(jié)果可擦除和重構(gòu)。本論文的研究工作在微納尺度光刻，特別是亞波長光柵制備方面具

3、有重要意義。
　　 具體研究內(nèi)容如下:
　　 1.優(yōu)化設(shè)計了4×4平面排布的365nmLED點(diǎn)光源陣列和透鏡組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了工作距離處的曝光面輻照分布均勻的面光源。利用優(yōu)化的半高全寬10nm的365nm LED面光源進(jìn)行了接觸式曝光光刻實驗，得到了與掩模板圖形一致的光刻圖形。
　　 2.用365nm波段光源曝光，利用SEM、臺階儀、AFM和橢偏儀等實驗，研究了商用亞波長分辨化學(xué)放大負(fù)膠X AR-N7700/30的化

4、學(xué)、物理特性。光刻膠未曝光部分和曝光部分的顯影速度分別為23.15nm/s和1.85nm/s。在115℃、5分鐘的后烘條件和未稀釋的顯影液顯影條件下，光刻膠的對比度高達(dá)2.38。未稀釋的光刻膠，其薄膜厚度在260-450nm之間，70％和50％質(zhì)量濃度的光刻膠，薄膜厚度分別在150-210nm及90-150nm之間。質(zhì)量濃度為30％時，光刻膠薄膜厚度在45-80nm。分別用325nm、442nm激光光源雙光束干涉刻寫了一維光柵。測量了氰

5、基偶氮苯聚合物薄膜的吸收光譜和折射率。分別用442nm、532nm激光光源雙光束干涉刻寫了氰基偶氮苯共聚物表面起伏光柵。
　　 3.提出了基于棱鏡、折射率匹配油、襯底、金屬薄膜、光刻膠、空氣多層結(jié)構(gòu)的SPs、導(dǎo)模干涉光刻結(jié)構(gòu)。有效避免了匹配油對光刻膠的污染問題。當(dāng)光刻膠厚度小于臨界厚度時，可有效激發(fā)SPs干涉刻寫亞波長光柵。當(dāng)光刻膠厚度大于臨界厚度時，可激發(fā)導(dǎo)模干涉刻寫亞波長光柵。TM、TE偏振光均可激發(fā)導(dǎo)波模式，且激發(fā)導(dǎo)波模式

6、時，光場主要分布在光刻膠層。TM1、TE0導(dǎo)波模式干涉可刻寫單層亞波長光柵，高階導(dǎo)模干涉則可刻寫多層亞波長光柵。這種光刻結(jié)構(gòu)刻寫的亞波長光柵的周期可通過光刻膠的厚度、激發(fā)的電磁模式等進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，具有無掩模和低成本的優(yōu)勢。
　　 4.用氰基偶氮苯共聚合物做新型光刻介質(zhì)。優(yōu)化設(shè)計光刻結(jié)構(gòu)參數(shù)和光路，利用532nm激光、442nm激光激發(fā)金屬銀膜、偶氮苯聚合物薄膜和空氣多層結(jié)構(gòu)中的SPs、導(dǎo)模干涉光場，成功實現(xiàn)大面積亞波長偶氮苯聚合

7、物表面起伏光柵的刻寫。532nm激光激發(fā)刻寫時，在55nm厚度的聚合物薄膜條件下，刻寫得到了周期190nm，特征尺寸95nm(小于激發(fā)光波長的1/5)的亞波長光柵。在165nm、343nm厚度的聚合物薄膜條件下，分別激發(fā)TE0、 TM1導(dǎo)模干涉，刻寫了特征尺寸分別為108nm、103nm的亞波長光柵;442nm激光激發(fā)多層結(jié)構(gòu)中的SPs、導(dǎo)模干涉刻寫時，在17nm的偶氮苯聚合物薄膜條件下，激發(fā)SPs干涉刻寫的亞波長表面起伏光柵的特征尺寸

8、為90nm。在100nm、208nm厚度的聚合物薄膜情況下，分別激發(fā)TE0、 TM1模式干涉光刻，刻寫出的亞波長光柵的特征尺寸分別為95nm和94nm。由于聚合物對442nm波段光的吸收高于532nm波段光，442nm光激發(fā)SPs、導(dǎo)模干涉刻寫的亞波長光柵的均勻性優(yōu)于532nm光激發(fā)刻寫的。激發(fā)SPs模式時，光場最強(qiáng)部分分布在金屬和偶氮苯聚合物薄膜界面，所需曝光時間相對較長。而激發(fā)導(dǎo)模干涉光刻時，光場最強(qiáng)部分在偶氮苯聚合物薄膜層，故導(dǎo)模

9、干涉光刻時間可有效減少，且刻寫的光柵均勻性優(yōu)于SPs干涉刻寫的。用有限元方法計算了多層結(jié)構(gòu)中的光場分布和刻寫光柵的周期，模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。使用偶氮苯聚合物薄膜做新型的亞波長光刻介質(zhì)，具有工藝簡單、刻寫結(jié)果可擦除和重構(gòu)等優(yōu)勢。
　　 5.用532nm激光有效調(diào)制了氰基偶氮苯聚合物薄膜對365nmLED光的吸收。當(dāng)在聚合物薄膜表面滴涂銀Ag納米立方體時，由于局域表面等離子體誘導(dǎo)的場增強(qiáng)效應(yīng)，在相同的532nm激光條件下，吸

10、收調(diào)制度明顯高于沒有納米立方體的情形。討論了有望開展的基于銀納米立方體增強(qiáng)吸收調(diào)制的超分辨光刻研究。
　　 本論文的特色和主要創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　 1.優(yōu)化設(shè)計了365nmLED點(diǎn)光源陣列和透鏡組的空間排布，實現(xiàn)了工作距離處的曝光面輻照分布均勻的面光源。利用優(yōu)化的半高全寬10nm的365nm LED面光源進(jìn)行了接觸式曝光光刻實驗，得到的光刻圖形與掩模板圖形一致。該LED光源可實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本的微納光學(xué)刻寫。

11、r>　　 2.首次提出了導(dǎo)模干涉亞波長光刻技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)大面積亞波長光柵的刻寫。當(dāng)光刻膠厚度小于臨界厚度時，可激發(fā)SPs干涉刻寫亞波長光柵，大于臨界厚度時，可激發(fā)導(dǎo)模干涉刻寫亞波長光柵。TM1、TE0導(dǎo)模干涉刻寫單層亞波長光柵，高階導(dǎo)模干涉可刻寫多層亞波長光柵。提出的光刻結(jié)構(gòu)刻寫的亞波長光柵的周期可通過光刻膠的厚度、激發(fā)的電磁模式等進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，具有無掩模和低成本的優(yōu)勢。
　　 3.用偶氮苯聚合物做新型亞波長光刻介質(zhì)，利用