本文關鍵詞：微納系統(tǒng)電子束光刻關鍵技術及相關機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：電子束光刻技術在微納系統(tǒng)的集成電路光掩模制造領域具有不可替代的作用,是推動微納系統(tǒng)特征尺寸不斷降低的關鍵技術,同時也是納米電子學、納米光學以及半導體量子結(jié)構(gòu)制作等科學研究領域中不可或缺的加工手段。電子束光刻技術的性能不僅依賴于電子光學系統(tǒng)的狀態(tài)、環(huán)境溫度、空間磁場等外部條件,而且當工藝節(jié)點深入到百納米級及以下時,工藝條件的控制也變得至關重要。例如絕緣襯底電荷積累問題的影響加劇了電子束直寫圖形掃描場拼接的誤差;高高寬比納米結(jié)構(gòu)的粘連和坍塌現(xiàn)象制約了后續(xù)的刻蝕工藝;由于電子散射產(chǎn)生的電子束曝光鄰近效應限制了電子束直寫的有效圖形分辨率、圖形結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度下降。為了有效地提高電子束光刻的加工精度和圖形生成質(zhì)量,本文對電子束光刻中的關鍵工藝技術及其相關機理進行了系統(tǒng)地研究。本論文從電子束光刻中的三個關鍵技術問題,即絕緣襯底的電荷積累、高高寬比抗蝕劑圖形的坍塌及粘連、鄰近效應影響圖形分辨率,進行了詳細論述,以PMMA,HSQ,SX AR-P 6200抗蝕劑為實驗材料,研究了電子束光刻技術中影響抗蝕劑圖形質(zhì)量的因素,并探討了問題產(chǎn)生機理及解決方法,通過理化分析手段對其進行了表征;開展了實驗方法及工藝流程的設計,解決了關鍵工藝技術問題;通過建立電荷積累、高高寬比抗蝕劑圖形坍塌及粘連、襯底中電子散射三種模型,以旋涂導電膠、電磁波加熱及工藝優(yōu)化與軟件仿真相結(jié)合的方法解決相應問題。分別以三種抗蝕劑的納米結(jié)構(gòu)為檢測對象,進行了性能測試分析,同時對其曝光機理進行了探討。主要的工作內(nèi)容如下:1.系統(tǒng)地總結(jié)了納米電子束光刻中存在的各種關鍵工藝技術難點,并根據(jù)大量工藝實驗結(jié)果分析了各工藝技術問題產(chǎn)生的原因,提出了相應的解決思路。2.針對電子束在絕緣襯底上所產(chǎn)生的電荷積累,以及在絕緣體襯底上孤立金屬膜圖形仍然無法疏導周邊絕緣體表面電荷積累影響的問題,通過仿真分析其產(chǎn)生機理,建立物理模型,并提出一種在電子抗蝕劑表面旋涂一層富含導電微粒的水溶性導電膠疏散電子束直寫所產(chǎn)生的積累電荷的方法。通過實驗驗證,該方法可以有效地抑制了直接在絕緣體襯底上或者非導電介質(zhì)膜上進行電子束曝光時積累電荷排斥電子束的現(xiàn)象,取得理想的效果。3.深入地探討了高高寬比抗蝕劑圖形由于水的表面張力所導致的粘連及坍塌機理,提出了電子束曝光顯影后直接通過電磁波加熱去離子水進行干燥的方法。該方法是利用水分子在電磁波交變電場的作用下不斷加速產(chǎn)生劇烈運動的機理,使去離子水在交變的電磁場環(huán)境下升溫,分子間的氫鍵斷裂,促使水分子團簇減小,降低水的表面張力。從實驗結(jié)果可以看出,這一方法干燥顯影后的高高寬比抗蝕劑圖形取得良好效果。4.通過Monte Carlo模擬和曝光實驗,從工藝條件、電子光學系統(tǒng)等方面分析了電子束曝光鄰近效應產(chǎn)生的機制及主要影響電子束鄰近效應校正前散射和背散射的因素。結(jié)合典型版圖的制作,探討了采用計算機軟件模擬與曝光實驗相結(jié)合進行鄰近效應劑量調(diào)制校正的方法及過程,并對實驗與模擬結(jié)果在校正前后的圖形質(zhì)量進行了分析和對比,確定了最優(yōu)工藝流程。研究結(jié)果表明:在電子抗蝕劑表面旋涂導電膠,可以有效緩解電荷積累產(chǎn)生的場拼接誤差并保證套刻精度;電磁波加熱干燥顯影后的高高寬比抗蝕劑結(jié)構(gòu)圖形,可以成功獲取高260nm、寬16nm的光刻膠線條組和直徑為20nm的光刻膠柱形陣列;通過預先優(yōu)化工藝條件并結(jié)合軟件校正的方法,抗蝕劑圖形結(jié)構(gòu)質(zhì)量得到明顯改善。
【關鍵詞】：微納系統(tǒng) 電子束光刻 電荷積累 高高寬比 鄰近效應
【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN305.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 課題背景及意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢17-29
• 1.2.1 微納機電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及趨勢17-19
• 1.2.2 光刻技術工藝現(xiàn)狀及趨勢19-22
• 1.2.3 電子束光刻工藝現(xiàn)狀及趨勢22-26
• 1.2.4 電子束光刻技術的關鍵工藝問題現(xiàn)狀及趨勢26-29
• 1.3 課題來源及主要研究內(nèi)容29-31
• 1.3.1 課題來源29
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容29-31
• 第2章 電子束光刻的基本理論與關鍵技術分析31-45
• 2.1 電子束曝光系統(tǒng)的分析31-34
• 2.1.1 電子束曝光系統(tǒng)的分類31-32
• 2.1.2 電子束曝光系統(tǒng)的組成32-34
• 2.2 電子抗蝕劑的分析34-42
• 2.2.1 電子抗蝕劑的分類34-36
• 2.2.2 正性電子抗蝕劑的性能分析36-39
• 2.2.3 負性電子抗蝕劑的性能分析39-42
• 2.3 電子束光刻技術的工藝問題分析42-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 第3章 電荷積累的產(chǎn)生機理及導電膠抑制的研究45-61
• 3.1 絕緣襯底對電子束光刻的影響45-47
• 3.1.1 問題提出45
• 3.1.2 電荷積累產(chǎn)生的影響45-47
• 3.2 電荷積累機理分析及模型構(gòu)建47-51
• 3.2.1 測試圖形的偏移分析48-49
• 3.2.2 圖形偏移的物理模型構(gòu)建49-51
• 3.3 可溶性導電膠抑制電荷積累的研究51-60
• 3.3.1 可溶性導電膠的特性分析51-52
• 3.3.2 實驗過程與方法52-54
• 3.3.3 測試結(jié)果與分析54-60
• 3.4 本章小結(jié)60-61
• 第4章 電磁波熱效應抑制圖形坍塌與粘連的研究61-79
• 4.1 圖形坍塌及粘連的機理61-65
• 4.1.1 問題提出61-62
• 4.1.2 去離子水的表面張力62-63
• 4.1.3 去離子水誘發(fā)圖形坍塌及粘連的機理63-65
• 4.2 抗蝕劑圖形的實驗65-71
• 4.2.1 高高寬比HSQ抗蝕劑圖形的實驗設計與儀器制造65-68
• 4.2.2 圖形坍塌和粘連的實驗結(jié)果68-71
• 4.3 電磁波熱效應干燥機理及抑制效果分析71-78
• 4.3.1 電磁波激勵產(chǎn)生交變電場的參數(shù)設計71-73
• 4.3.2 電磁波的熱效應干燥機理73-76
• 4.3.3 電磁波熱效應的抑制效果分析76-78
• 4.4 本章小結(jié)78-79
• 第5章 電子束光刻中鄰近效應的校正方法及優(yōu)化79-103
• 5.1 電子束光刻中鄰近效應的產(chǎn)生機理與校正函數(shù)優(yōu)化79-85
• 5.1.1 問題提出79-80
• 5.1.2 鄰近效應的產(chǎn)生機理80-81
• 5.1.3 鄰近效應校正函數(shù)的優(yōu)化構(gòu)建81-85
• 5.2 電子束曝光鄰近效應的實驗現(xiàn)象分析85-91
• 5.2.1 曝光鄰近效應的電子運行軌跡模擬仿真85-89
• 5.2.2 鄰近效應的實驗現(xiàn)象分析89-91
• 5.3 電子束曝光鄰近效應的校正方法及結(jié)果分析91-102
• 5.3.1 工藝校正方法及效果分析92-96
• 5.3.2 非工藝校正方法及效果分析96-102
• 5.4 本章小結(jié)102-103
• 結(jié)論103-105
• 參考文獻105-116
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文116-118
• 致謝118

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本文編號：264377