对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法 【技术领域】
本发明涉及一种纳米加工技术，尤其涉及一种在薄膜金属材料上通过电子束曝光生成极限纳米图形时针对临近效应的改善方法。
背景技术
半导体、纳米器件技术的发展很大程度上依赖于微纳米加工技术的不断进步。随着电子束曝光技术的普遍采用及不断发展，目前对半导体材料或薄膜金属材料的图形加工能力已经达到纳米量级。电子束曝光无需用到掩膜，可以通过软件设计任意形状的加工图形，使用灵活方便；并且具有极精细的加工能力，目前已经通过该技术得到了10nm的线条。
但对于部分金属材料，特别是Au、Pt等重金属材料，由于其本身电子背散射系数过大，直接对其进行电子束曝光会产生很大的临近效应，大大影响了电子束曝光的图形加工能力，很难得到精细的纳米级图形。即使对于百纳米级的薄膜金属材料，虽然其本身的电子背散射已经大为减小，但是其必须生长在Si、SiO2等衬底材料上，该衬底材料又会引入较大的临近效应，这样整体的临近效应仍然偏大，影响电子束曝光的效果，如图17所示的采用蒙特卡洛模拟50KV电子入射SiO2衬底上100nmAu薄膜的散射示意图。从图中所示可以清楚地看到，该通过电子束曝光在金属薄膜上生成极限纳米图形的过程中，其背散射非常严重，势必造成严重的临近效应，这就制约了薄膜金属材料在极限纳米尺度下的图形生成及深入应用。为此，寻求一种电子束曝光临近效应的改善方法，并将其引入到薄膜金属微观图形生成的技术中来，是当前该行业技术人员致力于探索及研究的一个重要课题。
【发明内容】
鉴于上述现有电子束曝光技术的缺失，本发明的目的旨在提供一种对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，以克服对薄膜金属，尤其是对Au、Pt等重金属薄膜材料采用电子束曝光技术加工极限纳米级所需图形时，受临近效应影响，难于制备部分极限尺度特殊图形的缺陷，突破电子束曝光技术在薄膜金属材料极限纳米图形生成上的技术壁垒。
本发明目的得以实现的技术方案是：
对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中金属薄膜材料生长在(绝缘体上的硅)衬底上，该衬底为层叠状，包括正面的顶层Si、中间的埋层SiO2和背面的底层Si(本学界内该衬底均以SOI指代，故为表述的简洁性，以下部分均以SOI指代该衬底)。由于电子背散射系数随着材料厚度减小而减小，临近效应也相应地降到极低的程度，该针对电子束曝光临近效应的改善方法的主要特征在于：利用SOI衬底中的埋层SiO2作为刻蚀的自停止层，刻蚀得到自支撑的薄膜金属材料，再对该薄膜金属材料进行电子束直写曝光，便得到所需的极限纳米级图形。其方法步骤概括如下：
I、对所述底层Si进行厚度削减及抛光；
II、在所述顶层Si上生长薄膜金属；
III、在所述薄膜金属及底层Si表面覆盖刻蚀阻挡层；
IV、对所述底层Si光刻或结合刻蚀，形成刻蚀窗口；
V、对所述底层Si刻蚀至埋层SiO2，形成基于埋层SiO2的背面深孔与正面薄膜结构；
VI、去除所述薄膜金属及底层Si的刻蚀阻挡层；
VII、在所述薄膜金属涂覆电子束抗蚀剂；并对其进行电子束直写曝光、显影、定影，得到所需的极限纳米级图形。
更进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中该SOI的顶层Si与埋层SiO2的总厚度小于2微米。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤II之前，还包括一将顶层Si刻蚀至埋层SiO2，去除顶层Si的可选步骤。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤I中该底层Si的厚度削减及抛光是利用化学机械研磨、纯物理打磨或其它相关手段之一的方式进行加工的。并且其削减的厚度由步骤II和步骤IV中的刻蚀阻挡层的取材种类及刻蚀方式决定。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤III中该覆盖刻蚀阻挡层是指利用等离子增强化学气相外延生长或热氧化SiO2层，或直接涂覆光刻胶。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤IV中该底层Si形成刻蚀窗口的大小与在薄膜金属上加工的图形面积相对应，其形成方式为通过光刻直接去除窗口区域内光刻胶类型地刻蚀阻挡层，或结合干法刻蚀、湿法刻蚀去除窗口区域内SiO2类型的刻蚀阻挡层。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤V中采用深硅ICP刻蚀或湿法腐蚀的方式，并利用埋层SiO2的刻蚀自停止性，形成基于埋层SiO2的背面深孔与正面薄膜结构。
进一步地，前述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其中步骤VII中采用的电子束抗蚀剂包括PMMA、HSQ、ZEP520或其他类似材料的其中之一；且该电子束直写曝光的加速电压高于30KV。
本发明所阐述对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法，其应用实施的有益效果体现在：
采用对SOI面向所需图形生成区域的背面进行深度刻蚀的预制备工艺，极大地降低了电子临近效应的不利影响，使得对薄膜金属材料进行电子束曝光生成极限纳米图形所受临近效应影响降至最低，进而为在薄膜金属材料上通过电子束曝光生成极限纳米级图形提供了一种实施简便、图形精度高且成本低廉的改善性保障。
以下结合实施例及其流程附图、实验数据图表，对本发明对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法作进一步非限制性的详细说明。
【附图说明】
图1～图8是本发明一实施例各步骤的工艺结构示意图；
图9～图16是本发明另一实施例各步骤的工艺结构示意图；
图17是采用蒙特卡洛模拟50KV电子入射SiO2衬底上100nmAu薄膜的散射示意图；
图18是采用蒙特卡洛模拟50KV电子入射1微米SiO2薄膜上100nmAu薄膜的散射示意图；
图19是本发明电子束曝光临近效应的改善方法流程图。
【具体实施方式】
实施例一
如图1至图8并结合图19所示，是本发明改善方法在SOI衬底上薄膜金属材料加工纳米图形的电子束曝光各步骤工艺结构示意图和制程流程图。由这些附图可见：该电子束曝光技术所应用的衬底结构为绝缘体上的硅(SOI)，其截面为层叠状结构，包括正面的顶层Si、中间的埋层SiO2和背面的底层Si，其中顶层Si与埋层SiO2的总厚度小于2微米。而通过CMP方式，削减、抛光后的SOI衬底背面底层Si的厚度取值可介于100～150微米之间(如图1所示)，其厚度的实际取值取决于该电子束曝光方法所采用的刻蚀阻挡层与刻蚀方式。
完成背面削减、抛光处理后的SOI衬底，在其顶层Si上生长需要生成纳米图形的Au薄膜金属(如图2所示)，再通过常规的热氧化或者等离子增强化学气相外延生长(PECVD)的方式，在其正反面上分别生长一层厚度约为1微米且致密度越高越好的SiO2刻蚀阻挡层(如图3所示)，主要用于在后续刻蚀工序中保护SOI衬底不被意外破坏。紧接着，便是对SOI衬底背面的底层Si通过光刻结合干法刻蚀，去除窗口区域内的SiO2刻蚀阻挡层，形成背面的刻蚀窗口(如图4所示)。该刻蚀窗口的大小取决于在顶层Si上所需加工图形的面积，一般在数百平方微米范围内。
刻蚀窗口的形成后，以SiO2刻蚀阻挡层作为掩膜，对该SOI衬底通过深硅ICP方式刻蚀背孔，直至SOI衬底的埋层SiO2(如图5所示)。此时，利用SiO2与Si之间很高的刻蚀选择比，将该埋层SiO2作为刻蚀的自停止层，获得较大的工艺容差，形成基于埋层SiO2的背面深孔与正面薄膜结构。
继而，通过湿法腐蚀方式去除SOI衬底正反表面剩余的SiO2刻蚀阻挡层(如图6所示)，并在其正面涂覆高分辨率的电子束抗蚀剂(如图7所示)。其中该湿法腐蚀方式为常规技术，只要各种使SiO2刻蚀阻挡层从SOI衬底上脱离的试液均可利用；另外，该电子束抗蚀剂可以包括PMMA、HSQ、ZEP520或其他类似材料的其中之一。
完成上述预先制备工序后，便可对该SOI衬底上的薄膜金属进行电子束直写曝光、显影、定影。如图7所示，对图形生成区域，即与背面深孔对应的正面薄膜金属进行电子束直写曝光。曝光完成后，再对抗蚀剂进行常规的显影、定影处理，便可以得到所需的极限纳米级图形(如图8所示)。
实施例二
如图9至图16并结合图19所示，是本发明改善方法另一实施方式在SOI衬底上薄膜金属材料加工纳米图形的电子束曝光各步骤工艺结构示意图和制程流程图。由这些附图可见：该电子束曝光技术所应用的衬底结构仍为绝缘体上的硅(SOI)，其截面为层叠状结构，包括正面的顶层Si、中间的埋层SiO2和背面的底层Si，其中顶层Si与埋层SiO2的总厚度小于2微米。而通过CMP方式，削减、抛光后的SOI衬底背面底层Si的厚度取值可介于100～150微米之间(如图1所示)，其厚度的实际取值取决于该电子束曝光方法所采用的刻蚀阻挡层的取材种类及刻蚀方式。
完成背面削减、抛光处理后的SOI衬底，先通过ICP刻蚀去除其顶层Si(如图9所示)，并在埋层SiO2上溅射生成100nm的Au薄膜(如图10所示)，再通过常规的热氧化或者等离子增强化学气相外延生长(PECVD)的方式，在其正反面上分别生长一层厚度约为1微米且致密度越高越好的SiO2刻蚀阻挡层(如图11所示)，主要用于在后续刻蚀工序中保护SOI衬底不被意外破坏。紧接着，便是对SOI衬底背面的底层Si通过光刻结合干法刻蚀，去除窗口区域内的SiO2刻蚀阻挡层，形成背面的刻蚀窗口(如图12所示)。该刻蚀窗口的大小取决于在顶层Si上所需加工图形的面积，一般在数百平方微米范围内。
刻蚀窗口的形成后，以SiO2刻蚀阻挡层作为掩膜，对该SOI衬底通过深硅ICP方式刻蚀背孔，直至SOI衬底的埋层SiO2(如图13所示)。此时，利用SiO2与Si之间很高的刻蚀选择比，将该埋层SiO2作为刻蚀的自停止层，获得较大的工艺容差，形成基于埋层SiO2的背面深孔与正面薄膜结构。
继而，通过湿法腐蚀方式去除SOI衬底正反表面剩余的SiO2刻蚀阻挡层(如图14所示)，并在其正面涂覆高分辨率的电子束抗蚀剂(如图15所示)。其中该湿法腐蚀方式为常规技术，只要各种使SiO2刻蚀阻挡层从SOI衬底上脱离的试液均可利用；另外，该电子束抗蚀剂可以包括PMMA、HSQ、ZEP520或其他类似材料的其中之一。
完成上述预先制备工序后，便可对该SOI衬底上的薄膜金属进行电子束直写曝光、显影、定影。如图15所示，对图形生成区域，即与背面深孔对应的正面薄膜金属进行电子束直写曝光。曝光完成后，再对抗蚀剂进行常规的显影、定影处理，便可以得到所需的极限纳米级图形(如图16所示)。
如图18所示，是采用蒙特卡洛模拟50KV电子入射1微米SiO2薄膜上100nmAu薄膜的散射示意图。较之于背景技术中以SiO2为衬底的情况(如图17所示)，其电子束直写曝光的背散射强度已明显降低。
除上述两个具体实施例各步骤所采取的制程手段外，本发明改善方法还可以通过其它不同的制程方式或手段来达到同样的目的。举例来说：对SOI衬底背面的底层Si进行削减、抛光的方式除了上述的化学机械研磨方式外，还可以是纯物理打磨的方式；对于刻蚀阻挡层的选用，除上述的SiO2外，也可以是光刻胶；对于不同类型的刻蚀阻挡层，其刻蚀窗口的形成及刻蚀阻挡层的去除方式也分别具有针对的多样性，除上述对SiO2的光刻结合干法刻蚀外，还可以结合湿法刻蚀等。
综上所述，对本发明对薄膜金属材料上电子束曝光临近效应的改善方法的示例性详细介绍。旨在加深对本发明实质及有益效果的理解。并非以此限制其多样性的实施方式及申请保护范围，因此但凡对于上述实施例进行的简单修改及等效替换，能够实现与本发明相同的创作目的的技术方案，均应归入本专利请求保护的范围之内。