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浅析柔性电子制造技术基础文献综述

　　浅析柔性电子制造技术基础文献综述

浅析柔性电子制造技术基础文献综述_无机薄膜晶体管制备之图形转导读：

柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺

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望金山班级：

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摘要：

晶体管结构制造是IC器件的基础，如今的半导体芯片、电子器件和集成电路向着更高集成度方向发展，而图形转移技术是芯片制造的关键，决定了芯片的最小尺寸。

决定IC特征尺寸大小的关键和瓶颈技术就是其中的光刻环节。

IC特征尺寸的变化与光刻技术的发展关系遵从着著名的摩尔定理。

随着IC特征尺寸的减小，采用的曝光方式从接触式、接近式到投影式；光源从436、365、248nm到193nm;数值孔径从0.35、0.45、0.55、0.60到0.70。

当特征尺寸小于100nm时，离轴照明技术、相移掩模技术、浸没透镜技术等作为目前提高光刻分辨率的新技术正被研究和应用。

为了更进一步提高光刻分辨率，延长光学光刻寿命，新型的光学光刻技术包括x射线、离子束投影、无掩模、电子束投影和电子束直写等已被提出和研究。

本文首先介绍了微纳制造中的传统光刻技术的一般工序，回顾了各阶段主流光刻技术的基本原理和特点。

然后重点介绍了以准分子光刻技术、极紫外光刻、电子束光刻、离子束光刻、Ｘ射线光刻为代表的光学光刻技术的新发展；最后详细地介绍了下一代光刻技术——纳米压印的基本原理和工艺，以及几种典型的纳米压印技术和发展的新型纳米压印技术。

关键词：

IC制造光学光刻纳米压印

1光刻技术

光刻技术是集成电路的关键技术之一，在整个产品制造中是重要的经济影响因子，光刻成本占据了整个制造成本的35％。

光刻也是决定了集成电路按照摩尔定律发展的一个重要原因，如果没有光刻技术的进步，集成电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代，所以说光刻系统的先进程度也就决定了光刻工程的高低。

1.1.光刻技术概述

光刻是在光的作用下，使图像从母版向另一种介质转移的过程。

母版就是光刻版，一种由透光区和不透光区组成的玻璃版。

光刻工艺包括光复印工艺与刻蚀工艺两部分。

光复印工艺是把模板上的几何图形转移到涂在半导体晶体片表面的对辐照敏感的一薄层材料（如光致抗蚀剂、光刻胶）上去的工艺过程。

这些图形确定集成电路的各种区域，如离子注入区，接触孔，压焊区等。

所用光线通常是由水银蒸汽发射的紫外光，含有波长为366,405和436nm的光。

用滤光器选择360nm附近的光谱，也可以是远紫外光（波长300nm）、X射线（波长0.5~5.0nm）或电子束（束点大小100nm）。

为了产生电路图还需要再一次把光刻胶上的图形转移到其下面的组成集成电路器件的各薄层上去，这种图形转移是采用刻蚀工艺完成的。

1.2.传统光刻工艺

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

1、硅片清洗烘干（CleaningandPre-Baking）

方法：

湿法清洗+去离子水冲洗+脱水烘焙（热板150～250C,1～2分345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山钟，氮气保护）。

目的：

a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是六甲基二硅胺（HMDS））。

2、涂底（Priming）

方法：

a、气相成底膜的热板涂底。

六甲基二硅胺（HMDS）蒸气淀积，200～250C，30秒钟；优点：

涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。

缺点：

颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。

目的：

使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。

3、旋转涂胶（Spin-onPRCoating）

方法：

a、静态涂胶（Static）。

硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%，旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。

低速旋转（500rpmrotationperminute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

接受图像的介质称为光刻胶。

光刻胶由三种成分构成：

光敏化合物，基本树脂和合适的有机溶剂。

把数量相当的前两种物质溶于溶剂中，以液态形式保

存，就制得光刻胶。

曝光时，光刻胶的化学结构发生变化。

据变化不同分为正胶和负胶。

正胶发生化学反应，反应生成物可溶。

用水溶性碱溶液显影时，生成物被除去，即曝光区域被除去。

负胶为包含聚乙烯肉桂衍生物或环化橡胶衍生物双键的聚合物。

光敏剂吸收光子的能量形成不溶于显影液三维交链的聚合物。

4、软烘（SoftBaking）

方法：

真空热板，85～120C,30～60秒；

目的：

除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；

5、边缘光刻胶的去除（EBR，EdgeBeadRemoval）

方法：

a、化学的方法（ChemicalEBR）。

软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘处，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（OpticalEBR）。

即硅片边缘曝光（ark），位于切割槽（ScribeLine）上。

另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

7、曝光（Exposure）

方法：

a、接触式曝光（ContactPrinting）。

掩膜板直接与光刻胶层接触。

曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。

缺点：

光刻胶污345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm；b、接近式曝光（ProximityPrinting）。

掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。

可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。

但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。

1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm；c、投影式曝光（ProjectionPrinting）。

在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。

一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。

8、后烘（PEB，PostExposureBaking）

方法：

热板，110～130C，1分钟。

目的：

a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

9、显影（Development）

方法：

a、整盒硅片浸没式显影（BatchDevelopment）。

缺点：

显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（ContinuousSprayDevelopment）/自动旋转显影（Auto-rotationDevelopment）。

一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。

喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑（旋覆浸没）式显影（PuddleDevelopment）。

喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。

硅片固定或慢慢旋转。

10、硬烘（HardBaking）

方法：

热板，100～130C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：

a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（Standing左

右。

随着光刻技术的发展，包括光源、成像透镜、光致抗蚀剂、分步扫描技术以及提345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山高光刻分辨率技术的发展,使光刻极限已推进到目前大多数人认为的0.10μm甚至以下。

图

1介绍了光学光刻发展趋势。

在微电子技术的发展过程中,光刻特征线宽越来越小,硅片直径越来越大,制造成本越来越高。

为了有效的降低光刻成本,大视场i线和深紫外光刻的混合匹配曝光将成为生产线的主流技术。

x-射线、电子束光刻和193nm的ArF,157nm光刻技术混合匹配,将用于21世纪0.10~0.07μm产品的生产制作。

在半导体制造业,在传统光学和深紫外（DUV）方法达到最后的极限后,电子束、离子束、极紫外（EUV）和X射线光刻成为下一代技术热点。

为了寻找下一代光刻NGL（NextGenerationLithography）方法,人们正在不懈地进行着各种方法的尝试。

目前,我们已进入100nm的16G位DRAM器件的生产,器件关键图层的曝光技术已由深紫外光刻（248nm和193nm的ArF,157nm），极紫外光刻和电子束投影光刻承担。

原子光刻将成为一种新型的光刻技术。

表2

介绍了各种光刻的分辨率。

下面重点介绍几种新型光刻技术在微纳制造中应用的现状及展望，主要有准分子光刻技术、极紫外（EUV）光刻技术、电子束光刻（EPL）、离子束（IB）曝光技术、和X射线（XRL）光刻技术。

1.3.1.准分子光刻技术

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，主要包括：

特征尺寸为0.1μｍ的248nmＫｒＦ准分子激光技术；特征尺寸为90nm的193nmArF准分子激光技术；特征尺寸为65nm的193nm，ArF浸没式技术（Immersion,193i）。

其中193nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。

浸没式技术则是将空气换成液体介质，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径（NA），同时可以显著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL），浸没式光刻技术正是利用这个原理来提高其分辨率。

为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上，两次曝光技术（或者叫两次成型技术，DPT）成为人们关注的热点。

在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中，浸没式光刻技术也具有相当大的优势。

浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：

如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题；研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题；研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料；以及有效数值孔径NA值的拓展等问题。

1.3.2.极紫外光刻技术

提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的ＮＡ或缩短波长，通常首先采用的方法是缩短波长。

极紫外光刻技术的光源是波长为11~14nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。

其主要成像原理是光长为10~14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上，通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。

目前EUV技术采用的曝光波长为13.5nm，由于其具有如此短的波长而不需要再使用光学邻近效应校正（OPC）技术，因而它可以把光刻技术扩展到32nm以下技术节点。

2009年9月In第一次向世人展示了22nm工艺晶圆，称继续

使用193nm浸没式光刻技术，并规划与ENV及EBL曝光技术相配合，使193nm浸没式光刻技术延伸到15和11nm工艺节点。

目前EUV光刻技术面临的挑战有：

①研发高功率（大于115IT）已经采用的电子束光刻技术分辨率将推进到9nm。

1.3.4.离子束光刻技术

离子束光刻主要包括聚焦离子束曝光（ＦＩＢ）、离子束溅射光刻（ＩＢＰ）和掩模离子束光刻（ＭＩＢ）。

聚焦离子束技术就是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山纳米结构的无掩模加工。

离子束光刻技术的分辨率同电子束光刻技术一样，远远超过了传统的光刻技术，其分辨率比电子束光刻要低，只能达到80~65nm。

离子束曝光技术的优点是在曝光的同时可以进行刻蚀或者沉积工艺的操作，节省了工艺的操作步骤，简化了工艺流程。

由于离子束光刻技术的生产效率特别低，目前主要应用于特殊掩模的制造以及检验和修复器件的缺陷。

虽然离子束光刻技术已经成功制备了大量微、纳米结构，但近年来由于电子束光刻技术的迅速发展，目前离子束光刻技术的应用和发展还很有限。

1.3.5.Ｘ射线光刻技术

Ｘ射线光刻技术的研究起源于20世纪70年代，由于目前还没能实现Ｘ射线束扫描曝光，所以该技术与接近式光刻技术相似，将Ｘ射线透射过Ｘ射线专用掩模投影在基片表面的光刻胶上实现曝光。

由于Ｘ射线方向性好，穿透能力强（Ｘ射线能穿透绝大多数的材料），所以在需要制造高深宽比的微纳米加工中有其独特的优势，同时掩模上的缺陷被复印到硅片上的可能性不大，工艺宽容度和工艺窗口较宽，大大提高了曝光质量和可靠性。

正因为Ｘ射线光刻技术同时具有高分辨率、大焦深、光刻图形侧壁陡直、较大的曝光窗口以及高产出率的特点和高穿透力光刻的技术优势，未来很可能在高频高速化合物半导体制造业、ＭＥＭＳ技术以及微纳米加工领域中率先获得生产应用，而要将Ｘ射线光刻技术应用于硅基的超大规模集成电路的制造，则有赖于１×１的具有高精度、高密度深亚微米图形的Ｘ射线光刻掩模制造技术的突破。

2纳米压印技术

纳米压印是将具有纳米级尺寸图案的模板在机械力的作用下压到涂有高分子材料的衬底上，进行等比例压印复制图案的工艺。

其实质就是液态聚合物对

模板结构腔体的填充过程和固化后聚合物的脱模过程。

其加工分辨力只与模版图案的特征尺寸有关，而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制。

目前实验室环境下使用NIL技术已经可以制作出线宽在5nm以下的图案。

由于省去了光学光刻掩模板和使用光学成像设备的成本而采用图形复制的加工方法，因此NIL技术具有低成本、高产出的经济优势。

NIL较之现行的投影光刻和其他下一代光刻技术，具有高分辨率、超低成本和高生产率等特点，已被纳入2005版的国际半导体蓝图，并被排在16nm节点。

与传统光刻工艺相比，压印技术不是通过改变抗蚀剂的化学特性实现抗蚀剂的图形化，而是通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化。

纳米压印技术自提出以来，在3种典型传统技术（热压印光刻技术、紫外常温压印光刻技术、微接触压印技术）的基础上不断创新发展并提出了许多新工艺。

2.1.热压印技术

热纳米压印技术（HotEmbossingLithograph，HEL）是指在压力作用下使硬模板上图形转移到已加热到玻璃态的热塑性聚合物中的压印技术，具体工艺如图1所示。

热压印工艺的主要步骤如下：

首先，利用电子束直写技术（EBDW）制作具有纳米尺寸图案的Si或S345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山iO2材料模版，在衬底上均匀涂覆一层热塑性高分子光刻胶（通常以PMMA为主要材料），将衬底上的光刻胶加热到玻璃转换温度（GlassTransferTemperature）以上（110℃），利用机械力将模版压入高温软化的光刻胶层内，并且维持高温、高

压一段时间，使热塑性高分子光刻胶

填充到模版的纳米结构内，待光刻胶

固化成形之后，释放压力并使模版与

衬底脱离。

热压印技术所使用的抗蚀剂为

PMMA与现行电子行业相同，在后续

光刻工艺中不需要重新调配工艺参

数，与现有的微电子工业生产线吻合

性良好，这是该工艺的技术优势。

但是热压印技术需要加热，且压印力很大，

会使整个压印系统产生很大的变形;同时，该工艺采用的是硬质模具，无法消除模具与衬底之间的平行度误差及两平面之间的平面度误差;此外，模板在高温条件下，表面结构或其他热塑性材料会有热膨胀的趋势，这将导致转移图形尺寸的误差且增加了脱模的难度，这也是热固化压印的最大缺点之一。

2.2.紫外光固化纳米压印技术

针对热压印技术由于受热受力产生变形的问题，1999年由美国德克萨斯大学的研究小组提出的透明曝光技术很好地解决了该问题。

该技术与热压印技术相比在压印成形后通过紫外光辐射成形的，大大减少了衬底的变形几率和程度。

紫外光固化纳米压印技术（UltraVioletNanometerImprintLithography，UV－NIL）的主要工艺包含以下几个步骤:

首先要制备高精度的透明掩模板，一般

采用石英（SiO2）作为掩模板材料;在

Si等衬底材料上涂覆一层厚度为400～

500nm的低粘度、流动性好、对紫外

光敏感的光刻胶;低压将模板压在光刻

胶上，使光刻胶填充模板空隙;充分填

充后利用紫外光照射模板背面，使光刻

胶固化;脱模后利用等离子体刻蚀技术

将残留胶去除。

图2为紫外光固化纳米压印技术的工艺流程图。

采用UV紫外光对光敏聚合物抗蚀剂进行固化，在成形过程中，外在机械应力很小，其应力主要产生在固化中的液体收缩上。

另外，这种技术具有自清洁功能，模板上的微小颗粒，在固化过程中被聚合物固联剥离。

紫外固化纳米压印技术与热压印技术相比不需要加热，可在常温下进行，避免了热膨胀因素，也缩短了压印的时间；掩模板透明，易于实现层与层之间对准，层与层之间的对准精度可达到50nm，适合半导体产业的要求。

但紫外固化纳米压印技术设

备昂贵，对工艺和环境的要求也非常高；没有加热的过程，光刻胶中的气泡难以排出，会对细微结构造成缺陷。

2.3.微接触压印技术

微接触压印技术（MicroContactPrinting，μCP）是从纳米压印技术派生出来的另一种技术。

微接触压印是一种在大面积功能材料表面成形的微接触压印技术。

微接触纳米压印技术的工艺流程为:

首先使用聚二345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山甲基硅氧烷（PDMS）等高分子聚合物作为掩模制作材料，采用光学或电子束光刻技术制备掩模板;将掩模板浸泡在含硫醇的试剂中，在模

板上形成一层硫醇膜;再将PDMS

模板压在镀金的衬底上10～20s后

移开，硫醇会与金反应生成自组装的

单分子层SAM，将图形由模板转移到

衬底上。

后续处理工艺可分为两种:

一种是湿法蚀刻，将衬底浸没在氰化

物溶液中，氰化物使未被SAM单分

子层覆盖的金溶解，这样就实现了图

案的转移;另一种是通过金膜上自组装的硫醇单分子层来链接某些有机分子实现自组装。

此方法最小分辨率可以达到35nm，主要用于制造生物传感器和表面性质研究等方面。

图3为微接触纳米压印技术的工艺流程。

微接触纳米压印技术相比较于其他压印技术最大的优势在于模具尺寸大，生产效率高，其使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为压印模具能够有效地解决压印模具和硅片之间的平行度误差以及两者表面的平面度误差的问题。

但是正因为PDMS模具良好的弹性，在将涂于模具表面的硫醇转移到抗蚀剂表面时会发生模具和抗蚀剂之间的相对滑动，导致被转移图型变形和缺损。

2.4.纳米压印技术的发展新进展

自纳米压印技术提出以来，各种创新的NIL工艺的研究陆续开展，最近几年经各国纳米压印学者专家的不断开发完整下，以3

种传统工艺技术为基础在其不同关键领域进行改进，从而又衍生出众多的纳米压印新技术。

金属薄膜直接压印技术是在Si基板上利用离子束溅射技术产生一层Cu、Al和Au等金属薄膜，直接用超高压

在金属薄膜上压印出图案。

但由于压

印所需要的力太大，高达几百MPa，

可能会将基板压坏。

为此对金属压印

进行了改进，在金属薄膜和基板之间

加入一层缓冲层，从而将压印力降低

至原来的1%，只需要2～40MPa。

同时使用尖锐的掩模板，以增强对薄膜的压力，如右图所示。

为了解决纳米压印加热过程影响效率的问题，提出了激光辅助纳米压印技术。

激光辅助压印技术就是用高能准分子激光透过掩模版直接熔融基板，在基板上形成一层熔融层，该熔融层取代传统光刻胶，然后将模板压入熔融层中，待固化后脱模，将图案从掩

模板直接转移到基板之上。

该技术是对热压印固态光刻

胶加热的改进性技术。

据报

道利用激光融化Si基板进

行压印工艺可以实现小于10nm的特征线宽，工艺流程如右图所示。

纳米压印技术大都是不连续的生产工艺过程，难以进行大规模和大面积的生产。

为了进行量产，滚轴式纳米压印

技术得以出现。

滚轴式纳米压印技术有

连续压印、产量高、成本低和系统组成

简单等特点，尤其是对于具有周期性纳

米结构的纳米产品的加工具有很大的优

势。

滚轴式压印现有两种实现工艺:

一

种是将掩模版直接制作到滚轴上，可以

通过直接在金属滚轴上刻蚀

;

一种是利

用弹性掩模套在滚轴上实现，滚轴的转动将图形连续345678910

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山地压入已旋涂好光刻胶

（温度达到玻璃化温度以上）的基板上，滚轴的滚动实现了压入和脱模两个步骤，如图所示。

除此之外，其他的压印技术也都是在传统技术工艺基础上对其中的某些方面进行的改进。

如电磁辅助纳米压印和气压辅助纳米压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进行改进，提高压力作用的均匀性，延长掩模版的使用寿命。

此外还有纳米压印技术，如纳米转移印刷，逆压印技术，光刻诱导自组装印刷技术，静电力辅助印刷技术等新成果。

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柔性电子制造技术基础文献综述-无机薄膜晶体管制备之图形转移工艺-望金山5．

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