基本介紹
- 中文名：軟X射線
- 外文名：Soft X-ray
- 領域：光學
- 範疇：X-射線
- 範圍：1～10埃
- 相關名詞：γ射線
簡介,發展背景,軟X射線投影光刻系統,軟X射線投影光刻關鍵技術研究現狀,光源技術,軟X射線微縮投影光學系統,反射式掩模,軟X射線多層膜技術,光刻膠技術,我國的軟X射線投影光刻關鍵技術的進展,軟X射線雷射電漿光源,軟X射線多層膜技術,浮法拋光超光滑表面加工技術,軟X射線正入射成像系統,
簡介
發展背景
軟X射線投影光刻技術是現有可見-近紫外投影光刻技術向軟X射線波段(1～30nm)的延伸。但是，由於此波段任何材料的折射率均接近於1，而且吸收較大，微縮投影光學系統必須採用反射系統，而單層膜反射鏡對正入射軟X 射線的反射率幾乎為零，無法利用其組成正入射系統。70年代後，隨著超光滑表面加工技術和超薄膜製備技術的不斷提高，目前人們製備的13nm Mo/Si多層膜反射率已接近70%，這使人們利用多層膜反射鏡集成軟X射線投影光刻系統成為可能。
軟X射線投影光刻系統
由圖所示，未來軟X射線投影光刻設備由雷射電漿光源、照明光學系統、微縮投影光學系統、掩模及矽片精密工作檯、減震系統及相應的真空室組成。微縮投影光學系統是由二塊或三塊非球面鏡組成的反射式光學系統。此時，像差最小區域是以光軸為中心的圓環，為獲得足夠的光刻範圍，必須使反射式掩模和矽片作同步掃描。在結構上，微縮投影光學系統為像方遠心光路，以免焦深範圍內的倍率變化。為提高系統光能量效率，各多層膜系的頻寬須嚴格匹配。
微縮光學系統理論解析度d由Fraunhofer公式、系統焦深fd由Rayleigh公式給出：
欲提高系統解析度或減小最小刻劃線寬，可減小系統工作波長和增大數值孔徑。但從系統焦深表達式fd可知，減小工作波長和增大數值孔徑也會使焦深變小，不利於光刻系統的調整。為此，必須在系統解析度與焦深間折衷，使焦深≥1μm，以便矽片對準和調整。
軟X射線投影光刻關鍵技術研究現狀
軟X射線投影光刻技術由於工作波長短，目前尚有許多關鍵技術問題需要解決。
光源技術
在軟X射線投影光刻的光源中，雷射電漿光源比同步輻射源體積小、價格便宜、易於在現有積體電路生產線上安裝。但常規雷射電漿光源在雷射直接照射在固體靶上時，除輻射出所需軟X射線外，還產生大量的碎屑，會污染並縮短光學元件的壽命。為此，實用化的光刻系統必須使用無污染的雷射電漿光源。
在低碎屑雷射電漿軟X 射光源研究初期，主要是設法減少金屬靶光源所產生的碎屑對軟X射線光學元件的影響。一是減少碎屑產生，二是設法阻止碎屑到達軟X射線光學元件表面而減少對元件的影響。經常採用機械斬片法、質量限制法和充氣阻截法。近年來，人們嘗試用氣體冷凍靶消除碎屑。但這種光源的光斑空間位置穩定性差，很難與高質量的聚光系統相匹配；同時未經氣化的飛濺粒子仍可能損傷多層膜。
美國Sandia國家實驗室發展了氣體噴射靶電漿光源技術，以適應軟X射線投影光刻系統要求。這種光源以噴嘴向真空中噴出的脈衝狀高密度氣體為靶體，雖然其轉換效率較低，但因完全消除了對光學元件污染，可使聚光系統長期工作，而且可保證高精度光斑空間位置，有望發展為實用光源。
軟X射線微縮投影光學系統
目前，軟X射線多層膜反射率在11～14nm波段為最高，但只接近70%，因此光學設計時應儘量減少反射鏡數目。迄今，軟X射線微縮投影光學系統多採用二塊非球面結構。近年來，隨著多層膜反射率及光源強度提高，開始設計三塊非球面鏡的光學系統，以提高微縮投影光學系統的視場。
軟X射線投影光刻系統為了實現近衍射極限性能的解析度，微縮投影光學系統的RMS波像差應小於工作波長的1/14。深入研究表明,與不同空間頻率對應的表面起伏變化對入射光波散射後造成的影響不同。空間頻率對應於103mm以上的高頻粗糙度，引起入射光波的廣角散射，雖影響多層膜的反射率,但不影響成像質量。而空間頻率為1～103mm的中頻波紋度引起入射光波的小角散射，對光學系統成像影響較嚴重。這類表面波紋度應控制在0.2nm以下。
對上述面形精度、中頻波紋度和高頻粗糙度可分別採用相移乾射儀、WYKO輪廓儀和原子力顯微鏡進行檢測。反映了軟X射線投影光刻用反射鏡的表面精度及現狀。
軟X射線投影光刻系統的最後波差要達到K/14(0.95nm)，因此光學元件裝配應採用無應力裝調，以消除裝配應力引起元件面形變化，滿足系統波差要求。
反射式掩模
軟X射線投影光刻掩模是製備在多層膜上的反射式掩模。由於有微縮光學系統,它有較大的特徵尺寸；同時在它製備的鍍有多層膜的較結實基片上，能避免軟X射線照射引起的掩模熱變形，便於實現高精度的光刻。
另一種是在多層膜上去除不需要的多層膜的去除型。前者是目前公認較好的方法，它除了可以獲得較高的反射襯度，特別利於掩模缺陷的修復。後一種方法能夠達到很高的襯度，但無法進行掩模缺陷的修補。軟X射線投影光刻用反射掩模要求其反射部分的反射率大於60%，缺陷的密度小於0.1個/cm2。實驗表明，小於掩模最小線寬1/6的缺陷對最後成像結果沒有影響，這是缺陷的最大允許尺寸。目前，人們已製備出反射率大於60%、缺陷密度小於0.03個/cm2的反射掩模。
軟X射線多層膜技術
多層膜製備主要有電子束蒸發和濺射方法兩類。電子束蒸發法是利用高能電子束氣化待鍍材料，使其沉積到基板，其真空度高，特別適於蒸鍍易氧化材料。但此法產生的蒸鍍粒子動能，膜系疏鬆，實現穩定的鍍膜速率控制較難。濺射法分離子束濺射和磁控濺，它用氣體離子將被鍍材料濺射沉積到基板上。此產生的濺射粒子的動能較大，在基板上堆積緊密,膜系密度較大；此外，濺射過程容易控制，能得到穩定的鍍膜速率。目前,用於軟X射線投影光刻的多層膜大都用濺射鍍膜法製成。軟X射線投影光刻使用的多層膜要求在較大的面積上獲得高且均勻的反射率，因而鍍制在曲面基板上的多層膜，應根據入射角度變化調整多層膜周期厚度。此外，多層膜還應具有最小應力，使膜層應力不對鏡面面形產生影響。
光刻膠技術
在光刻系統中，光刻膠的好壞直接影響著生產效能。軟X射線投影光刻系統的光刻膠應具有小於0.1 μm的分辨本領及20mJ /cm2感光度，大於0. 5μm 抗刻蝕能力和 85 °的側壁傾角。傳統的光刻膠PMMA 具極高的分辨本領，但感光度極低，通常為 60mJ/cm2。近年採用的具有化學增強作用的光刻膠，如美國 Sharplan Lasers 公司的SAL-601，在解析度和感光度上都適於軟X射線投影光刻，在13nm波長處的感光度達 1. 3mJ/cm2，並在對比度及光刻圖形邊緣光滑特性等方面均優於傳統的高分子光刻膠PMMA。但光刻膠對13nm波長的輻射吸收較大，曝光深度僅為0. 2μm，作為單層結構使用時，如此薄的光刻圖形不利於後續刻蝕。為此，必須採用新的光刻膠技術。
近年來，利用光刻膠表面潛影，採用後續刻蝕工藝，解決單層光刻膠刻蝕能力低的問題。三層光刻膠結構作為表面成像技術之一 ，已被 Sindia 實驗室用於軟 X射線投影光刻，製備出線寬為0.1μm的NMOS。它採用離子束刻蝕工藝將最上層的SAL - 601 曝光顯影后的圖形轉移到矽片上，雖然解決了抗蝕性，但工藝十分複雜，目前主要適用於器件試製。最可能採用的光刻膠技術是用矽烷化反應的全新表面成像技術，其光刻膠是單層結構。它首先利用矽烷化劑處理光刻後的抗蝕劑表面，此時非光刻部分將形成矽氧烷結構，然後利用反應氧離子刻蝕進一步處理光刻部分。為提高此種處理工藝的尺寸控制性，應使矽烷化層儘可能薄，並抑制其橫向擴散。這樣，光刻膠處理技術在分辨本領、抗蝕能力、側壁傾角和感光度等方面表現出巨大潛力，有望近期發展為實用的光刻膠技術。
軟X射線投影光刻系統要獲得大的光刻範圍，必須使掩模和矽片同步掃描。同步掃描時，通常要求掩模和矽片對準精度為光刻特徵線寬的1/4～ 1/5,對0.1μm特徵線寬光刻系統，對準精度要小於0.025μm，這對掃描及對準機構精度提出了極高要求。光刻系統在真空環境工作，其掃描機構除需減小振動和傳動裝置的熱量、提高同步掃描控制精度外，還須採用可在真空環境工作的精密導向機構。目前，可在真空中工作的精密導向機構是磁浮機構。相比傳統的導向機構，它無摩擦、不產生粉塵、不需潤滑、相對容易製造 ,並且功耗低。美國的 Sindia 實驗室已製成用於投影光刻實驗裝置的磁懸浮工作檯，穩定性達 5. 5nm.
掩模和矽片步進掃描時採用可見光莫爾條紋技術來對準。它是將形成莫爾條紋所需的光柵刻到掩模和矽片的邊緣，然後通過投影物鏡將掩模上的光柵成像到矽片上，將這兩個合成圖像成像在一個帶十字絲的像面上，最後利用 CCD 相機接收上述像面的像。目前在 x 、y軸方向均可達到 10 ～ 15nm 的對準精度。
為保證工作檯的矽片能在系統焦深範圍內，需要在垂直於矽片方向進行調整。目前，已建成的光刻系統採用了掠入射自動調焦系統，其焦面調整精度為± 0. 15 μm，焦深通常為± 1 μm，能滿足軟 X 射線投影光刻的調整精度。
我國的軟X射線投影光刻關鍵技術的進展
始於70年代末的我國軟X射線光學技術研究涉及軟X射線光源、軟X射線輻射計量、超精密光學加工/檢測和軟X射線多層膜技術等。在作為主要技術基礎的軟X 射線成像光學方面,長春光機所居國內領先。近年在投影光刻的關鍵技術及系統集成上有了重要進展。
軟X射線雷射電漿光源
長春光機所開展了無污染軟X射線投影光刻用雷射電漿光源技術研。先後研製出CO2冷凍靶及氣體靶雷射電漿軟X射線光源，在軟X射線投影光刻工作波段(13nm)測得了較強的輻射。
軟X射線多層膜技術
在軟X射線多層膜元件研製中，鍍膜材料光學常數是所有計算和設計的基礎。在膜厚為納米量級情況下，鍍膜材料的光學常數既是波長函式，也是膜厚函式。B.L.Henke等人利用測光吸收定出原子散射因子計算的光學常數和D.L.Windt等人利用反射率方法測量的光學常數都對應塊材料或較厚的膜(d≥100nm)，而軟X射線多層膜的膜厚一般都小於10nm。積累超薄膜狀態下的軟X 射線波段光學常數已成為研究的一個迫切需要。長春光機所與日本東北大學科學計測所合作 , 精確地測定60～900eV之間Au、C、Mo、Rh、Ru、Pt、W、Si等物質的光學常數。
浮法拋光超光滑表面加工技術
超光滑基板是製備軟X射線多層膜的基礎，而傳統光學加工難以做到表面粗糙度小於0.5nm。1992年起長春光機所開始研究浮法拋光技術，經一年多努力，以錫磨盤的浸液拋光新工藝研製出浮法拋光機原理實驗樣機。經工藝實驗平面樣品表面粗糙度小於0.3nm。
軟X射線正入射成像系統
從1991年起開始研製18.2nmSchwartzschild型軟X射線顯微鏡。它由軟X射線雷射電漿光源、鍍有多層膜的球面聚光鏡、10×Schwartzschild顯微物鏡、Al/C軟X射線濾光片組成，實現小於1μm的空間解析度。在軟X射線正入射顯微成像系統研究基礎上,設計了工作波長13nm的軟X射線投影光刻原理裝置，它由軟X射線雷射電漿光源、橢球聚光鏡、透射式掩模、0.1×Schwartzschild微縮成像系統、掩模和矽片精密工作檯組成。現已製成多層膜光學基板，即將安裝調試。解析度有望達到小於0.25μm。
目前，軟X射線投影光刻技術仍需解決許多關鍵技術，尤其是深亞納米級鏡面加工和多層膜製備技術。然而,技術路線與解決問題途徑也基本明確。
因此，在本世紀初完全可以期待用軟X射線投影光刻技術批量生產出特徵線寬小於0.1μm的積體電路。
