[科普中國(guó)]-軟X射線

簡(jiǎn)介

波長(zhǎng)小于0.1埃的稱超硬X射線，在0.1～1埃范圍內(nèi)的稱硬X射線，1～10埃范圍內(nèi)的稱軟X射線(X射線波長(zhǎng)略大于0.5nm的被稱作軟X射線)。

發(fā)展背景軟X射線投影光刻技術(shù)是現(xiàn)有可見(jiàn)-近紫外投影光刻技術(shù)向軟X射線波段(1～30nm)的延伸。但是，由于此波段任何材料的折射率均接近于1，而且吸收較大，微縮投影光學(xué)系統(tǒng)必須采用反射系統(tǒng)，而單層膜反射鏡對(duì)正入射軟X 射線的反射率幾乎為零，無(wú)法利用其組成正入射系統(tǒng)。70年代后，隨著超光滑表面加工技術(shù)和超薄膜制備技術(shù)的不斷提高，目前人們制備的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(tǒng)成為可能。

軟X射線投影光刻系統(tǒng)由圖所示，未來(lái)軟X射線投影光刻設(shè)備由激光等離子體光源、照明光學(xué)系統(tǒng)、微縮投影光學(xué)系統(tǒng)、掩模及硅片精密工作臺(tái)、減震系統(tǒng)及相應(yīng)的真空室組成。微縮投影光學(xué)系統(tǒng)是由二塊或三塊非球面鏡組成的反射式光學(xué)系統(tǒng)。此時(shí)，像差最小區(qū)域是以光軸為中心的圓環(huán)，為獲得足夠的光刻范圍，必須使反射式掩模和硅片作同步掃描。在結(jié)構(gòu)上，微縮投影光學(xué)系統(tǒng)為像方遠(yuǎn)心光路，以免焦深范圍內(nèi)的倍率變化。為提高系統(tǒng)光能量效率，各多層膜系的帶寬須嚴(yán)格匹配。

微縮光學(xué)系統(tǒng)理論分辨率d由Fraunhofer公式、系統(tǒng)焦深fd由Rayleigh公式給出：

欲提高系統(tǒng)分辨率或減小最小刻劃線寬，可減小系統(tǒng)工作波長(zhǎng)和增大數(shù)值孔徑。但從系統(tǒng)焦深表達(dá)式fd可知，減小工作波長(zhǎng)和增大數(shù)值孔徑也會(huì)使焦深變小，不利于光刻系統(tǒng)的調(diào)整。為此，必須在系統(tǒng)分辨率與焦深間折衷，使焦深≥1μm，以便硅片對(duì)準(zhǔn)和調(diào)整。1

軟X射線投影光刻關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀軟X射線投影光刻技術(shù)由于工作波長(zhǎng)短，目前尚有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。

光源技術(shù)在軟X射線投影光刻的光源中，激光等離子體光源比同步輻射源體積小、價(jià)格便宜、易于在現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)線上安裝。但常規(guī)激光等離子體光源在激光直接照射在固體靶上時(shí)，除輻射出所需軟X射線外，還產(chǎn)生大量的碎屑，會(huì)污染并縮短光學(xué)元件的壽命。為此，實(shí)用化的光刻系統(tǒng)必須使用無(wú)污染的激光等離子體光源。

在低碎屑激光等離子體軟X 射光源研究初期，主要是設(shè)法減少金屬靶光源所產(chǎn)生的碎屑對(duì)軟X射線光學(xué)元件的影響。一是減少碎屑產(chǎn)生，二是設(shè)法阻止碎屑到達(dá)軟X射線光學(xué)元件表面而減少對(duì)元件的影響。經(jīng)常采用機(jī)械斬片法、質(zhì)量限制法和充氣阻截法。近年來(lái)，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(wěn)定性差，很難與高質(zhì)量的聚光系統(tǒng)相匹配；同時(shí)未經(jīng)氣化的飛濺粒子仍可能損傷多層膜。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了氣體噴射靶等離子體光源技術(shù)，以適應(yīng)軟X射線投影光刻系統(tǒng)要求。這種光源以噴嘴向真空中噴出的脈沖狀高密度氣體為靶體，雖然其轉(zhuǎn)換效率較低，但因完全消除了對(duì)光學(xué)元件污染，可使聚光系統(tǒng)長(zhǎng)期工作，而且可保證高精度光斑空間位置，有望發(fā)展為實(shí)用光源。

軟X射線微縮投影光學(xué)系統(tǒng)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(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少反射鏡數(shù)目。迄今，軟X射線微縮投影光學(xué)系統(tǒng)多采用二塊非球面結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著多層膜反射率及光源強(qiáng)度提高，開(kāi)始設(shè)計(jì)三塊非球面鏡的光學(xué)系統(tǒng)，以提高微縮投影光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)。

軟X射線投影光刻系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)近衍射極限性能的分辨率，微縮投影光學(xué)系統(tǒng)的RMS波像差應(yīng)小于工作波長(zhǎng)的1/14。深入研究表明,與不同空間頻率對(duì)應(yīng)的表面起伏變化對(duì)入射光波散射后造成的影響不同?？臻g頻率對(duì)應(yīng)于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(zhì)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(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像影響較嚴(yán)重。這類表面波紋度應(yīng)控制在0.2nm以下。

對(duì)上述面形精度、中頻波紋度和高頻粗糙度可分別采用相移干射儀、WYKO輪廓儀和原子力顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。反映了軟X射線投影光刻用反射鏡的表面精度及現(xiàn)狀。

軟X射線投影光刻系統(tǒng)的最后波差要達(dá)到K/14(0.95nm)，因此光學(xué)元件裝配應(yīng)采用無(wú)應(yīng)力裝調(diào)，以消除裝配應(yīng)力引起元件面形變化，滿足系統(tǒng)波差要求。

反射式掩模軟X射線投影光刻掩模是制備在多層膜上的反射式掩模。由于有微縮光學(xué)系統(tǒng),它有較大的特征尺寸；同時(shí)在它制備的鍍有多層膜的較結(jié)實(shí)基片上，能避免軟X射線照射引起的掩模熱變形，便于實(shí)現(xiàn)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(rèn)較好的方法，它除了可以獲得較高的反射襯度，特別利于掩模缺陷的修復(fù)。后一種方法能夠達(dá)到很高的襯度，但無(wú)法進(jìn)行掩模缺陷的修補(bǔ)。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于60%，缺陷的密度小于0.1個(gè)/cm2。實(shí)驗(yàn)表明，小于掩模最小線寬1/6的缺陷對(duì)最后成像結(jié)果沒(méi)有影響，這是缺陷的最大允許尺寸。目前，人們已制備出反射率大于60%、缺陷密度小于0.03個(gè)/cm2的反射掩模。

軟X射線多層膜技術(shù)多層膜制備主要有電子束蒸發(fā)和濺射方法兩類。電子束蒸發(fā)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，特別適于蒸鍍易氧化材料。但此法產(chǎn)生的蒸鍍粒子動(dòng)能，膜系疏松，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(chǎn)生的濺射粒子的動(dòng)能較大，在基板上堆積緊密,膜系密度較大；此外，濺射過(guò)程容易控制，能得到穩(wěn)定的鍍膜速率。目前,用于軟X射線投影光刻的多層膜大都用濺射鍍膜法制成。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(yīng)根據(jù)入射角度變化調(diào)整多層膜周期厚度。此外，多層膜還應(yīng)具有最小應(yīng)力，使膜層應(yīng)力不對(duì)鏡面面形產(chǎn)生影響。

光刻膠技術(shù)在光刻系統(tǒng)中，光刻膠的好壞直接影響著生產(chǎn)效能。軟X射線投影光刻系統(tǒng)的光刻膠應(yīng)具有小于0.1 μm的分辨本領(lǐng)及20mJ /cm2感光度，大于0. 5μm 抗刻蝕能力和 85 °的側(cè)壁傾角。傳統(tǒng)的光刻膠PMMA 具極高的分辨本領(lǐng)，但感光度極低，通常為 60mJ/cm2。近年采用的具有化學(xué)增強(qiáng)作用的光刻膠，如美國(guó) Sharplan Lasers 公司的SAL-601，在分辨率和感光度上都適于軟X射線投影光刻，在13nm波長(zhǎng)處的感光度達(dá) 1. 3mJ/cm2，并在對(duì)比度及光刻圖形邊緣光滑特性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的高分子光刻膠PMMA。但光刻膠對(duì)13nm波長(zhǎng)的輻射吸收較大，曝光深度僅為0. 2μm，作為單層結(jié)構(gòu)使用時(shí)，如此薄的光刻圖形不利于后續(xù)刻蝕。為此，必須采用新的光刻膠技術(shù)。

近年來(lái)，利用光刻膠表面潛影，采用后續(xù)刻蝕工藝，解決單層光刻膠刻蝕能力低的問(wèn)題。三層光刻膠結(jié)構(gòu)作為表面成像技術(shù)之一 ，已被 Sindia 實(shí)驗(yàn)室用于軟 X射線投影光刻，制備出線寬為0.1μm的NMOS。它采用離子束刻蝕工藝將最上層的SAL - 601 曝光顯影后的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，雖然解決了抗蝕性，但工藝十分復(fù)雜，目前主要適用于器件試制。最可能采用的光刻膠技術(shù)是用硅烷化反應(yīng)的全新表面成像技術(shù)，其光刻膠是單層結(jié)構(gòu)。它首先利用硅烷化劑處理光刻后的抗蝕劑表面，此時(shí)非光刻部分將形成硅氧烷結(jié)構(gòu)，然后利用反應(yīng)氧離子刻蝕進(jìn)一步處理光刻部分。為提高此種處理工藝的尺寸控制性，應(yīng)使硅烷化層盡可能薄，并抑制其橫向擴(kuò)散。這樣，光刻膠處理技術(shù)在分辨本領(lǐng)、抗蝕能力、側(cè)壁傾角和感光度等方面表現(xiàn)出巨大潛力，有望近期發(fā)展為實(shí)用的光刻膠技術(shù)。

軟X射線投影光刻系統(tǒng)要獲得大的光刻范圍，必須使掩模和硅片同步掃描。同步掃描時(shí)，通常要求掩模和硅片對(duì)準(zhǔn)精度為光刻特征線寬的1/4～ 1/5,對(duì)0.1μm特征線寬光刻系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)精度要小于0.025μm，這對(duì)掃描及對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)精度提出了極高要求。光刻系統(tǒng)在真空環(huán)境工作，其掃描機(jī)構(gòu)除需減小振動(dòng)和傳動(dòng)裝置的熱量、提高同步掃描控制精度外，還須采用可在真空環(huán)境工作的精密導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。目前，可在真空中工作的精密導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是磁浮機(jī)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，它無(wú)摩擦、不產(chǎn)生粉塵、不需潤(rùn)滑、相對(duì)容易制造 ,并且功耗低。美國(guó)的 Sindia 實(shí)驗(yàn)室已制成用于投影光刻實(shí)驗(yàn)裝置的磁懸浮工作臺(tái)，穩(wěn)定性達(dá) 5. 5nm.

掩模和硅片步進(jìn)掃描時(shí)采用可見(jiàn)光莫爾條紋技術(shù)來(lái)對(duì)準(zhǔn)。它是將形成莫爾條紋所需的光柵刻到掩模和硅片的邊緣，然后通過(guò)投影物鏡將掩模上的光柵成像到硅片上，將這兩個(gè)合成圖像成像在一個(gè)帶十字絲的像面上，最后利用 CCD 相機(jī)接收上述像面的像。目前在 x 、y軸方向均可達(dá)到 10 ～ 15nm 的對(duì)準(zhǔn)精度。

為保證工作臺(tái)的硅片能在系統(tǒng)焦深范圍內(nèi)，需要在垂直于硅片方向進(jìn)行調(diào)整。目前，已建成的光刻系統(tǒng)采用了掠入射自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其焦面調(diào)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(diào)整精度。2

我國(guó)的軟X射線投影光刻關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展始于70年代末的我國(guó)軟X射線光學(xué)技術(shù)研究涉及軟X射線光源、軟X射線輻射計(jì)量、超精密光學(xué)加工/檢測(cè)和軟X射線多層膜技術(shù)等。在作為主要技術(shù)基礎(chǔ)的軟X 射線成像光學(xué)方面,長(zhǎng)春光機(jī)所居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。近年在投影光刻的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成上有了重要進(jìn)展。

軟X射線激光等離子體光源長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)展了無(wú)污染軟X射線投影光刻用激光等離子體光源技術(shù)研。先后研制出CO2冷凍靶及氣體靶激光等離子體軟X射線光源，在軟X射線投影光刻工作波段(13nm)測(cè)得了較強(qiáng)的輻射。

軟X射線多層膜技術(shù)在軟X射線多層膜元件研制中，鍍膜材料光學(xué)常數(shù)是所有計(jì)算和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在膜厚為納米量級(jí)情況下，鍍膜材料的光學(xué)常數(shù)既是波長(zhǎng)函數(shù)，也是膜厚函數(shù)。B.L.Henke等人利用測(cè)光吸收定出原子散射因子計(jì)算的光學(xué)常數(shù)和D.L.Windt等人利用反射率方法測(cè)量的光學(xué)常數(shù)都對(duì)應(yīng)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于10nm。積累超薄膜狀態(tài)下的軟X 射線波段光學(xué)常數(shù)已成為研究的一個(gè)迫切需要。長(zhǎng)春光機(jī)所與日本東北大學(xué)科學(xué)計(jì)測(cè)所合作 , 精確地測(cè)定60～900eV之間Au、C、Mo、Rh、Ru、Pt、W、Si等物質(zhì)的光學(xué)常數(shù)。

浮法拋光超光滑表面加工技術(shù)超光滑基板是制備軟X射線多層膜的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)光學(xué)加工難以做到表面粗糙度小于0.5nm。1992年起長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)始研究浮法拋光技術(shù)，經(jīng)一年多努力，以錫磨盤(pán)的浸液拋光新工藝研制出浮法拋光機(jī)原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。經(jīng)工藝實(shí)驗(yàn)平面樣品表面粗糙度小于0.3nm。

軟X射線正入射成像系統(tǒng)從1991年起開(kāi)始研制18.2nmSchwartzschild型軟X射線顯微鏡。它由軟X射線激光等離子體光源、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(shí)現(xiàn)小于1μm的空間分辨率。在軟X射線正入射顯微成像系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了工作波長(zhǎng)13nm的軟X射線投影光刻原理裝置，它由軟X射線激光等離子體光源、橢球聚光鏡、透射式掩模、0.1×Schwartzschild微縮成像系統(tǒng)、掩模和硅片精密工作臺(tái)組成?，F(xiàn)已制成多層膜光學(xué)基板，即將安裝調(diào)試。分辨率有望達(dá)到小于0.25μm。

目前，軟X射線投影光刻技術(shù)仍需解決許多關(guān)鍵技術(shù)，尤其是深亞納米級(jí)鏡面加工和多層膜制備技術(shù)。然而,技術(shù)路線與解決問(wèn)題途徑也基本明確。

因此，在本世紀(jì)初完全可以期待用軟X射線投影光刻技術(shù)批量生產(chǎn)出特征線寬小于0.1μm的集成電路。3