典型納米結構制備及其測量表征

蔣莊德，王琛英，楊樹明

（1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049）

1 前言

隨著器件特征尺寸進入納米量級，以及新材料和新工藝的不斷引入，納米器件的特性和制備過程越來越呈現出兩大特點：器件特性的統計規律明顯加強；一些物理結構則達到了原子尺度。這些特點一方面對作為納米科技主要測量和操作工具的掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等的特性和測量準確度提出了更高的要求，需要研制各種典型納米結構并進行量值溯源，以便對納米測量儀器進行校準，實現納米器件幾何量各參數的精確測試表征。因此，典型納米結構的制備就變得非常重要。另一方面，由于器件加工過程中受加工工藝和多種材料性質（如掩膜版材料、光刻過程中用的光刻膠材料、納米結構中的多晶硅材料等）的影響，加工出的納米結構用宏觀幾何量各參數不能準確甚至不能正確描述其特點，因此，典型納米結構的制備及測量表征成為目前納米制造和測量領域中的研究重點。

對于納米結構的制備及測量表征，需要解決的問題主要包括納米線寬、節距、臺階結構的制備，納米結構測量與表征，高深寬比納米結構側壁幾何參數測量技術的研究等。在所有的納米測量需求中，線寬和膜厚的測量一直是兩個最具歷史推動力的領域[1]。當前對這些問題進行系統研究，對于建立納米典型結構的精確表征與計量方法，以及加速我國亞微米和納米尺度的量值溯源體系的建立等有重要的意義。

2 典型納米結構的制備和表征

在納米器件中，典型的幾何特征尺寸包括線寬、臺階、節距、粗糙度和斜率等。其中，粗糙度參數是影響納米結構幾何特征尺寸精度的主要因素。本文采用不同的加工方法制備納米柵線結構、納米單臺階結構和納米多臺階結構等典型幾何特征結構作為測量樣品，并采用AFM、SEM等測量儀器對所制備的納米結構進行測量、分析和表征。

2.1 納米柵線結構的制備和測量表征

2.1.1 納米柵線結構的制備

采用基于多層薄膜淀積工藝制備納米柵線結構。首先在硅基底上交替淀積多層金屬層和絕緣層，嚴格控制每層膜厚，形成厚度方向的疊層結構（見圖1a），其中金屬層膜厚等于所設計的納米柵線的線寬；然后，將淀積有多層薄膜的硅片劃片為具有一定規格的樣片，對各樣片的橫截面進行金相拋光處理形成光滑的多層薄膜截面（見圖1b)；最后，利用選擇性濕法刻蝕或干法刻蝕技術刻蝕絕緣層材料，金屬層膜即凸現出來形成了納米線寬（或節距）結構（見圖1c）。

圖1 基于多層薄膜淀積工藝制備納米柵線結構Fig.1 Nanolines based on multi-layer thin-film deposition process

基于上述方法，采用反應離子刻蝕技術（RIE）制備得到了寬度分別為20 nm、25 nm、35 nm，間隔為120 nm的納米柵線結構[2]，如圖2所示。圖2a為對樣片進行金相拋光后的SEM圖像，圖2b為采用RIE對樣片進行刻蝕60 s后的SEM圖像，可以看出柵線在幾百微米長度范圍內具有較好的線性度。

圖2 納米柵線線寬的SEM圖像Fig.2 SEM images of nanolines width

2.1.2 納米柵線寬度的質量分析

線邊緣粗糙度（LER）和線寬粗糙度（LWR）是影響納米柵線寬度質量的重要因素[3～6]。LER為一定評定長度上單側線邊緣的微觀幾何形狀的變化量，LWR為一定評定長度上雙側線邊緣之間（線寬）的微觀幾何形狀的變化量，量化參數均為3σ。下面按照此定義對納米線寬樣板柵線的LER/LWR進行分析。其中，σLER和σLWR的定義分別為

式（1）和式（2）中，δi為測量點與基準線之間的距離；CDi為某截面上測量的實際線寬值；CD為線寬的平均值；n為測量點個數。

在獲得納米柵線線寬的SEM圖像后，首先采用小波濾波器在2層分解層次上對SEM圖像進行去噪處理；然后采用小波多尺度邊緣檢測算法提取出名義線寬分別為20 nm和25 nm的柵線邊緣，結果如圖3和圖4所示；最后對所提取的柵線邊緣采用最小二乘法擬合，得到最小二乘評定中線；分別采用式（1）和式（2）在采樣長度L=800 nm下計算柵線的LER和LWR的3σ值，結果見表1，可見納米結構寬度值越小，粗糙度值越大。

圖3 名義線寬20 nm的柵線Fig.3 Nanolines with nominal 20 nm width

圖4 名義線寬25 nm的柵線Fig.4 Nanolines with nominal 25 nm width

表1 納米柵線的LER/LWR值Table 1 LER/LWR values of nanolines

2.2 納米單臺階結構的制備和測量表征

2.2.1 基于電子束直寫（EBL）和感應耦合等離子體刻蝕（ICP）技術制備納米單臺階結構

直寫式光刻技術具有分辨率高、性能穩定、功能強大、價格相對低廉等優點，許多研究成果已表明直寫式電子束光刻技術在制備小于10 nm特征尺寸的納米器件方面具有很大的靈活性，是深亞微米和納米加工技術以及新一代量子效應器件研制的重要手段。因此，筆者采用具有極高分辨率的直寫式電子束曝光系統和ICP技術制備納米單臺階結構。納米單臺階結構的制備過程主要包括涂膠、前烘、電子束曝光、顯影、刻蝕、去膠等步驟，其過程如圖5所示。

圖5 納米臺階結構的制備過程Fig.5 The fabrication process of nanostep

首先在抗蝕劑層上制作出一個曝光潛像（見圖5b），通過顯影（見圖5c）把這個曝光潛像顯露出來。顯影后，對硅片進行刻蝕，將抗蝕劑圖形轉移到硅襯底上（見圖5d）。采用上述制備工藝，制備了名義柵線線寬為95 nm的抗蝕劑圖形結構，以及名義高度為220 nm的硅臺階結構，如圖6所示。

采用美國VEECO公司NANOSCOPE III型AFM在接觸模式下對刻蝕前、后的納米結構進行了測量，所用的是Si3N4探針。圖7是名義線寬為95 nm的臺階結構刻蝕前、后的AFM截面分析圖。將圖6與圖7的測量結果進行比對，可以看出，AFM與SEM的測量結果相同。刻蝕前，抗蝕劑圖形的柵線線寬變動量小，柵線邊緣較光滑，臺階高度一致性好；刻蝕后，名義線寬為95 nm的臺階結構具有較好的圖形形貌。

圖6 名義線寬為95 nm的臺階結構刻蝕前、后的SEM圖像Fig.6 SEM images of nanostep of 95 nm before and after etching

圖7 名義線寬為95 nm的臺階結構刻蝕前、后的AFM截面分析圖Fig.7 AFM images of the 95 nm-nanostep section before and after etching

2.2.2 納米臺階的質量分析

得到納米臺階結構的SEM圖像后，采用小波多尺度邊緣檢測算法在L=900 nm的采樣長度上提取出納米臺階柵線的左、右邊緣，結果如圖8和圖9所示。對圖8和圖9中的左邊緣進行譜密度分析，結果如圖10所示。比較刻蝕前、后的柵線LER譜密度曲線可以看出：空間頻率在100～10 μm-1范圍內，刻蝕后的柵線LER的譜密度值減少；當空間頻率大于100 μm-1時，刻蝕后與刻蝕前的柵線LER譜密度值相當。

圖8 采用小波多尺度邊緣檢測算法確定的圖7a中第1條柵線的左、右邊緣Fig.8 The edges of the first nanoline determined by wavelet multiscale edge detection algorithm in Fig.7a

圖9 采用小波多尺度邊緣檢測算法確定的圖7a中第4條柵線的左、右邊緣Fig.9 The edges of fourth nanoline determined by wavelet multiscale edge detection algorithm in Fig.7a

圖10 納米臺階結構柵線刻蝕前、后的功率譜密度分析圖Fig.10 The spectrum density analysis of nanostep before and after etching

對圖8和圖9中的左邊緣采用高度相關函數（HHCF）進行分析，結果如圖11所示。可以看出，刻蝕前，LER的相關長度ξb為22.59 nm；刻蝕后，LER的相關長度變長，ξa為75.16 nm。計算納米臺階柵線左、右邊緣的LER/LWR值，結果見表2。可以看出，刻蝕后LER、LWR的σ值均增大。

圖11 納米臺階結構柵線刻蝕前、后的高度相關函數圖Fig.11 Height correlation function diagram of nanostep before and after etching

表2 名義線寬為95 nm的臺階結構刻蝕前后的LER/LWR值Table 2 LER/LWR values of 95 nm-nanostep section before and after etchingnm

以上分析表明，采用此技術加工得到的納米單臺階，側壁陡直度較好，但是底面平整度較差，同時單臺階垂直方向的尺寸精度控制難度較大，這是因為ICP的能量相對于結構尺寸太大。如果要進一步提高垂直方向的尺寸精度，需要放大水平尺寸，或者改變加工工藝。

2.3 納米多臺階的制備和表征

對于納米臺階多層結構，由于尺寸的限制，通常的微納加工工藝很難保證加工精度以及套刻的精確對準[7]。聚焦離子束（FIB）可以完成X、Y方向10 nm以下的結構加工，將材料刻蝕、輔助沉積、修飾電路、修復掩膜、離子注入等有機結合在一起應用于高精度加工，不僅能刻蝕掩模板，也能對樣品直接刻蝕[8，9]。為了得到Z方向為納米級的結構，需要精確地控制FIB得到合適的離子能量。這項技術關鍵在于控制離子能量、束斑形狀和在指定位置離子的加工時間[10～12]。實驗采用FEI HEL10S 600聚焦離子束設備，使用兩種離子能量進行材料表面去除加工，采用了兩種方法。

方法一使用離子束成像時的能量對材料表面進行剝離加工，方法二采用高能離子束對其表面進行剝離。采用方法一時，電壓、電流不變（分別是30 000 V、0.28 nA），改變成像放大倍率以及聚焦次數，通過放大倍率的變化改變X、Y方向上的尺寸，通過改變聚焦次數得到不同的Z尺寸。采用方法二時，電壓為30 000 V，電流分別為2.8 nA和28 pA，臺階Z方向尺度設計為100 nm，改變X、Y方向的尺寸和加工時間。采用兩種方法所制備的臺階結構如圖12所示。從圖12中可以看出4個樣品都得到了凹陷的臺階結構。對比臺階結構a和b與臺階結構c和d，可以觀察到在4個樣品表面都有再沉積現象發生，方法一僅在X方向較明顯，方法二則是X、Y方向都有再沉積。

得到以上結果與離子束掃描方式有關，方法一中離子束在X方向進行掃描，高能離子與樣品原子發生碰撞，在“級聯碰撞”過程中，運動方向朝著固體表面的一部分具有較高能量的離位原子有可能穿過晶格空隙，從材料表面逸出。同時一部分原子順著掃描方向再次沉積。方法二中離子束斑能量以高斯分布入射樣品表面，根據概率，濺射出的原子在樣品表面各方向均勻分布，因此出現了圖12中c和d正方形結構四邊的均勻突邊。方法二在加工Z方向納米尺度結構時，由于離子束打到材料表面的離子數量服從統計規律，并不是一個定值；同時每一個離子所具有的能量并不完全相同，所走的路徑也不一致；材料表面原子分布存在缺陷并且晶相的不同也會對能量的吸收產生影響。所以在加工Z方向尺寸較大時建立的模型此時不再適用。盡管離子束能量已經調整到很小，但是相對設計的納米結構能量密度還是太大，造成納米臺階在Z方向尺寸失去控制，因此采用方法一加工納米臺階。

表3和表4是采用方法一加工納米臺階的主要參數及所加工的相應臺階的測量值。從表3可以看出，放大倍率越大剝離能量越大；對準次數越多，去除材料表面物質越多。從表4可以看出，一級臺階的尺寸受二級臺階再沉積的影響，尺寸變小。

表3 方法一加工得到的納米單臺階Table 3 Height values of nano single step using the first method

圖12 兩種方法加工得到結構AFM掃描圖Fig.12 AFM images of the structures fabricated bytwo ways

表4 方法一加工得到納米雙臺階Table 4 Height values of nano double step using the first method

3 結語

針對典型納米結構的制備和測量表征中的相關問題進行了研究。采用轉換薄膜厚度為線寬的公稱值的方法，通過精確控制所沉積薄膜膜厚，不但可以制備出具有較小尺度的線寬結構，而且可以保證在較長的測量長度上具有較好的線寬一致性。采用不同的加工工藝和方法制備了小于100 nm尺度的納米結構，并采用SEM、AFM等對所制備的納米結構進行測量、分析和表征。實驗結果表明，所提出的納米結構的制備和測量表征方法可行，為進一步研究納米結構與工藝參數之間的關系奠定了基礎。

[1]Dixon R G，Koening R G，Fu J，et al.Accurate dimensional metrology with atomic force microscopy[J].Proc.of SPIE，2000，3998：362-368.

[2]Zhao F，Jiang Z，Jing W，et al.Fabrication and characterization of sub-45 nm multiple linewidth samples[J].Meas.Sci.Technol.，2007，18：1689-1693.

[3]Tortonese M，Prochazka J，Konicek P，et al.100 nm pitch standard characterization for metrology applications[C].Proc.of SPIE，2002，4689：558-564.

[4]Frase C G，Buhr E，Dirscherl K.CD characterization of nanostructures in SEM metrology[J].Meas.Sci.Techno.，2007，18：510-519.

[5]Gogolides E，Constantoudis V，Patsis G P，et al.A review of line edge roughness and surface nanotexture resulting from patterning processes[J].Microelectron.Eng.，2006，83：1067-1077.

[6]Tortonese M，Guan Y，Prochazka J.NIST-traceable calibration of CD-SEM magnification using a 100 nm pitch standard[C].Proc.of SPIE，2003，5038：711-718.

[7]Chen Z，Gao S，Lu M，et al.Step height measurement by the metrological atomic force microscope[J].Chinese Journal of Nanotechnology and Precision Engineering ，2008，6（7）：288-292.

[8]Huang X，Han L，Gu W.Research of figures with high aspect ratio made by electron beam lithography system[J].Chinese Journal of Transducer Technology，2004，23（11）：30-31.

[9]Guo T，Hu C，Chen J，et al.Five-frame phase-shifting algorithm for nanoscale step characterization[J].Chinese Journal of ACTAMetrological Sinica，2007，28（4）：302-305.

[10]Xu Z，Fang F，Zhang S，et al.Fabrication of complicated micronano structures using focused ion beam milling method[J].Journal of Tianjin University，2009，42（1）：91-94.

[11]Yariv D，Yuval G，Amir R.Strategy for focused ion beam compound material removal for circuit editing[J].American Vacuum Society，2012，011207：1-9.

[12]Walke J F R，Moore D F，Whitney J T.Focused ion beam processing for microscale fabrication[J].Microelectronic Engineering，1996，30：517-522.