激光直寫多層光刻樣品定位準(zhǔn)確度的研究

李 華, 郭黨委, 畢四軍

(蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點實驗室， 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

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激光直寫多層光刻樣品定位準(zhǔn)確度的研究

李 華, 郭黨委, 畢四軍

(蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點實驗室， 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

利用磁控濺射法制備了鐵鈷合金薄膜，并采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、多晶X射線衍射儀和場發(fā)射掃描電子顯微鏡對沉積薄膜的成分、晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行了測試和分析。針對DWL66FS型激光直寫儀自帶定位工具定位銷使用時的缺點，設(shè)計了 “L”形樣品定位工具L夾尺。利用高倍光學(xué)顯微鏡對比分析研究了兩種定位技術(shù)在激光直寫多層光刻鐵鈷合金薄膜時定位的準(zhǔn)確度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用 L夾尺對多層光刻樣品定位的準(zhǔn)確度明顯優(yōu)于儀器自帶的定位銷。

激光直寫； 多層光刻； 定位； 準(zhǔn)確度

0 引 言

光刻技術(shù)作為半導(dǎo)體行業(yè)的“核心工藝”，一直是目前科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的熱點領(lǐng)域[1-3]。激光直寫技術(shù)作為一種重要的微光刻技術(shù)，具有精度高、無需掩膜版一次成型、光刻效率高以及通過多層光刻可以直接制作二元光學(xué)元件等特點，廣泛應(yīng)用于光刻設(shè)備中[4-7]。德國海德堡公司生產(chǎn)的DWL66FS型激光直寫儀具有無掩模板直寫系統(tǒng)的靈活性，可以將Auto CAD的圖形文件直接轉(zhuǎn)化為控制激光掃描路徑，加工各種復(fù)雜圖形，而且可以根據(jù)不同的實驗要求和結(jié)果隨時調(diào)整圖形設(shè)計，擺脫了傳統(tǒng)工藝中掩模板的限制。同時還擁有高的曝光速度，適用于集成光學(xué)器件、微光學(xué)與衍射元件、計算全息圖等制作領(lǐng)域[8-11]。然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)，DWL66FS型激光直寫儀在進行多層光刻實驗中，經(jīng)常存在對準(zhǔn)誤差較大的問題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這是由于樣品擺放在樣品臺的位置與前次擺放位置偏離過大造成的，而且當(dāng)樣品重新擺放位置偏差過大時甚至?xí)?dǎo)致儀器在多層光刻過程中報錯而無法進行實驗。使用DWL66FS型激光直寫儀自帶的定位銷雖然能夠固定樣品的位置，但是由于定位銷只能插入樣品工作臺真空吸附區(qū)的孔洞里對樣品進行定位，因此使用定位銷將樣品放置好后，開啟樣品工作臺上的真空吸附裝置不但將樣品本身穩(wěn)定吸附在樣品工作臺上，而且也將定位銷吸附在樣品工作臺上很難取下。當(dāng)儀器光刻曝光鏡頭在靠近樣品邊緣進行光刻時則很容易被定位銷劃傷，造成儀器的損壞，而在吸附狀態(tài)下強行取下定位銷則不可避免的會影響樣品定位的準(zhǔn)確度。本文針對以上激光直寫儀自帶定位工具——定位銷的缺點，設(shè)計了L夾尺的激光直寫儀樣品定位工具。針對鐵鈷合金薄膜材料，采用激光直寫儀多層光刻“回”字形圖案的方法，利用高倍光學(xué)顯微鏡觀察對比研究了定位銷和L夾尺對樣品定位的準(zhǔn)確度，并對結(jié)果進行了討論分析。

1 實 驗

1.1 樣品制備

圖1是利用激光直寫儀多層光刻樣品示意圖。首先利用中科院沈陽中科儀GJP-450型超高真空磁控濺射儀在單晶硅片上沉積了一層約200 nm厚的鐵鈷合金薄膜(圖1(a))[12]。然后用西北機器有限公司 H8501/ZF型勻膠旋涂儀在濺射好的鐵鈷合金薄膜上均勻的旋涂一層光刻膠 (圖1(b))，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，光刻膠采用美國Futurrex公司PR1-1000A型正性光刻膠。再通過德國海德堡公司(Heidelberg)的DWL-66FS型激光直寫儀在光刻膠上曝光一個邊長為12 μm的正方形(圖1(c))，用5%的NaOH溶液作為顯影液去除曝光了的光刻膠(圖1(d))，樣品用去離子水清洗3遍，高壓氮氣吹干。將干燥后的樣品通過北京埃德萬斯LKJ-1D-150型離子束刻蝕系統(tǒng)進行刻蝕 (圖1(e))，刻蝕條件為：氬離子能量Ei=500 eV、束流密度Jb=1 mA/cm2、刻蝕時間t=12 min、入射角θ(離子束與樣品法線之間的夾角)= 0°。將刻蝕后的樣品用丙酮去除剩余的光刻膠，用去離子水清洗3遍，高壓氮氣吹干即可得到制備好的樣品(圖1(f))。圖2(a)是利用激光直寫儀進行一次光刻后所得到樣品(圖1(f))的俯視示意圖，通過上述實驗可在單晶硅片上制作出一個邊長為12 μm的正方形鐵鈷合金薄膜圖形。

圖1 樣品制備過程示意圖

為研究不同定位工具在激光直寫儀進行多層光刻時對樣品定位準(zhǔn)確度的影響，將所得到的樣品(圖1(f)) 重復(fù)以上實驗步驟進行二次光刻實驗。首先在樣品(圖1(f))的表面均勻的旋涂一層光刻膠作為掩蔽層(圖1(g))，在光刻步驟時，分別使用不同的定位工具對樣品進行定位，通過激光直寫儀在正方形鐵鈷合金薄膜的中心位置上的光刻膠上曝光出一個邊長為4 μm的小正方形(圖1(h))，用顯影液去除曝光了的光刻膠(圖1(i))，將樣品用去離子水清洗3遍，高壓氮氣吹干。對干燥后的樣品進行刻蝕 (圖1(j))。將刻蝕后的樣品去除剩余的光刻膠，用去離子水清洗3遍，高壓氮氣吹干即可得到制備好的樣品(圖1(k))。

(a)(b)(c)

圖2 樣品俯視示意圖

當(dāng)所使用定位工具能精準(zhǔn)定位樣品時，所得樣品(圖1(k))的俯視示意圖如圖2(b)所示，從圖中可以看到，一個正方形的小孔準(zhǔn)確套刻在正方形鐵鈷合金薄膜圖形的中心位置。圖2(c)是當(dāng)定位工具對樣品的定位不夠準(zhǔn)確時得到的樣品示意圖，圖中正方形小孔偏離正方形鐵鈷合金薄膜圖形的中心位置且發(fā)生傾斜。孔位置的準(zhǔn)確度與多層光刻時所采用的定位工具對樣品定位的準(zhǔn)確度有關(guān)，所以通過研究樣品正方形小孔的位置，即可對激光直寫儀樣品定位技術(shù)進行分析。

1.2 成分、結(jié)構(gòu)及形貌的測定

利用美國熱電公司(Thermo Jarrell-Ash)生產(chǎn)的IRIS Advantage型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對實驗中沉積的鐵鈷合金薄膜成分進行了分析。

采用日本理學(xué)(Rigaku)公司生產(chǎn)的D-Max-2400型多晶X射線衍射儀(XRD)對鐵鈷合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進行了分析。該儀器的基本參數(shù)為：采用波長λ=1.541 78×10-10的Cu靶Kα線作為X射線衍射源，工作電壓40 kV，工作電流60 mA，掃描速度0.06°/s，采樣時間0.5 s，2θ取值范圍35°～85°。

采用捷克泰思肯(Tescan)公司MIRA3型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對刻蝕后的鐵鈷合金薄膜樣品局部微觀形貌進行了分析。

1.3 多層光刻樣品準(zhǔn)確度測定

利用高倍光學(xué)顯微鏡對比分析了激光直寫儀在對鐵鈷合金薄膜樣品進行多層光刻時，采用儀器自帶定位工具定位銷和新型的“L”形樣品定位工具L夾尺對多層光刻準(zhǔn)確度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 成 分

ICP-OES對樣品成分的分析結(jié)果表明，本試驗中用超高真空磁控濺射儀在單晶硅片上沉積的鐵鈷合金薄膜中鐵和鈷的摩爾含量比約為70∶30。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

鐵鈷合金薄膜的掠角X射線衍射分析結(jié)果如圖3所示。從圖中可看到3個明顯的衍射峰，對應(yīng)的衍射角2θ分別為： 44.8°、65.2°、82.6°，對應(yīng)衍射面的衍射指數(shù)分別為(110)、(200)、(211)。這說明本實驗中沉積的鐵鈷合金薄膜具有體心立方(bbc)晶體結(jié)構(gòu)[13-14]。

圖3 鐵鈷合金薄膜的XRD譜圖

2.3 形 貌

圖4是制備好的“回”字形鐵鈷合金薄膜套刻圖案的SEM分析圖。從圖中可以看到，樣品上有明顯的臺階，臺階的邊緣對應(yīng)刻蝕線條的邊緣；臺階的高度對應(yīng)刻蝕掉鐵鈷合金薄膜的厚度。樣品中深色部分是刻蝕后裸露出的單晶硅片基底，淺色部分是“回”字形鐵鈷合金薄膜圖案。

圖4 多層光刻樣品的SEM圖

2.4 L夾尺新型定位工具的設(shè)計

圖5(a)是DWL66FS型激光直寫儀自帶的樣品套刻定位工具定位銷的示意圖。當(dāng)使用定位銷對待套刻樣品進行定位時，需要將兩枚定位銷按一定的方位分別插入激光直寫儀工作臺真空吸附區(qū)的孔洞中，然后將經(jīng)過鍍膜和甩膠的樣品緊靠兩枚定位銷擺放，開啟工作臺上的真空吸附裝置將樣品穩(wěn)定吸附在激光直寫儀的工作臺上，同時定位銷也被吸附在工作臺上。當(dāng)儀器用來曝光樣品的鏡頭在靠近樣品邊緣進行光刻時則很容易被定位銷劃傷，造成儀器的損壞，而在真空吸附狀態(tài)下取下定位銷又不可避免的影響樣品定位的準(zhǔn)確度。

圖5 定位工具示意圖

圖5(b)是我們針對儀器自帶定位工具在進行套刻時的缺點設(shè)計發(fā)明的L夾尺的示意圖。當(dāng)使用L夾尺對待多層光刻樣品進行定位時，首先將L夾尺的A、B面分別緊貼DWL66FS型激光直寫系統(tǒng)樣品臺左側(cè)和前側(cè)，此時將樣品緊靠C1和C2兩條邊放置就能使樣品在樣品臺上的位置固定，重復(fù)以上操作，就能夠使得多次擺放樣品的位置近乎完全一致。當(dāng)樣品緊靠C1和C2兩條邊放置在樣品工作臺時，樣品正好位于樣品工作臺上的真空吸附孔區(qū)，開啟樣品工作臺上的真空吸附裝置，可以使放置好的樣品穩(wěn)定吸附在樣品工作臺上，而L夾尺的位置不在儀器樣品工作臺的真空吸附區(qū)域，則可被輕易地從樣品工作臺上移開，絲毫不會影響DWL66FS型激光直寫系統(tǒng)后續(xù)的樣品光刻過程。

2.5 定位銷和L夾尺定位的對比

圖6是以定位銷和L夾尺為樣品定位工具所得到的鐵鈷合金薄膜多層光刻樣品的高倍顯微鏡照片。照片中淺色的部分是套刻后得到的“回”字形鐵鈷合金薄膜圖案，深色的部分是單晶硅片基底。

從圖6(a)中可以看到,“回”字形鐵鈷合金薄膜圖案中間的小正方形有明顯的傾斜和偏移，這說明采用定位銷作為定位工具對樣品進行多層光刻實驗時，同一樣品兩次放置在樣品臺上的位置發(fā)生了較大的偏移，從而造成儀器不能對其有效校準(zhǔn)致使最終圖案偏移和傾斜。

(a) 定位銷定位(b) L夾尺定位

圖6 多層光刻樣品的高倍光學(xué)顯微鏡照片

而圖6(b)中使用L夾尺作為定位工具得到的“回”字形鐵鈷合金薄膜圖案中間的小正方形則準(zhǔn)確地位于大正方形的正中心且無傾斜，這說明采用L夾尺作為定位工具對樣品進行多層光刻實驗時，同一樣品兩次放置在樣品工作臺上的位置近乎完全一致，可被儀器有效校準(zhǔn)，從而獲得了精準(zhǔn)的多層光刻圖案。

實驗結(jié)果說明，使用 L夾尺對樣品定位的準(zhǔn)確度明顯優(yōu)于儀器自帶的定位銷。新設(shè)計的L夾尺定位工具很好地解決了使用現(xiàn)有定位工具時多層光刻對準(zhǔn)誤差較大的問題，提高了激光直寫儀進行微光刻的精度[15-16]。

3 結(jié) 論

(1) 利用超高真空磁控濺射儀在單晶硅片上沉積了一層約200 nm厚的鐵鈷合金薄膜材料樣品，并通過XRD和SEM對樣品的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行了分析。結(jié)果表明，制備出的鐵鈷合金薄膜樣品具備體心立方晶體結(jié)構(gòu)，刻蝕區(qū)域與未刻蝕區(qū)域有明顯的臺階。

(2) 針對DWL66FS型激光直寫儀自帶定位工具定位銷在進行多層光刻實驗中會被吸附在工作臺上造成儀器曝光鏡頭被定位銷劃傷，以及在吸附狀態(tài)下取下定位銷會影響樣品定位準(zhǔn)確度的缺點，設(shè)計了“L”形樣品定位工具L夾尺。因為L夾尺作為光刻定位工具使用時不在儀器樣品工作臺的真空吸附區(qū)域，對樣品進行定位后，可以被輕易的從樣品工作臺上移開，絲毫不會對儀器曝光鏡頭造成損傷。

(3) 分別使用定位銷和L夾尺作為定位工具，采用激光直寫儀對鐵鈷合金薄膜樣品進行“回”字型圖案多層光刻實驗，并對所得到的多層光刻圖案樣品進行了高倍光學(xué)顯微鏡觀察，對實驗結(jié)果進行了對比和分析。

(4) 實驗結(jié)果表明，設(shè)計的 L夾尺對多層光刻樣品定位的準(zhǔn)確度明顯優(yōu)于儀器自帶的定位銷，很好地解決了使用儀器自帶定位工具時多層光刻對準(zhǔn)誤差較大的問題，提高了激光直寫儀進行微光刻套刻的精度，對解決國內(nèi)外同類激光直寫儀進行多層光刻時樣品定位誤差較大和無法精確的完成微納尺寸圖案制作問題具有一定的參考價值。

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Research on Locating Accuracy of Laser Direct Writing Multilayer Lithography

LIHua，GUODang-wei，BISi-jun

(Key Laboratory for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education，School of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Locating accuracy of samples is an important influence factor of laser direct writing multilayer lithography technique. In this work, the iron cobalt alloy thin films with thickness of 200 nm were prepared on Si (111) substrates by radio-frequency (RF) magnetron sputtering at room temperature. Composition, structure and morphology of the as-deposited permalloy thin films were characterized by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES), X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM). In view of the disadvantages of the positioning pin, we invented the "L" shaped sample positioning tool——L clamp ruler. The locating accuracy of two different positioning technologies was investigated respectively by using high magnification optical microscope in laser direct write multilayer lithography iron cobalt alloy thin film samples. The experimental results showed that the positioning accuracy of the L clamp ruler was significantly higher than that of the positioning pin. The invention of the L clamp ruler solves the inaccurate positioning of positioning pin in laser direct write multilayer lithography.

laser direct writing； multilayer lithography； locating； accuracy

2015-05-25

蘭州大學(xué)磁學(xué)與磁性材料教育部重點實驗室開放課題(MMM2014014);高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享系統(tǒng)項目管理中心項目(CERS-1-89)經(jīng)費支持

李 華(1976-)，女，甘肅蘭州人，碩士，工程師，主要從事納米材料及光刻、刻蝕工藝研究。

Tel.: 0931-8914160; E-mail: huali@lzu.edu.cn

TN 305

A

1006-7167(2016)03-0037-04