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“提纲”
离子束光刻被认为是- -种有前景的纳米尺度光刻技术，通过SRIM/CASINO的模拟计算及文献调研等。
1)以Si基底上PMMA光刻胶为例，论述离子束光刻的优势及线宽极限;
2)比较离子束光刻与单离子光刻的优劣;
3)比较离子束或单离子光刻与电子束的优劣 。
注意文中的数据参考意义较低！
一、
(1) 离子束光刻
离子束光刻的原理是通过离子束的作用使得光刻胶内的分子化学键断裂或原子移位，进而物化性质发生改变，一般会导致照射区域和非照射区域的溶解度不同，后续通过显影液溶解辐照或未辐照区域来显示图案。
离子束光刻其物质波波长小，相对于传统光刻甚至是X射线光刻而言衍射更小，有望取得更高的分辨率，跟电子束相比考虑到两者的波长都足够小，对于分辨率的影响并不大，所以不作为优势讨论。
离子束和电子束相对于传统光刻还有一个优势就在于相对容易通过透镜聚焦，极紫外光刻已经需要非常复杂的反射透镜系统进行聚束，一般物质对X射线的折射率更是接近1，通过掩膜只能1：1复刻图案到光刻胶上，给光刻系统的设计带来很大的困难和局限性，而离子束和电子束则可以较为容易地通过电磁设计进行偏转聚束。
离子束光刻主要分为两类，聚焦离子束光刻直写与通过掩膜的离子束投影光刻，个人认为是否用掩膜对分辨率或者说线宽极限影响不大，因为通过掩膜后也是具有一定宽度的离子束打在光刻胶上，所以根据离子束直接打在光刻胶上的模型来进行模拟。
R. L. Kubena等人可以得到直径8nm的Ga+离子束斑，并表明线宽降低到10nm的量级时主要是离子散射和原子的反冲限制了分辨率的提升[1]，所以后续重点通过SRIM计算离子束的散射或是能量的横向沉积范围（通过横向的粒子分布范围反映），并在一定程度上结合束斑半径的大小来评估离子束光刻的线宽极限。为了减小束斑半径在一定程度上会牺牲束流强度，当注量比较低时统计规律不再成立也会影响线宽极限，在这里不考虑这一因素，认为光刻所选辐照时间、注量等参数合适，不会产生统计效应。
D. Winston等人在He+离子源的亮度等实验条件改善以后采用He+离子束和HSQ光刻胶进一步提高了分辨率[2]，因为He+离子束相对于重离子不那么容易引起原子反冲也有望达到更小的束斑半径(≤0.75nm)，质量也足够大不会像电子束那样散射太大。但是后续对比各个光刻方式的优劣以及计算不会考虑这些因素，因为一直探索新方法改善分辨率是没有尽头的。
SRIM模拟：参数选择，根据引文1选择入射离子束及其能量(40keVGa+离子束，原文采用50keV，但实际计算发现Ga+深入基底较多故采用能量上相差不大的40keV)、PMMA的厚度(60nm厚PMMA)。考虑到能量主要沉积在PMMA中，Si的厚度自主定为200nm，计算2000个入射离子。采用F-C模式进行运算，参数设置和轨迹的纵向、横向分布如图1所示。
图1 (a)SRIM模拟所采用的参数设置; (b) (c)离子入射后轨迹纵向和横向分布;
光刻的原理是离子束或电子束造成PMMA中化学键的断裂成小分子进而增大溶解度，能量的沉积导致化学键的断裂，所以可以根据能量沉积范围来评估离子束的分辨率或者线宽，但是由于SRIM无法直接得到能量沉积分布，所以根据离子横向分布（图2a）和碰撞事件分布（图2b）来评估能量分布范围，为了更准确地表明能量几乎都沉积在PMMA当中，也根据(1)式计算了dpa随深度的变化，如图2c所示，其分布与碰撞事件随深度的分布基本一致说明可以直接用碰撞事件的图像来反映能量沉积的深度分布。根据离子的横向分布可以估计线宽，虽然会略大于实际值（能量横向沉积范围），但在误差允许范围内可以把离子的横向分布范围当作线宽处理。
图中，将690nm作为绝大部分离子停留的深度范围，此深度范围内的离子横向分布范围为12.5nm，考虑到束斑为8nm，那么线宽为2*12.5+8=33nm。
图2 Ga+入射后横向分布随深度的变化
Dpa计算和参数选择：
dpa(x)=Fv(x)/N
注量F根据引文(1)的实验数据选取，由于PMMA中三种元素的靶原子数密度不同，分别计算三者的dpa然后求和，计算时也将Si元素的空位考虑在内。靶原子数密度根据N=(ρN_A)/M计算，其中ρ为材料密度，M为相对原子质量， N_A 为阿伏伽德罗常数。
（2）单离子光刻
利用离子束(keV)进行微纳加工单个粒子沉积剂量过低难以达到形成微纳结构所需剂量，只能通过提高曝光粒子数目来制备微纳结构多粒子入射会引入入射位置的偏差从而降低分辨率，而利用单个高能重离子(MeV)曝光或可以直接满足形成纳米结构所需的剂量，从而制备出分辨率更高的微纳图形(≤5nm[3])。
但是单离子光刻的实现需要克服诸多困难：1.单离子的探测；2.单离子入射位置的控制；3.沿入射轨迹潜在损伤的拓展等[4]。这些是离子束光刻所不需要面临的难题。
而且两者的应用领域不一样，离子束光刻偏向于对光刻胶曝光刻蚀以后形成特定图案，后续通过电子束蒸镀制备特定图案的电极等实验步骤制备所需器件，然后去掉剩余光刻胶。但是单离子光刻往往是直接在目标材料中形成纳米线或者多种纳米孔道[3]，后续则将这种纳米结构进行其他方面的应用比如分子探测和筛分等。
考虑到单离子光刻的特点，个人认为利用SRIM无法有效地对其单个高能重离子在材料中的能量沉积机制进行有效地模拟，需要建立更加精细的单离子径向剂量分布模型，所以这里不进行模拟而只是对比两种光刻技术的优劣。
（3）电子束光刻
电子束光刻与离子束光刻类似，主要区别就是入射粒子不同。随着光学系统光刻分辨率的一步步提高，一系列提高光刻分辨率的分辨率增强技术逐渐开发出来：一类是对光学系统进行改造；另一类是对掩模版技术的改进。不过虽然光学光刻技术在在微电子技术的发展中占有重要地位，不断创造奇迹，但是也已接近光学光刻技术的极限，电子束曝光技术的束斑尺寸可以从百纳米级至纳米级，实用范围广，是实验室条件下进行亚微米至纳米级光刻技术研究开发的理想工具，尤其在亚 20nm 乃至亚10nm 的结构曝光更离不开电子束光刻技术。电子束光刻技术作为下一代光刻技术的关键技术，在微纳机电系统的发展中将发挥极大作用，既是集成电路制造工艺中制作高精度掩模版的理想工具，又是在半导体基片上直写纳米结构图形的重要手段[5]（直写方式无需掩模可大幅降低成本）。
对电子束光刻的分类，不同的材料有不同的方式但也具有一定的相通之处。梁惠康等人根据电子束斑的形状将电子束光刻设备分为高斯束、变形束和多束电子束[6]。目前用于科学研究的主要是高斯束，其束斑为圆形，无需遵循特定的图案切割规律，可以实现任意图形的曝光（尤其是曲线图形），可以用极小束斑实现极小的线宽（后续对分辨率的评估仍是直接采用线宽而不考虑其他重要参数如拼接精度、套刻精度等），目前国内电子加速电压为(<30keV)的水平，这一点为后面选取电子的加速电压提供参考。
于明岩指出可根据应用角度、束斑形状和成像方式对电子束光刻进行不同的分类，不同的应用目标需要用不同类型的光刻设备。其中同样有高斯束的分类，所以后续模拟采用圆形束斑，束斑半径采用当前所能达到的最小束斑——1.5nm[6]，正好对应Casino模拟程序中’Beam radius’设置的内容。
当今电子束光刻仍面临三个方面的技术性难题：一是绝缘衬底电荷积累加剧了电子束直写图形扫描场拼接的误差；二是高高宽比纳米结构的粘连与塌缩现象制约了后续的刻蚀工艺；三是电子散射产生的电子束曝光邻近效应限制了电子束直写的有效图形分辨率。其中前两个问题分别由使用绝缘衬底以及水的表面张力引起，对于电子束和离子束来说影响是相当的，所以后续的模拟基本不考虑这两个方面的问题来对比电子束和离子束光刻的优劣，而主要根据电子束和离子束因质量不同所导致的散射程度的不同进行对比。
利用Casino模拟的参数设置如下：
图3 Casino模拟程序参数设置
对于光刻胶和基底的设置和离子束光刻一致便于对比，PMMA厚度为60nm，Si的厚度为200nm。电子的数量还是定为2000个，能量需要根据上面所提到的能量范围(<30keV)合理选择，选取1、2、5、10、40keV能量的电子分别进行计算发现电子入射的深度和横向扩散的程度对能量具体数值的依赖程度要比离子束更加明显，考虑到大部分的能量应该沉积在光刻胶中，最终选择2keV能量的电子来和第一问中离子束的模拟结果进行对比。束斑半径为1.5nm，根据当前国际电子束光刻机最高水准确定。
模拟结果如图4所示，可以看出蓝色轨迹最集中的区域大约在 的区域内，可以用来估计大部分能量沉积的区域，但是由于散射所造成的范围扩展大约到了 nm的范围，如果压缩光刻胶厚度，可以在一定程度上减小能量横向沉积范围，但是不利于制备高深宽比图案，而且会提高基底的损伤。根据红线所描述的背散射也可以看出背散射也明显增大了能量的横向沉积范围，尽管背散射的比例不算高，但这在高精度的加工要求下影响也是巨大的。电子束光刻的线宽可以估计为2*20+2*1.5=43nm。
图4 Casino模拟2keV电子束轰击PMMA/Si结果
综上，电子束光刻相对于离子束光刻在同样光刻胶和基底条件下需要更低的入射能量，但是以上所用的能量都是容易达到的，不过电子束光刻对入射能量的不同更加敏感，所以需要对入射粒子的能量有更加精细地把握；单个电子的质量远小于离子，更好控制对应着更小的束斑半径，有利于得到更小的线宽，但是正是因为质量比较小，其散射现象比较严重，临近效应明显，导致线宽增大。而且由于离子更多的造成碰撞移位，电子则更多的造成加热气化，也导致离子比电子更加局域化。
[1] KUBENA R L. A low magnification focused ion beam system with 8 nm spot size [J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 1991, 9(6).
[2] WINSTON D, CORD B M, MING B, et al. Scanning-helium-ion-beam lithography with hydrogen silsesquioxane resist [J]. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2009, 27: 2702-6.
[3] 赵靖. 单离子纳米加工技术与应用研究 [D]; 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2022.
[4] ALVES A, HEARNE S M, SIEGELE R, et al. Ion beam lithography with single ions [J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5650(1): 381-90.
[5] 于明岩. 微纳系统电子束光刻关键技术及相关机理研究 [D]; 哈尔滨理工大学, 2015.
[6] 梁惠康, 段辉高. 电子束光刻设备发展现状及展望 [J]. 科技导报, 2022, 40(11): 33-44. |
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发表于 2023-3-26 15:02:42