电子束直写制作微波带片

【摘 要】

一种有效的实验用波带片的制作方法,详细说明了波带片的设计与制作过程以及各步骤的注意事项,并由实验给出了测试结果.

【关 键 词】

波带片；设计制作

1引言

随着制造业的发展对加工精度提出了越来越高的要求,传统机床加工精度已经远远不能满足飞速发展的的要求,使得微纳加工的应用领域得到了很大拓展.首先是应用于军事领域,然后被广泛地推广至各个领域.其中电子束光刻技术是推动微米电子学和微纳米加工发展的关键技术,尤其在纳米制造领域中起着不可替代的作用,包括利用电子束直写技术制作波带片.

在惯性约束聚变（ICF）中微米、亚微米级空间分辨的X光成像技术是很重要的等离子体诊断技术之一.目前用于ICF实验中高分辨靶源辐射成像的方法主要有：针孔成像、掠入射显微成像、编码成像、波带片成像等.前三种成像技术完全基于几何光学理论和严格限制高级衍射.所以他们的分辨率都不能达到深亚微米的水平,文献报道目前只有微波片成像技术可以达到5um的空间分辨率,以满足人们的对分辨率的要求.

2微波带片的制作原理

微波带片是一种特殊的光学透镜,它是通过衍射特性对光束进行聚焦的,不是利用器件对光的折射特性进行工作.波带片成像技术能够获得深亚微米、纳米级的实验水平.微聚焦波带片成像和其他方法相比,具有空间分辨率高、聚光效率高、应用范围广等特点.这种成像技术的分辨率完全依赖于微波带片最外环的宽度,通常系统所能获得的极限分辨率是微波带片最外环宽度的1.22倍.如果波带片的最外环宽度是25cm,就可以达到30cm的高空间分辨率.

波带片制作方法主要有机械刻划、激光全息光刻、电子束直写等.机械刻划条件极为苛刻,不仅时间长而且精度不高,很难刻划出亚微米的线条.激光全息光刻虽然能够制作出深亚微米水平的微波带片,但是它的控制精度和分辨率不能与电子束直写相比较.但是,电子束制作可以制作出纳米级的高分辨率图形,却不能够制作高宽比的图形.对于微波带片的制作,采用阴阳图形互换技术,即电子束直写和同步辐射X射线光刻技术混合的光刻方法,充分利用上述两种光刻技术的优点避免他们各自的缺点,先使用电子束直写方法制作低低宽比的阳图形（大面积为透光图形）微波带片,然后用同步辐射X射线光刻技术复制高高宽比的阴图形（大面积为不透光图形）微波带片.

同步辐射X射线之所以被用于光刻,是因为X射线能在很厚的材料上定义出分辨率非常高的图形.由于X射线波长极短,为0.01～10nm数量级,因此分辨率相当高,同步辐射X射线光刻是一种非常好的可用于100nm以下分辨率的光刻技术,且能在这个波段范围内穿透绝大多数材料.同步辐射X射线光刻能得到非常大的光刻线条高宽比,这对满足后步光刻图形的转移及加工的要求非常重要.

3为波带片数据处理

目前常规集成电路设计工具软件中的图形编辑器较难处理圆弧和任意函数曲线等复杂图形,并且图形生成器所产生的任意一个多边形的顶点数不得超过200个点,这样对于制作高分辨率的波带片就形成了一个障碍.实际应用中对于波带片质量的要求极高,如果仅仅制作由200个点构成的圆环,那么最终得到的图形就是一个还有很多棱角的图形,失去了圆环的性质和功能不能满足高分辨率成像的要求.由于制作高分辨率的波带片,特征线条尺寸很小,数据量会很大,如果采用手工通过一个个扇形环面拼接的话,工作量会非常巨大,不好实现而且容易出错,准确度也很难控制.所以我们可以利用如下方法处理圆环.首先将要绘制的每一个圆环分成n份,然后再将每一份分成90份这样就用182个点表示一个多边形,根据实验要求的精度和条件,选取不同的n值,理论上n值越大越逼近圆环,误差就越小；然而如果n值过大,多边形的拼接处就会越多,临近效应就越显著,反而带来不好的影响,并且会使数据量剧增,给处理带来很大的麻烦.

在实验中通过宏文件将每一个圆环分成40份,每一份都用182个顶点来表示,最终很好地消除了棱角和“鼓包”的现象,得到很好的实验结果.“鼓包”是由于电子束系统双造成的.电子束处理两个相邻的图形时,对于交接处电子束要进行两次,从而造成这些地方剂量过大,形成鼓包.

4制作流程

图1电子束制作微波带片掩模流程图

具体的制作工艺流程如图1所示.利用低压化学气相沉积方法,在900℃下将SiH2Cl2/NH3的混合气体通入管道中,在硅片两面同时淀积所需要的2um厚的氮化硅薄膜.将正性抗蚀剂旋涂在硅片的正反两面,使用常规的光刻技术,进行,再使用反应离子刻蚀机,利用6气体在片子的背面刻出所需要的SiNx窗口,利用化学湿法腐蚀法将背面的体硅去掉,留下自支撑的氮化硅薄膜.利用电子束蒸发设备在片子的正面分别形成8nm厚的铬层和15nm厚的金层.在硅片的正面旋涂正性抗蚀剂,利用电子束机进行直写,再经过电镀、去胶、打底金、漂铬等工艺就得到所要制作微波带片的掩模.然后,利用得到的掩模进行同步辐射X射线光刻复制.

5实验结果

成功地实现了阴阳图形互换技术.首先,利用电子束直写成功制成了阳图形微波带片,然后用同步辐射X射线光刻技术复制成功阴图形（大面积为不透光图形）微波带片.

6总结

通过版图自动生成工具,设计了微波带片,解决了常用版图工具设计微波带片等复杂图形的限制,然后利用电子束直写技术和同步辐射X射线光刻技术进行微波带片的制作,并成功获得可以应用到ICF诊断系统的MZP.