一种晶向对准的方法

1.本技术涉及微纳结构加工技术领域，特别涉及一种晶向对准的方法。


背景技术：

2.高深宽比硅光栅(harsg)是一种重要的短波光学器件，在x射线成像和光谱探测系统中有着广泛的应用。其中，高线密度(大于3000gr/mm)的高深宽比硅光栅是软x射线波段能谱探测系统的关键器件。目前，高深宽比硅光栅的制作技术可以分为三种：单晶硅在碱性溶液中的各向异性湿法刻蚀、基于刻蚀-钝化工艺(bosch工艺)的深反应离子刻蚀、金属辅助化学刻蚀。在前两种技术路线中，由于深宽比与侧壁粗糙度的要求，令硅基底的《111》晶向与光栅刻线方向保持精确平行是一项必要的技术。金属辅助化学刻蚀可以摆脱晶向的限制，但现有的工艺还难以制作同时拥有高刻线密度与大面积(大于cm量级)的高深宽比硅光栅。因此，高线密度光栅刻线方向与硅晶圆《111》晶向的精确对准是一项重要的技术难点。
3.高刻线密度光栅掩模可以通过扫描干涉场曝光(scanning beam interference lithography，sbil)技术进行制备。在此过程中，需要将sbil系统内干涉场的条纹方向与基底的《111》晶向进行对准。现有的技术方案为m.ahn提出的一种将显微成像系统植入sbil系统的方法：首先通过扇形掩模预刻蚀技术,通过一根特定的狭长矩形硅结构表征晶圆的《111》晶向；之后将晶圆放置在sbil系统的工作台上，令工作台在扫描方向运动，通过狭长矩形与显微镜准心的相对移动，可以逐渐调整晶圆的方向，直至显微镜准心在运动过程中始终保持在矩形内部，最后进行曝光，此时《111》晶向与光刻后得到的光栅条纹方向一致，对准误差在0.05
°
以内。
4.上述m.ahn的方法可以令sbil系统制作的光栅掩模方向与硅晶圆的《111》晶向一致，但是，这需要将显微成像系统的光学元件加入到本就结构复杂的sbil系统中，会增加系统的复杂性，导致光路设计难度与装调难度上升。并且，表征《111》晶向的狭长矩形硅结构与显微镜准心之间的对准较为困难，由于对准期间需要反复多次进行调整，且运动过程中也需要持续观察，因此对准流程需要较长的时间，会降低sbil系统的使用效率。


技术实现要素：

5.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种在实现高精度对准的同时提高对准效率，同时避免在sbil系统中引入其它元件的晶向精确对准的方法。
6.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
7.本技术目的之一提供了一种晶向精确对准的方法，包括下述步骤：
8.对硅晶圆进行晶向定位；
9.获取与所述硅晶圆的晶向平行的参考光栅；
10.将带有所述参考光栅的欲曝光的光栅基底置于精密转台上；
11.移动所述精密转台，使位于所述精密转台左右两束曝光光束均在所述光栅基底的法线方向产生衍射光；
12.旋转所述精密转台使两束衍射光重合并获取干涉图样；
13.调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成。
14.在其中一些实施例中，在对硅晶圆进行晶向定位的步骤中，具体包括下述步骤：通过扇形掩模预刻蚀技术对硅晶圆进行《111》晶向定位。
15.在其中一些实施例中，在获取与所述硅晶圆的晶向平行的参考光栅的步骤中，具体包括下述步骤：通过紫外接触式光刻设备制作与晶向平行的参考光栅。
16.在其中一些实施例中，在将带有所述参考光栅与光致抗蚀剂的欲曝光硅晶圆置于精密转台上的步骤中，所述精密转台为二维运动工作台。
17.在其中一些实施例中，所述二维运动工作台由直线电机牵引并分别沿扫描方向和步进方向运动，且扫描方向和步进方向相垂直。
18.在其中一些实施例中，所述参考光栅的刻线方向与扫描方向平行。
19.在其中一些实施例中，在移动所述精密转台，位于所述精密转台左右两束曝光光束均会在法线方向产生衍射光；的步骤中，具体包括下述步骤：
20.移动所述精密转台，使干涉场位于所述参考光栅上，位于所述精密转台的左右两束曝光光束在所述参考光栅的表面重合，左右两束曝光光束均在所述光栅基底法线方向产生衍射光。
21.在其中一些实施例中，在旋转所述精密转台使两束衍射光重合并获取干涉图样的步骤中，具体包括下述步骤：
22.在所述光栅基底的法线方向产生的两束衍射光经过上方的平面镜入射至一侧的ccd上，再通过计算机获取ccd上的实时光强分布图像。
23.在其中一些实施例中，在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤中，具体包括下述步骤：
24.通过调整所述精密转台，使光斑图像出现干涉条纹，之后缓慢调整所述精密转台使干涉条纹的周期达到最大值，此时静态对准完成，所述周期达到最大值即周期大于光斑的直径，光斑范围内无法观测到完整的周期性条纹。
25.在其中一些实施例中，在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤，具体还包括下述步骤：
26.调整所述精密转台在扫描方向匀速移动，所述参考光栅与所述左右两束曝光光束产生的相对移动并使得两个衍射光束之间产生一个随移动距离线性变化的相位差，从而在所述干涉图样的光斑上每一点的光强产生明暗的周期性变化，其变化周期与对准角度误差成反比。
27.在其中一些实施例中，在在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤中的步骤中，还包括下述步骤：
28.所述精密转台每次移动完成后，调节所述精密转台角度，再调节所述精密转台反向移动，重复上述过程，直至找到变化周期最大的转台位置，此时保持所述精密转台位置不变，完成动态对准过程。
29.在完成动态对准过程后还包括下述步骤：通过所述精密转台的移动对光栅基底的剩余区域进行曝光流程，在显影完成后即可获得与硅晶圆方向精确平行的高刻线密度光栅
掩模。
30.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
31.本技术提供的晶向精确对准的方法，对硅晶圆进行晶向定位；获取与所述硅晶圆的晶向平行的参考光栅；将带有所述参考光栅的欲曝光的光栅基底置于精密转台上；移动所述精密转台，使位于所述精密转台左右两束曝光光束均在所述光栅基底的法线方向产生衍射光；旋转所述精密转台使两束衍射光重合并获取干涉图样；调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成，本技术提供的晶向精确对准的方法，通过引入一个光栅周期与sbil系统干涉场周期相匹配的参考光栅作为中间过程，避免了在sbil系统中引入额外元件，并且把耗时较长的过程转移到紫外光刻设备中，提高了sbil系统的使用效率，能够使sbil系统的干涉条纹在(110)硅片表面上精确对准《111》晶体取向，从而在湿法蚀刻工艺中获得超高的蚀刻速率比，制备出高质量的高线密度高深宽比单晶硅光栅。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术提供的晶向精确对准的方法的步骤流程图。
34.图2为本技术采用的参考光栅与扫描干涉场曝光系统干涉条纹对准示意图；
35.图3为本技术采用的基于参考光栅和sbil系统的对准方法原理图；
36.图4为申请提供的参考光栅与曝光场之间x方向相对运动的动态对准过程示意图。
具体实施方式
37.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
38.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
41.请参阅图1，为本实施例1提供的一种晶向精确对准的方法的步骤流程图，包括下述步骤s110至步骤s160，以下详细说明各个步骤的实现方式。
42.步骤s110：对硅晶圆进行晶向定位。
43.在其中一些实施例中，在对硅晶圆进行晶向定位的步骤中，具体包括下述步骤：通过扇形掩模预刻蚀技术对硅晶圆进行《111》晶向定位。
44.可以理解，在对硅晶圆进行晶向定位的步骤中，采用与现有技术的方式相同，所用基底为(110)单晶硅晶圆，表面覆盖40nm厚的氮化硅层。通过紫外接触式光刻在《111》晶向附近制作扇形辐条式的光刻胶掩模，辐条间的角度间隔为0.03
°
，之后通过反应离子刻蚀将掩模转移至氮化硅层。晶圆在氢氧化钾中进行刻蚀，每个辐条的侧向刻蚀宽度与其和《111》晶向的夹角呈正相关。在显微镜下测量各辐条的侧向刻蚀宽度，侧向刻蚀最短的辐条认为与《111》晶向平行，其最大误差为角度间隔的一半，即0.015
°
。
45.步骤s120：获取与所述硅晶圆的晶向平行的参考光栅。
46.在本实施例中，在获取与所述硅晶圆的晶向平行的参考光栅的步骤中，具体包括下述步骤：通过紫外接触式光刻设备制作与晶向平行的参考光栅。
47.具体地，参考光栅采用紫外接触式光刻设备进行制作，所使用的掩模版上的图形包括参考光栅图形以及与参考光栅平行的狭缝。首先在晶圆表面旋转涂敷shipley1805型光致抗蚀剂，通过带有显微镜的接触式光刻系统将掩模版上的狭缝与步骤一中选定的辐条对准，对基底边缘附近区域进行曝光，在氢氧化钠溶液中进行显影，获得参考光栅掩模。掩模版上光栅图形的周期应为扫描干涉场曝光系统中干涉场条纹周期的偶数倍，以实现法线方向的衍射。显影完成后，通过干法刻蚀设备将参考光栅图形转移到基底上。清洗完成后，再次旋转涂敷shipley1805型光致抗蚀剂，并进行前烘，预备进行对准与曝光。
48.步骤s130：将带有所述参考光栅的欲曝光的光栅基底置于精密转台上。
49.在其中一些实施例中，所述精密转台为二维运动工作台。二维运动工作台的扫描运动方向双导轨与步进运动方向双导轨相垂直。工作台由直线电机牵引可以分别沿扫描方向和步进方向运动，同时扫描方向与干涉场条纹方向严格平行。在放置欲曝光基底时，应使参考光栅的刻线方向大致与扫描方向平行。
50.步骤s140：移动所述精密转台，使位于所述精密转台左右两束曝光光束均在所述光栅基底的法线方向产生衍射光。
51.请参阅图2，为本实施例提供的参考光栅与扫描干涉场曝光系统干涉条纹对准示意图，其中，左侧曝光光束1、右侧曝光光束2、反射镜4，5，6，7，8，9、带有参考光栅的基底10、精密转台11、二维工作台12、参考光栅的衍射光束13，14、ccd 15。
52.可以理解，移动所述精密转台11，使干涉场位于所述参考光栅上，左右两束曝光光束1，2通过反射镜3，4，5，6，7，8，在带有参考光栅的基底10,上重合形成曝光场，由于参考周期为干涉场条纹周期的偶数倍，因此左右两路光束曝光光束1，2均会在法线方向产生衍射光。
53.步骤s150：旋转所述精密转台使两束衍射光重合并获取干涉图样。
54.在其中一些实施例中，在旋转所述精密转台使两束衍射光重合并获取干涉图样的步骤中，具体包括下述步骤：在所述光栅基底的法线方向产生的两束衍射光经过上方的平面镜入射至一侧的ccd上，再通过计算机获取ccd上的实时光强分布图像。
55.需要指出，平面镜7并非为实现本发明所引入的额外元件，其在sbil系统中原本的功能是在系统搭建与调试时令工作台扫描方向与干涉条纹方向严格平行。
56.请参阅图3，为本实施例提供的基于参考光栅和sbil系统的对准方法原理图，其中：干涉场曝光光束1，2；待曝光光栅区域3；参考光栅区域4；法线方向衍射光形成的干涉光场5；非法线方向其它级次衍射光形成的干涉光场6，7。
57.在sbil系统中，曝光光场两束光1和2入射到晶圆的参考光栅区域4，两束曝光光束的衍射光8通过晶圆上方的镜面反射被ccd探测器接收。由于不同阶衍射效率的差异，
±
m阶衍射光产生的干涉条纹5对比度最好。将参考光栅4的周期设置为干涉场周期的偶数倍，当曝光系统的两束相干光束都位于光栅的主平面时，理想情况下会在参考光栅表面法线方向4产生两束重合的衍射光束。如果当参考光栅4栅线方向与干涉场条纹方向存在偏差时，左右光束1、2在参考光栅上发生锥面衍射使两束衍射光束1、2偏离法线8方向，从而产生干涉，探测器上衍射光束相干区中的条纹。
58.步骤s160：调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成。
59.可以理解，由于衍射光产生的干涉条纹的周期与偏转角成反比，使用了一个精密转台在sbil系统中精细地调整晶圆的方向，以最大限度地增加干涉条纹周期。将干涉场移动到参考光栅区域4后，通过调整转台进行准直操作，当观察到干涉条纹周期最大时，通过干涉场与晶圆之间的相对运动直接进行曝光过程。在其中一些实施例中，在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤中，具体包括下述步骤：
60.通过调整所述精密转台，使光斑图像出现干涉条纹，之后缓慢调整所述精密转台使干涉条纹的周期达到最大值，此时静态对准完成，所述周期达到最大值即周期大于光斑的直径，光斑范围内无法观测到完整的周期性条纹。
61.请参阅图4，为本实施例提供的参考光栅与曝光场之间x方向相对运动的动态对准过程示意图，其中：运动前干涉场曝光光束1，2；运动后干涉场曝光光束3，4；运动前干涉图样5；运动后干涉图样6。
62.可以理解，当条纹周期大于接收平面光斑尺寸时，通过参考光栅在sbil系统中运动产生的额外相变，可以进一步提高对准过程的精度。当晶圆沿扫描方向x移动时，由于光栅线和曝光场条纹之间存在角度偏差α，曝光场垂直于光栅线y方向的运动将导致两束衍射光束之间的相位差，导致光强在接收面5、6上周期性变化，因此可以通过动态准直过程实现参考光栅与干涉条纹之间的超高对准精度。
63.在其中一些实施例中，在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤，具体包括下述步骤：
64.调整所述精密转台在扫描方向匀速移动，所述参考光栅与所述左右两束曝光光束产生的相对移动并使得两个衍射光束之间产生一个随移动距离线性变化的相位差，从而在所述干涉图样的光斑上每一点的光强产生明暗的周期性变化，其变化周期与对准角度误差成反比。
65.步骤s160：在在调整所述精密转台，使所述干涉图样出现的干涉条纹周期达到最大值，静态对准完成的步骤后，还包括下述步骤：
66.所述精密转台每次移动完成后，调节所述精密转台角度，再调节所述精密转台反向移动，重复上述过程，直至找到变化周期最大的转台位置，此时保持所述精密转台位置不
变，完成动态对准过程完成。
67.具体地，令工作台以0.5mm/s的速度在工作台的扫描方向移动10mm，此时ccd观察到的干涉图样发生周期性的明暗变化，说明参考光栅沿垂直于刻线方向产生位移，即参考光栅的刻线方向与扫描方向之间存在角度误差。进一步调节转台，直至移动过程中干涉图样不产生明显明暗变化，此时说明参考光栅与扫描方向保持一致，也即参考光栅刻线方向与干涉条纹方向一致。该过程的对准精度受到参考光栅尺寸与移动距离的限制，对于10mm的移动距离，其角度对准误差可以控制到0.001
°
。
68.步骤s180：在完成动态对准过程后还包括下述步骤：
69.通过所述精密转台的移动对光栅基底的剩余区域进行曝光流程，在显影完成后即可获得与硅晶圆方向精确平行的高刻线密度光栅掩模。
70.可以理解，调节完成后，保持精密转台角度不变，控制工作台移动使曝光光束形成的干涉场光斑移出参考光栅区域，回到初始位置。控制工作台运动进行曝光流程。曝光与显影完成后，即可获得与晶圆《111》晶向平行的高刻线密度光栅掩模。
71.本技术提供的晶向精确对准的方法，通过引入一个光栅周期与sbil系统干涉场周期相匹配的参考光栅作为中间过程，避免了在sbil系统中引入额外元件，并且把耗时较长的过程转移到紫外光刻设备中，提高了sbil系统的使用效率，能够使sbil系统的干涉条纹在(110)硅片表面上精确对准《111》晶体取向，从而在湿法蚀刻工艺中获得超高的蚀刻速率比，制备出高质量的高线密度高深宽比单晶硅光栅。
72.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
73.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的保护范围之内。