用于在衬底上形成微观结构的方法

专利名称：用于在衬底上形成微观结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在衬底上形成微观结构的方法，所述方法包括提供具有表 面的衬底，在所述衬底的表面上形成具有预期形状的图案化种子层(seed layer)，以及以 使得形成具有与衬底的所述表面基本平行的表面的结构的方式加厚所述图案化种子层。
背景技术：
该方法在M. J. Biercuk等人的"Low-temperatureatomic-layer-deposition lift-off method for microelectronic andnanoelectronic applications，，(Appl. Phys. Lett. ， Vol. 83， No. 12， S印t. 2003， pp. 2405-2407， D0I :10. 1063/1. 612904)中被公开。
前述方法公开了在衬底上生长图案化的介电膜。所述衬底是一片具有1 P m厚的 热生长氧化物层的抛光硅晶片。在所述衬底上旋涂抗蚀剂层。通过光刻技术或直接电子束 写入抗蚀剂并且随后显影所述抗蚀剂来在抗蚀剂中形成图案。这使部分衬底被暴露，而衬 底的其余部分被具有大约350nm厚的抗蚀剂层掩蔽。然后第一层前驱物流体被沉积在衬底 的暴露部分上，从而形成图案化种子层。其后通过流体的循环导入(admission)，原子层沉 积(ALD)被用来将所述层加厚到所得到结构的从2.5到lOOnm变动的典型厚度。为得到均 匀的结构厚度和纯度，在每个ALD流体导入步骤之间插入氮清洗步骤。所得到的加厚层例 如是氧化铝"1203)、氧化锆(Zr02)或氧化铪(Hf02)。要注意的是，其上可以利用例如ALD 生长结构的种子层也经常被称作催化剂层。 所述方法的一个缺点是图案化结构的最小特征尺寸受所述光刻工艺和随后刻蚀 的限制。 所述方法的另一个缺点是光刻工艺的使用以及它所暗含的大量步骤。
需要一种形成具有比利用平版印刷技术可得到的更小的尺寸的结构的方法。

发明内容
为此，根据本发明的方法特征在于，形成图案化层包括在有前驱物流体或刻蚀流 体时利用聚焦粒子束照射衬底。 本发明基于这样的概念通过利用聚焦束研磨(mill)均匀种子层或利用束感应 沉积(例如电子束感应沉积(EBID)或离子束感应沉积(IBID))或利用聚焦光束来沉积种 子层，直接形成图案化种子层。 要指出的是，在本文中，研磨指的是利用聚焦离子束除去材料，并且包括利用刻蚀 剂流体的束辅助刻蚀。 还要注意的是，带电粒子束的使用优选用来形成具有低于例如lym的尺寸的微 观结构。正如本领域技术人员已知的，这种利用带电粒子束的研磨和沉积技术能够具有 l-10nm之间的分辨率。然而，对于大体积的直接研磨或沉积是费时的过程，并且因此研磨和 沉积通常以立方微米来表示。利用聚焦离子束的典型研磨速度例如是0. 1 m3/s，而EBID 的典型沉积速度通常小1000x。因此，这些技术不适合利用沉积建造具有超过例如1 P m3的体积的纳米结构以及利用研磨建造具有超过例如100 ym3的体积的纳米结构。
发明人认识到，利用EBID或IBID沉积材料所需要的时间与被沉积的材料的体积 成比例。同样，研磨所需要的时间与被研磨的材料的量成比例。发明人然后认识到，仅通过 借助直接研磨或沉积来形成薄图案化种子层、并且然后利用例如ALD加厚所述图案化种子 层，得到具有相对高生长速率的高分辨率工艺。直接研磨或沉积的费时方面受限于非常薄 层(其可能仅仅是一个原子单层)的研磨或沉积，而通过生长整个种子层以并行方式沉积 材料主体(bulk)。因此它组合了利用聚焦粒子束的研磨或沉积的高分辨率和例如实例ALD 的生长速率，并且消除了与平版印刷有关的工艺步骤。 要注意的是，所述种子层可以包括金属，但可以包括能够诱发生长的任何材料。
据记载，美国专利US 7，303，631公开了在Zn0种子层上生长Zn0纳米线。所公开 的方法与本发明不同之处在于当形成纳米线时，没有维持图案化种子层的形式并且所述 结构的顶部基本上不平行于所述表面。 在根据本发明的方法的实施例中，所述加厚包括原子层沉积(ALD)。 正如本领域技术人员已知的，尽管所述种子层可能(并且经常会)不纯，但是利用
ALD沉积的材料具有高纯度。而且ALD对生长速率提供高控制并且合成层将展现非常均匀
的厚度。 要注意的是，ALD可以包括导入清洗流体以改善ALD沉积的纯度和厚度控制的中 间步骤，正如在例如较早提及的"Low—temperature atomic—layer—deposition lift—off method formicroelectronic and nanoelectronic applications"中提及的。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，所述加厚包括化学汽相沉积(CVD)、等离 子体增强化学汽相沉积(PECVD)、有机金属化学汽相沉积(MOCVD)、或分子束外延(MBE)。
虽然生长速率较少被控制并且因此厚度被较少控制，但是当与例如ALD相比时这 些方法的优点(这些方法全部是本领域技术人员已知的)是它们的高生长速率。当与ALD 相比时这些方法的缺点是经常需要较高的衬底温度。 在根据本发明的方法的又一个实施例中，利用聚焦束照射衬底包括借助于透镜使 掩模成像到衬底上。 使掩模成像到衬底(例如晶片)上的光学及粒子光学设备为本领域技术人员所 熟知。存在两个不同型式其中掩模被放置得极接近晶片的设备，以及其中通过透镜将掩 模成像到衬底上的型式。其中掩模被放置得极接近晶片的型式经常用在例如X射线光刻 中。其中掩模被成像的型式经常与光学光刻和电子束光刻一起使用，其中掩模被縮小几倍， 使得能够使用具有比实现在衬底上的尺寸更大的尺寸的掩模。当与其中在晶片上扫描细束 (thin pencil)的系统相比时，这两个型式都表现出高生产量。然而，当与扫描型式相比时， 它们的灵活性有限。 在根据本发明的方法的又一个实施例中，利用聚焦束照射衬底包括在所述衬底上
扫描所述聚焦束，其中所述聚焦束的聚焦直径小于预期形状的最大尺寸。 在该方法中，聚焦束，例如电子束或离子束，在衬底上被扫描以形成预期形状。因
此仅衬底的一部分能够暴露于粒子，而衬底的其它部分没有被照射。该方法为电子束光刻
领域的技术人员所熟知。 要注意的是，0. Guise等人在"Patterning of sub_10_nm Geislands onSi (1000)by direct self-assembly" (Appl.Phys. Letters 87，171902(2005) ， page 1-3) 中公开了在衬底上写点阵列。该论文公开了在硅晶片上沉积碳点阵列。所述碳点利用臭氧 进行处理，得到较小的点和所述点之间的较洁净的表面(除去碳氢化合物)。在1250K下 的热处理导致SiC成核位置的形成，其后沉积Ge以形成图案化的岛。该方法与根据本发明 的方法的不同之处在于写所述碳点所用的束直径不比所述碳点本身小，并且形成在所述 SiC成核位置上的结构具有圆锥形式，而不是具有平行于衬底的表面的结构。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，在利用聚焦束照射衬底以前在衬底上沉 积同质种子层，并且所述聚焦束在所述同质种子层中研磨图案以便形成图案化种子层。
通过在先前沉积的种子层中研磨(或通过束辅助刻蚀)图案，能够形成具有高边 缘分辨率的图案化种子层。在本文中，研磨和刻蚀包括流体辅助刻蚀。 在根据本发明的方法的另一个实施例中，在加厚所述图案化种子层后形成第二图 案化种子层，并且随后该加厚的图案化种子层和新形成的第二图案化种子层被加厚。
通过在所述过程期间改变图案化的种子，被加厚的区域被改变。结果，由于不同的 加厚时间，微观结构的一部分将具有与其它部分不同的另一厚度。由此形成具有不同厚度 的3D结构。 在根据本发明的方法的另一个实施例中，在加厚所述图案化种子层后，所述结构 的表面的一部分被抑制使得所述被抑制的部分不能被进一步加厚，此后所述结构的剩余部 分被进一步加厚。 这里，通过抑制表面的一部分来改变所述图案化层。结果，该被抑制的部分将不会 进一步加厚，并且形成具有不同厚度的3D结构。 在根据本发明的方法的另一个实施例中，在形成所述结构之后形成第二图案化种 子层，此后利用另一材料来加厚所述第二图案化种子层。 通过改变生长的材料，能够形成具有不同材料层的3D结构。所述不同材料能够被 层制在彼此的顶部上，或者它们能够彼此邻近或它们能够重叠，这取决于所述第二种子层 形成在哪里。 在根据本发明的方法的另一个实施例中，形成该图案以及加厚所述图案化种子层 是在相同设备中完成的。 通过在相同仪器中执行形成种子层和加厚所述层的步骤，就不需要将衬底和种子
层暴露于大气，从而避免在这些步骤之间污染、玷污和/或氧化所述层。 在本发明的一个方面中，一种设备具有用于产生聚焦束的柱(column)，其中所述
束是光束、离子束或电子束，所述设备配有真空室，在该真空室中衬底能够安装在衬底固定
器上，所述衬底固定器被装配成被加热，所述设备配有控制器，所述控制器被装配成控制所
述设备以利用聚焦粒子束照射衬底以形成预定图案，所述控制器被装配成控制所述设备以
导入前驱物和/或刻蚀剂流体到所述真空室，其特征在于所述控制器被进一步装配成控制
所述设备以便以重复的方式将流体导入到样品区。 在该方面，能够在衬底上形成图案并且配有加热台的设备，诸如例如SEM、FIB和/
或具有电子柱和离子柱的仪器，进一步配有用于执行ALD的软件。 在根据本发明的设备的实施例中，所述设备进一步配有厚度测量系统。 通过使所述设备配有厚度测量系统，能够确定所述结构的厚度。通过比较其与预
6定厚度，该测量能够被用来结束所述加厚过程。 在根据本发明的设备的另一个实施例中，所述厚度测量系统利用由于碰撞聚焦粒 子束在衬底中产生的X射线的检测。 由于将被测量的结构的尺寸和厚度对于利用光学方式的可靠测量来说常常太小， 所以能够使用X射线检测。在本身已知的这个方法中，(聚焦)电子束碰撞到其中存在所 述结构的衬底上。结果，(由于电子的穿透能力)从衬底开始的两个顶层(所述沉积材料 的材料)都产生特征X射线。所述结构的材料吸收来自下部衬底的X射线。现在通过比较 特征辐射和/或其强度与例如校准表的比值，能够确定所述层的厚度。要注意的是，所述聚 焦束可以是用于沉积所述种子层的束，但可以是不同的束。


现在参考附图描述本发明，其中相同的参考数字表示相应的元件。这里图1A和 IB示意性地示出在其上具有微观结构的衬底，图2示意性地图示其上形成种子层的衬底， 图3示意性地图示其中掩模被成像到衬底上的粒子_光学设备，图4示意性地示出具有微 观结构的衬底，在其上建造了另一个结构，以及图5示意性地图示将被用于测量通过根据 本发明的方法所沉积的层厚的层厚测量系统。
具体实施例方式
图1A示意性地示出在其上具有微观结构的衬底的截面，而图IB示出从微观结构 生长在衬底上的侧所看到的相同衬底。 图1A和IB示出具有表面11的衬底IO，在其上利用EBID或IBID沉积种子层12。 然后使用例如ALD或CVD利用材料13加厚所述种子层，所述材料示出基本上平行于衬底表 面的表面14。衬底10可以是半导体衬底，例如晶片或芯片，示出例如氧化硅、氮化硅、或氧 化铝的表面。然而，其它材料也可以被用作衬底，例如金刚石或在其上可以沉积种子层的任 何其它材料。 图2示意性地图示在其上形成种子层的衬底。 图2示出衬底IO，聚焦粒子束15，例如电子束或离子束，聚焦在所述衬底10上。一 股前驱物流体16被引导到衬底。结果，种子层12形成在衬底上，其中聚焦粒子束碰撞在衬 底上。 发明人用具有Si(^表面的硅晶片成功地进行了实验，通过将前驱物Me Cp Pt Me3[甲基环戊二烯钼(IV)三甲基(methylcyclopentadienlylplati皿m(IV)trimethyl)的 縮写]暴露于聚焦镓离子束而在硅晶片上沉积铂种子层。 要注意的是，所述种子层可以是将生长在所述种子层的顶部的材料的化合物，但
是使用其它材料也是已知的。因此，钼种子层和钌层可以建造在彼此顶部上。 图3示意性地图示其中掩模被成像到衬底上的粒子_光学设备。 图3示出用于在粒子-光学轴303周围产生粒子束302的粒子源301，例如电子源
或离子源。通过聚光透镜304在平行束305中形成所述粒子束。所述平行束照射掩模306，
所述掩模306示出对束305透明的部分和对所述束不透明的部分。物镜308将掩模成像到
衬底10的表面11上。在位置309(在此衬底被粒子照射)，可以沉积种子层，或者可以在该
7位置研磨或刻蚀先前均匀的种子层。沉积或研磨所需的前驱物或刻蚀剂流体通过气体喷射 系统(GIS)310被引导到衬底。喷嘴311将来自罐312的流体引导到可以被照射的衬底部 分。供应的流体量由阀门313调节，所述阀门313优选在控制器的控制下。
要指出的是，所述设备可以配有其它GIS以便将流体循环导入到衬底以执行ALD。
还要注意的是，掩模中的透明部分可以是切口 (cut-out)，但也可以是薄箔，例如 50nm厚的SiN3、 Si02箔，所述箔对于具有高能(例如100keV)的电子而言是透明的。
要注意的是，作为该投影方法和较早提及的聚焦束扫描的备选方案，也能够使用 多光束仪器来改善生产量。这样的仪器本身是已知的。 图4示意性地示出具有微观结构的衬底，在其上建造了另一个结构。
图4能被认为是来源于图1A。图4示出在其上沉积了第一种子层12的衬底10。 通过ALD或通过另一种沉积技术，例如CVD，在该第一种子层上沉积第一材料13。在所述第 一种子层上沉积所述第一材料13之后，沉积第二种子层401a、401b。在该实例中，所述第二 种子层的部分401b沉积在衬底上且所述第二种子层的部分401a沉积在已经沉积的第一材 料13上。其后，在所述第二种子层上沉积第二材料402a、402b。要指出的是，该第二材料可 以具有与所述第一材料相同的组分，但它可以是不同的组分。 该方法可以用来建造3D结构。通过重复使用该方法能够建造3D结构，其中一种
材料被嵌入在另一种材料中。例如重金属结构能够被嵌入在具有低Z的材料中。这能够
被用来建造例如供X射线光学装置使用的准直仪结构或(菲涅耳)透镜结构。 要注意的是，可以在所述第一材料13上沉积第二层，所述第二层抑制所述结构在
沉积该第二层的区域上的进一步生长。然后通过在没有沉积所述第二层的区域上继续加厚
所述层，建造3D结构。 还要注意的是，通过相对于所述聚焦粒子束稍微倾斜衬底，在已经生长的结构的 顶部上的所述第二种子层401a的部分能够被制成与所述衬底上的第二种子层401b的部分 连续或不连续。 图5示意性地图示将被用于测量通过根据本发明的方法所沉积的层厚的层厚测 量系统。 图5能被认为是来源于图1A。衬底10的表面11被图案化种子层12部分地覆盖。 在该种子层上沉积材料13，示出表面14。现在通过聚焦电子束504照射该结构。结果，在 沉积的材料13中产生X射线(X射线502)以及在衬底中产生X射线(X射线501)。利用 X射线检测器(503)(例如EDX检测器)来检测这些X射线的一部分。在衬底10中产生的 X射线被该材料部分地吸收，所述X射线必须传播通过所述材料以到达检测器，因此对于厚 层而言，将检测到来自衬底的较少X射线。另一方面，对于非常薄的沉积层，仅在沉积层中 产生很少的X射线。因此检测的来自衬底的X射线与那些来自沉积层的X射线的比值是层 厚的函数。通过比较该比值与校准表，能够高精度地确定甚至非常小的结构的厚度。
要注意的是，所述比值也是电子的穿透能力的函数，正如本领域技术人员已知的， 所述电子的穿透能力是电子能量的函数。因此，能够针对将被测量的厚度来调整所述聚焦
权利要求
一种在衬底上形成微观结构的方法，所述方法包括提供具有表面(11)的衬底(10)，在所述衬底的表面上形成具有预期形状的图案化种子层(12)，以及以使得形成具有与所述衬底的表面基本平行的表面(14)的结构(13)的方式加厚所述图案化种子层，其特征在于形成所述图案化种子层包括在有前驱物流体或刻蚀流体(16)时利用聚焦束(15)照射衬底。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述聚焦束是聚焦光束、聚焦离子束或聚焦电子束。
3. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加厚包括原子层沉积(ALD)。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加厚包括化学汽相沉积(CVD)、等 离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、有机金属化学汽相沉积(M0CVD)、或分子束外延(MBE)。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中利用聚焦束(309)照射衬底(10)包括借 助于透镜(308)将掩模(306)成像到衬底上。
6. 如权利要求l-4中任一项所述的方法，其中利用聚焦束(15)照射衬底(10)包括在 所述衬底(10)上扫描所述聚焦束，其中所述聚焦束的聚焦直径小于所述预期形状的最大 尺寸。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在利用聚焦束(15)照射衬底(10)之前 在衬底上沉积同质种子层，并且所述聚焦束在所述同质种子层中研磨或刻蚀图案以便形成 图案化种子层。
8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在加厚所述图案化种子层(12)后，形成 第二图案化种子层(401a，401b)，并且加厚的图案化种子层和新形成的第二图案化种子层 随后被加厚。
9. 如权利要求l-7中任一项所述的方法，其中在加厚所述图案化种子层(12)后，所述 结构的表面的一部分被抑制使得所述被抑制的部分不能被进一步加厚，此后所述结构的剩 余部分被进一步加厚。
10. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在形成所述结构之后，形成第二图案化 种子层(401a，401b)，此后利用另一种其它材料(402a，402b)加厚所述第二图案化种子层。
11. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中形成所述图案化种子层(12)和加厚所 述图案化种子层是在相同设备中完成的。
12. 具有用于产生聚焦束的柱的设备，其中所述束是光束、离子束或电子束，所述设备 配有真空室，在该真空室中衬底(10)能够安装在衬底固定器上，所述衬底固定器被装配成 被加热，所述设备配有控制器，所述控制器被装配成控制所述设备以利用聚焦束照射衬底 以便形成预定图案，所述控制器被装配成控制所述设备以将前驱物和/或刻蚀剂流体导入 到所述真空室，其特征在于所述控制器被进一步装配成控制所述设备以重复的方式将流体导入到衬底。
13. 如权利要求12所述的设备，其中所述设备进一步包括厚度测量系统。
14. 如权利要求13所述的设备，其中所述厚度测量系统利用由于碰撞聚焦粒子束在衬底中产生的X射线的检效
全文摘要
本发明涉及用于在衬底上形成微观结构的方法。通过在有前驱物流体时在衬底上扫描聚焦粒子束，形成图案化种子层。现在通过利用原子层沉积或化学汽相沉积来生长该层，能够生长高质量层。该方法的优点在于由于仅需要沉积非常薄的层所以形成所述种子层花费相对很少的时间。
文档编号B81C1/00GK101746709SQ200910262418
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月19日
发明者A·F·德琼格, A·J·M·麦克库斯, J·J·L·穆尔德斯, W·M·M·克塞尔斯 申请人:Fei公司