10纳米以下图形加工的关键工艺问题研究

High-resolution nanofabrication is the key technique for sub-22-nm-node integrated circuits and nanodevices. Currently, top-down fabrication method, including lithography, development, thin-film deposition, reactive ion ethcing,and lift off, is the doninant option for high volume industrial manufacturing and also for laboratory-scale research and development. According to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), the critical dimension (CD) for ultra-large-scale integrated circuits will reach to 10 nm or below (several tens of atoms) in 2020. The dominant nanofabrication technique will still be top-down method. However, when the dimension of nanostructures is less than 10 nm, the fabrication processes will be different from those currently being used due to the physical and processing limits of materials. Up to now, researchers have not carried out systematic studies on the key processes at the sub-10-nm scale. In this project, we propose to do a systematic study on the general processes in sub-10-nm fabrcation, which will enable us understand the physical limiting factors on the fabrication resolution and subsqently help us overcome the limiting factors for futher improving the resolution. The main research plans include: (1)the resist process for sub-10-nm fabrication, especially focusing on its development process, (2) the influence of capillary force and material mechanical stability on the fabrication resolution and the methods to overcome it, and (3) high-resolution pattern transfer techniques at the sub-10-nm scale, including reactive ion etching, ion milling, lift-off, and nanoimprinting.

高分辨纳米加工是22nm节点以下集成电路制造以及人工微纳结构器件研发中的关键技术。以曝光、显影、薄膜沉积、干法刻蚀、湿法剥离为主要工艺的自上而下纳米加工是目前超大规模集成电路制造的主要选择。根据国际半导体技术路线发展图，集成电路的关键尺寸在2020年将达到10nm（几十个原子）左右。然而，当纳米结构的尺寸到10nm以下时，由于各种工艺和物理限制因素，其加工方法将与当前产业界的常规工艺有所区别，而目前研究人员对该尺寸下的关键加工工艺还无系统的研究。本项目前瞻性地对10nm以下图形加工的通用工艺进行研究以得到各种工艺的物理限制因素并探索突破限制的方法，为未来10nm以下技术节点极大规模集成电路制造提供技术积累和工艺选择。主要研究内容包括：（1）10nm以下图形加工的抗蚀剂工艺及其显影行为研究；（2）该尺度下纳米结构力学稳定性对加工分辨率的限制及其相应的解决办法；（3）该尺度下的高分辨图形转移。

高分辨纳米加工是集成电路制造以及人工微纳结构器件研发中的关键技术。以曝光、显影、薄膜沉积、干法刻蚀、湿法剥离为主要工艺的自上而下纳米加工是目前超大规模集成电路制造的主要选择。根据国际半导体技术路线发展图，集成电路的关键尺寸在2020 年将达到10nm（几十个原子）左右。然而，当纳米结构的尺寸到10nm 以下时，由于各种工艺和物理限制因素，其加工方法将与当前产业界的常规工艺有所区别。系统地研究亚10nm尺度的关键图形加工工艺将有效促进集成电路及人工微纳结构器件相关的研发。. 本项目针对10nm 以下图形加工的通用工艺进行研究以得到各种工艺的物理限制因素并探索突破限制的方法，主要研究内容包括：（1）新型亚10nm电子束抗蚀剂的研究；（2）亚10nm尺度高分辨图形转移工艺研究；（3）亚10nm图形加工工艺的光学应用研究。. 本项目执行以来，已发表相关的学术论文12篇，正在撰写学术论文4篇，支持4名研究生进行相关研究。取得的重要进展包括：（1）通过悬空亚10nm HSQ结构的方法，可靠地制作了亚10nm尺度的金属间隙结构；（2）通过模板剥离方法可靠地制作了亚10nm金属间隙阵列并应用于等离激元光子学研究；（3）通过金属表面的分子修饰，大大提高了HSQ与金属之间的吸附，为金属基底上进行亚10nm图形制作提供了解决方案；（4）通过结合金属去湿润工艺和单层石墨烯亚纳米厚度的优势，可靠地制作了大面积的亚10nm金属间隙结构并展示了其在表面增强拉曼光谱领域的应用；（5）通过结合自下而上的化学气相合成方法，大面积高均匀性地制作了高品质因子金纳米颗粒阵列，颗粒的尺寸或者颗粒之间的间隙可达到亚10nm尺度并可应用于暗场散射光谱或者增强拉曼光谱相关的研究。. 本项目一方面开发了多种亚10nm图形制作的方法，另一方面也使我们加深了对10nm尺度图形加工极限的理解。其顺利实施为亚10nm尺度人工微结构器件以及集成电路版图制造提供新的技术选择和工艺积累。