电子束曝光系统方案

微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
1.电子束曝光概述
1.1 电子束曝光是什么？
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邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能 量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个 图形的边界也会由于邻近效应而扩展。
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消像散器
由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。 消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正
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电子束曝光（electron beam lithography）指利用某些 高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻 技术的延伸。
紫外光
电子束
普通光刻
电子束曝光
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邻近效应的校正
剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量 下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光 剂量。 将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布 （每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同 的区域分配曝光剂量。
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➢ 电子束曝光概述 ➢ 电子束曝光系统的结构与原理 ➢ CABL9000C电子束曝光系统及关键参数 ➢ 电子束曝光的工艺程序 ➢ 电子束曝光的极限分辨率 ➢ 多层刻蚀工艺
美国Vistec
日本Crestec
VB300 100
CABL9000C 30
50
1
<10
20
164um~1.2mm
60um~600um
6~9 Million
1Million
商业用，性能高，价格高 电子束曝光与电镜两用， 价格低
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5. 电子束曝光的极限分辨率
电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形 却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：
1）稳定的工作环境：温度变化范围±0.2℃，振动2um以下，磁场变 化在0.2uT以下。
2）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电 荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一 般都在100keV。
3）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。 束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。
4）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨 率应尽量使用小扫描场。
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2.1 电子束曝光系统的结构 电子枪
0.5um
钨丝2700K
六硼化镧1800K
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
场发射电极 ZrO/W 电场强度:108N/C
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4.3电子束曝光中的邻近效应
电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生 碰撞，产生散射。
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限制膜孔 电子探测器
工作台 分子泵
场发射电子枪
电子枪准直系统 电磁透镜 消像散器 偏转器
物镜
样品交换室
机械泵
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电子枪准直系统
整个电子光柱由各部分电子光学元 件组装起来，装配高度达1m左右。 任何微小的加工或装配误差都可能 导致电子枪的阴极尖端与最后一级 的透镜膜孔不在同一轴线上。因此 需要装一个准直系统，必要时对电 子枪发出的电子束进行较直。
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4.1抗蚀剂工艺
PMMA优点：分辨率高（10nm），对比度大，利于剥离技术，价格低 缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能力差
HSQ ：负胶，极高的分辨率（<10nm），邻近效应小，灵敏度很低 ZEP-520优点：分辨率高（~20nm），灵敏度较高，耐刻蚀
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1.2 电子束曝光有什么用？
电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用最高 级的电子束曝光设备和特殊显影工艺，能够写出10nm以下 的精细结构。 纳米器件的微结构 集成光学器件，如光栅，光子晶体 NEMS结构 小尺寸光刻掩模板
2nm，最小尺寸20nm
加速电压：一般10~100keV，电 压越高，分辨率越高，邻近效应 越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂 层。30keV
电子束流：束流大，曝光速度快 ，但是束斑尺寸大，分辨率低。
常用：25~100pA
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高分辨率电子束曝光系统
CABL 9000C 微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
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3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
日本CRESTEC 公司生产的CABL9000C
最小束直径：直接影响电子束直 写的最小线宽。
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2.电子束曝光系统的结构与原理
离子泵 离子泵
偏转器
偏转器用来实现电子束的偏转扫描。
物镜
将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表 面的电子束斑。
除以上部分外，电子束曝光系统还包括束流检测 系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、 图形发生器等。
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缺点：去胶较难
稀释剂：ZEP-A（苯甲醚）
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电磁透镜
它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大 限度的到达曝光表面
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光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。 使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。
紫外光波长:常用200~400nm之间
根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的 波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电 子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米 结构提供了很有用的工具。
4.2电子束曝光工艺
绘制曝光图案 样品传入（样品为导体或半导体） 选择束电流 低倍聚焦 选定曝光位置 在Au颗粒处调整像散 高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位 参数设定（位置、剂量、图案数量等） 样品曝光 样品取出显影（ZEP-N50，1min） 曝光图案观察
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缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件； 计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在
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邻近效应的校正
图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。
缺点：校正的动态范围小
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4.电子束曝光的工艺程序
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生产公司
型号 最大电子束能量/keV 扫描速度/MHz 最小曝光图案/nm 扫描场尺寸 价格/USD 评价
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扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可 避免多场拼接；扫描场小，精度高。
60~600um
拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。 20~50nm