1 引言
在过去的几年中，微电子技术已发展到深亚微米阶段，并正在向纳米阶段推进。在此期间，与微电子领域相关的微/纳加工技术得到了飞速发展，如图形曝光（光刻）技术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等。在这些加工技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要推动者，正是由于曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和制备成本持续降低[1]。
几十年来，在半导体器件和IC生产上一直占主导地位的光学曝光工艺为IC产业链的发展做出了巨大贡献。通过一系列技术创新，采用超紫外准分子激光（193 /157nm）的光学曝光机甚至已将器件尺寸进一步推进到0.15～0.13μm，例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-50 00ESI/ASI（Canon公司）。但是，随着器件尺寸向0.1μm以下逼近，光学曝光技术将面临严峻的挑战，例如分辨率的提高使生产设备价格大幅攀升、超紫外光焦深缩短引起的材料吸收问题等，使光学曝光能否突破0.1μm成为业界普遍关注的问题[2～3]。
2 四种电子束曝光系统
电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术，它的特点是分辨率高（极限分辨率可达到3～8μm）、图形产生与修改容易、制作周期短[4，5]。它可分为扫描曝光和投影曝光两大类，其中扫描曝光系统是电子束在工件面上扫描直接产生图形，分辨率高，生产率低。投影曝光系统实为电子束图形复印系统，它将掩模图形产生的电子像按原尺寸或缩小后复印到工件上，因此不仅保持了高分辨率，而且提高了生产率。
2.1 基于改进扫描电镜（SEM）的电子束曝光系统
由于SEM的工作方式与电子束曝光机十分相近，最初的电子束曝光机是从SEM基础上改装发展起来的[6]。近年来随着计算机技术的飞速发展，将SEM改装为曝光机的工作取得了重要进展。
如图1所示，主要改装工作是设计一个图形发生器和数模转换电路，并配备一台PC机。PC机通过图形发生器和数模转换电器去驱动SEM的扫描线圈，从而使电子束偏转。同时通过图形发生器控制束闸的通断，最终在工件上描绘出所要求的图形。通常采用矢量扫描方式描绘图形，即在扫描场内以矢量方式移动电子束，在单元图形内以光栅扫描填充。
对SEM进行改装时，应考虑SEM偏转系统的带宽以及工作台移动精度等对曝光图形误差和图形畸变的影响。目前，高档SEM改装系统的功能接近于专用电子束曝光机，但由于受到视场小、速度低及自动化程度低等限制，在生产率上不可能与专用电子束曝光系统相比。表1列出几种SEM改装型电子束曝光系统的主要性能指标。
2.2 高斯电子束扫描系统
2.2.1矢量扫描方式
曝光时，先将单元图形分割成场，工件台停止时电子束在扫描场内逐个对单元图形进行扫描，并以矢量方式从一个单元图形移到另一个单元图形；完成一个扫描场描绘后，移动工件台再进行第二个场的描绘，直到完成全部表面图形的描绘。
由于只对需曝光的图形进行扫描，没有图形部分快速移动，故扫描速度较高。同时为了提高速度和便于场畸变修正，有部分系统将扫描场分成若干子场，电子束偏转分成两部分：先由16位数模转换器（DAC）将电子束偏转到某子场边缘，再由高速12位DAC 在子场内偏转电子束扫描曝光，如图2所示。系统的特点是采用高精度激光控制台面，分辨率可达1nm以下，但生产率远低于光学曝光系统，并随着图形密度增加而显著降低，因此难以进入大规模集成电路（LSI）生产线[7]。表2 给出了几种典型高斯扫描系统的型号和主要技术指标。
2.2.2光栅扫描系统
采用高速扫描方式对整个图形场扫描，利用快速束闸控制电子束通断，实现选择性曝光。例如美国Etec 公司生产的MEBES系统采用高亮度热场致发射阴极，在掩模版上可获得400A/cm2的束电流密度，工件台在X方向作连续移动时，电子束在Y 方向作短距离重复扫描，从而形成一条光栅扫描图形带。随后工件台在Y方向步进，再描绘相邻的图形带。激光干涉仪对工件台位置进行实时监测并补偿行进中的工件台的位置误差。由于采用了工件台连续移动、大束斑快速充填、高亮度热场致发射阴极等技术，极大地提高了扫描系统生产率，且生产率不受图形密度的影响。
2.3 成型电子束扫描系统
成形电子束曝光系统按束斑性质可分成固定和可变成形束系统。固定成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸始终不变；可变成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。按扫描方式，成形电子束曝光系统又可分为矢量扫描型和光栅扫描型。图3所示为一种尺寸可变的矩形束斑的形成原理，电子束经上方光阑后形成一束方形电子束，再照射到下方方孔光阑上。在偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方孔光阑的矩形束斑的尺寸，形成可变的矩形束斑；采用特殊设计的成形光阑，还可形成三角形、梯形、圆形及多边形等成形电子束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，但曝光效率高，目前广泛用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域，如用于掩模版制作和小批量器件生产等。表3中列出了几种典型成型束系统的生产厂商和主要技术指标。
2.4 投影电子束扫描系统
扫描式电子束曝光系统可以得到极高的分辨率，但其生产率较低，不能满足大规模生产的需要。成形束系统生产率固然有所提高，但其分辨率一般在0.2μm左右，难以制作纳米级图形。近年来研发的投影电子束来曝光系统，既能使曝光分辨率达到纳米量级，又能大大提高生产率，且不需要邻近效应校正。目前在研制中的投影式电子束曝光系统主要有两种。
一种是Lucent公司的SCALPEL系统，如图4 所示，平行电子束照射到SiNx薄膜构成的掩膜上，薄膜上的图形层材料为W/Cr。当电子穿透SiNx 和W/Cr两种原子序数不同的材料时，产生大小不同的散射角。在掩模下方缩小透镜焦平面上设置大小一定的光阑时，通过光阑孔的主要是小散射角的电子，而大散射角的电子则大多数被遮挡，于是在工件面上得到了缩小的掩模图形。再经过分布重复技术，将缩小图形逐块拼接成所要的图形。近期采用散射型掩模取代了吸收型镂空掩模，以及采用角度限制光阑技术使SCA LPEL技术得到迅速的发展，故投影电子束扫描系统极可能成为本世纪0.1μm以下器件大规模生产的主要光刻手段[8]。
