微細(xì)加工非光學(xué)光刻第一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二投影式

X

射線（極紫外光）X

射線電子束離子束接近式

X

射線直寫曝光（無(wú)掩模）投影曝光（有掩模）第二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.1高能束與物體之間的相互作用

本節(jié)主要討論

X

射線、電子束、離子束與固體之間的相互作用。

一、X

射線與固體之間的相互作用X

射線光刻所用的波長(zhǎng)在λ=0.2~4

nm

的范圍，所對(duì)應(yīng)的

X

射線光子能量為

1~10

k

eV。在此能量范圍，X

射線的散射可以忽略。X

射線光子的能量損失機(jī)理以光電效應(yīng)為主，損失掉的能量轉(zhuǎn)化為光電子的能量。第三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

能量損失與分辨率的關(guān)系分辨率取決于

X

射線的波長(zhǎng)與光電子的射程兩者中較大的一個(gè)。當(dāng)

X

射線波長(zhǎng)為

5

nm左右時(shí)兩者相等，這時(shí)可獲得最佳分辨率，其值即約為

5

nm。但在

X

射線光刻技術(shù)中，由于掩模版等方面的原因，波長(zhǎng)取為0.2~4

nm，其相應(yīng)的光電子射程為

70~20

nm。但是實(shí)際上這并不是限制

X

射線光刻分辨率的主要因素。后面會(huì)講到，限制

X

射線光刻分辨率的主要因素是

掩模版的分辨率，以及

半影畸變

和

幾何畸變。第四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

二、電子束與固體之間的相互作用電子束與固體之間的相互作用有很多種，例如二次電子、散射電子、吸收電子、電子空穴對(duì)、陽(yáng)極發(fā)光、X

射線、俄歇電子等。影響電子束曝光分辨率的主要是

散射電子

。

1、電子的散射入射電子與固體中另一粒子發(fā)生碰撞，發(fā)生動(dòng)量與能量的轉(zhuǎn)移，方向改變，能量減少，波長(zhǎng)增大。電子在光刻膠中的散射次數(shù)與光刻膠厚度成正比，與入射電子的初始能量

E0

成反比，典型值為幾到幾十次。第五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

散射角：電子散射后的方向與原入射方向之間的夾角。

前散射（小角散射）：散射角<90o

背散射（大角散射）：散射角=90o~180o實(shí)驗(yàn)表明，前散射使電子束變寬約

0.1

m，而背散射電子的分布區(qū)域可達(dá)到

0.1~1

m

。所以

背散射是影響電子束曝光分辨率的主要因素。第六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、光刻膠的能量吸收密度電子束曝光的分辨率主要取決于電子散射的作用范圍，而此范圍可用光刻膠的能量吸收密度分布函數(shù)來(lái)表示。由于能量密度函數(shù)是軸對(duì)稱的，與變量無(wú)關(guān)，故可表為

E(

r,z

)。第七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

3、光刻膠完成曝光所需的能量密度設(shè)

g0為每吸收一個(gè)電子伏特的能量所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（交聯(lián)或降解）數(shù)，即反應(yīng)產(chǎn)率，則(1/g0)表示每發(fā)生一個(gè)反應(yīng)所需的能量。單位體積光刻膠中的分子數(shù)可表為，其中

NA

為阿伏加德羅常數(shù)，M

為平均分子量。則要使單位體積的光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)所需的能量（即能量密度）為第八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二令光刻膠的實(shí)際能量吸收密度E(

r,z

)

與完成曝光所需的能量密度

E0

相等，即

E(

r,z

)

=E0，可以得到一個(gè)等能量密度曲面。顯然，在這個(gè)曲面之內(nèi)的光刻膠將全部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯影時(shí)將全部溶掉（以正性膠為例）。所以此曲面也就是顯影后的光刻膠剖面輪廓。電子束顯影后第九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(1)首先，假設(shè)入射電子束的分布是函數(shù)，即單位沖擊函數(shù)，其具有如下性質(zhì)，

4、計(jì)算能量吸收密度

E(

r,z

)的方法第十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)然后，利用

Monte-Carlo

法模擬，得到下圖的結(jié)果第十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二通過(guò)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn)，a、β>>α

，所以背散射是影響分辨率的主要因素；b、光刻膠較薄時(shí)，能量密度的分布范圍較小；c、入射電子初始能量E0的影響是：對(duì)ff，E0越大，則α越小；對(duì)fb，當(dāng)

E0

增大時(shí)，β先增大，然后減??；d、低原子序數(shù)材料中的散射一般要小一些。(3)對(duì)此模擬結(jié)果進(jìn)行

曲線擬合，可得到近似的分析函數(shù)，為

雙高斯函數(shù)

，即第十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(4)當(dāng)入射電子為任意空間分布函數(shù)時(shí)，其吸收能量密度是與的

卷積積分，例如，當(dāng)電子束分布為

高斯圓形束

時(shí)，式中，為高斯電子束的標(biāo)準(zhǔn)偏差。第十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(5)膠層等能量密度剖面輪廓實(shí)際的曝光圖形，既不是函數(shù)，也不是僅僅一個(gè)孤立的圓形束斑，如果是一條有寬度的線條，其能量吸收密度應(yīng)當(dāng)是各入射電子束的作用的總和，如下圖所示。

設(shè)電子束的束流為

IB，在每個(gè)點(diǎn)上停留的時(shí)間為t，則每個(gè)束斑上的入射電子數(shù)為(IBt

/

q)，每個(gè)束斑產(chǎn)生的吸收能量密度為則在離線條距離為x的點(diǎn)

P

下面深度為z處的能量吸收密度為第十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

用上述模擬方法對(duì)硅上的

PMMA

膠進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果以及實(shí)際的膠層剖面輪廓如下圖所示，模擬結(jié)果實(shí)際結(jié)果第十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

5、電子束曝光的鄰近效應(yīng)及其修正方法已知電子的散射特別是背散射，其影響范圍可與電子射程或膠層厚度相當(dāng)，這稱為電子束曝光的

鄰近效應(yīng)。對(duì)于一個(gè)其線度

L

遠(yuǎn)大于電子散射范圍

R

的圖形，雖然其中間部分的曝光是均勻的，但邊緣部分的情況就不同了，如下圖所示，能量密度內(nèi)鄰近效應(yīng)互鄰近效應(yīng)無(wú)散射時(shí)內(nèi)鄰近效應(yīng)互鄰近效應(yīng)第十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

鄰近效應(yīng)的后果(1)對(duì)L>>R的孤立圖形，使邊緣模糊。(2)對(duì)L<=R的孤立圖形，使邊緣曝光不足，圖形變小、變圓，甚至曝不出來(lái)。(3)對(duì)間距a<=R的多個(gè)圖形，使間距變小，甚至相連。減小電子鄰近效應(yīng)的方法減小入射電子束的能量（因β隨E0先大后?。虿捎玫驮有驍?shù)的襯底與光刻膠。第十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

修正電子鄰近效應(yīng)的方法電子束圖形曝光顯影后有鄰近效應(yīng)幾何修正劑量修正第十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二離子束與固體之間的相互作用有：散射（碰撞）、輻射損傷（產(chǎn)生位錯(cuò)）、濺射（刻蝕及鍍膜）、俘獲（離子注入）、激發(fā)、電離、電子發(fā)射、二次離子發(fā)射等。這些效應(yīng)的強(qiáng)弱隨入射離子的能量不同而不同。用于集成電路制造技術(shù)的入射離子能量范圍為

三、離子束與固體之間的相互作用刻蝕、鍍膜：<10

k

eV曝光：10

keV~50

k

eV離子注入：>50

k

eV第十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.2直寫電子束光刻系統(tǒng)電子束的波長(zhǎng)短，因此電子束曝光的分辨率很高，是目前獲得深亞微米高分辨率圖形的主要手段之一。質(zhì)量m和加速電壓

Va越大，則波長(zhǎng)λ越小。電子、離子等微觀粒子具有波粒二象性，由德布羅意關(guān)系又由代入波長(zhǎng)λ中，得第二十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二考慮到相對(duì)論效應(yīng)后，λ應(yīng)修正為電子束曝光的加速電壓范圍一般在

Va=10~30

kV，這時(shí)電子波長(zhǎng)λ的范圍為0.012~0.007

nm。將h=6.62×10-27

erg/s，q=4.8×10-10

絕對(duì)靜電單位，電子質(zhì)量m=9.1×10-27

g代入，得第二十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二電子束本身的分辨率極高，可以達(dá)到0.01

m

以下，但是在光刻膠上一般只能獲得

0.1

m

左右的線寬。限制電子束曝光分辨率的因素有，1、光刻膠本身的分辨率2、電子在光刻膠中的散射引起的鄰近效應(yīng)3、對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題第二十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

電子束曝光方式電子束曝光主要采用無(wú)掩模的直寫方式（掃描方式），此外也有投影方式，但無(wú)接觸式。直寫曝光（無(wú)掩模）電子束曝光方式光柵掃描矢量掃描投影曝光（有掩模）第二十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

一、直寫電子束光刻機(jī)工作原理除電子光學(xué)柱系統(tǒng)外，還有如真空系統(tǒng)、工件臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)電子束控制工件臺(tái)控制電子槍光閘硅片電子束聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電子光學(xué)柱系統(tǒng)第二十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

二、電子束發(fā)射聚焦系統(tǒng)

1、電子槍要求：亮度高、均勻性好、束斑小、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)。(1)熱鎢絲電子槍。束斑直徑約為

30

m

。特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，對(duì)真空度要求低，但亮度低，壽命短，噪聲大。

(2)

LaB6

電子槍。是目前流行的電子束光刻機(jī)用電子槍，其特點(diǎn)是

亮度高，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，但對(duì)真空度要求高，使用條件嚴(yán)格；能散度大，聚焦困難，束斑大。(3)場(chǎng)致發(fā)射電子槍。由Zr/W/O材料制造的尖端構(gòu)成，其特點(diǎn)是

亮度更高，能散度低，束斑小，噪聲低，壽命長(zhǎng)，但需要的真空度更高，高達(dá)1.33×10-6

Pa（1×10

–8

Torr），且穩(wěn)定性較差。第二十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、聚焦系統(tǒng)

作用：將電子束斑聚焦到0.1

m

以下。要求：幾何像差小、色差小。結(jié)構(gòu)種類：采用2~3級(jí)

靜電透鏡

或

磁透鏡

聚焦系統(tǒng)。

磁透鏡：由流過(guò)線圈的電流產(chǎn)生的一個(gè)對(duì)稱磁場(chǎng)所形成，對(duì)電子束有聚焦作用。第二十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

三、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用：使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在光刻膠上進(jìn)行掃描與曝光，描畫出所需要的圖形。要求：偏轉(zhuǎn)像差小，圖形清晰，分辨率高，偏轉(zhuǎn)靈敏度高，偏轉(zhuǎn)速度快。結(jié)構(gòu)種類：磁偏轉(zhuǎn)

與

靜電偏轉(zhuǎn)

。

磁偏轉(zhuǎn)器的電感較大，掃描頻率較低；靜電偏轉(zhuǎn)器的電容較小，掃描頻率較高，兩者相差上萬(wàn)倍。此外，靜電偏轉(zhuǎn)器的光學(xué)性能較好，像差較小。實(shí)際使用時(shí)，有磁偏轉(zhuǎn)、電偏轉(zhuǎn)、磁-電偏轉(zhuǎn)、磁-磁偏轉(zhuǎn)、電-電偏轉(zhuǎn)等多種組合方式。偏轉(zhuǎn)器與磁透鏡之間的位置也有多種組合方式。第二十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1、光閘機(jī)構(gòu)控制采用“靜電偏轉(zhuǎn)器+光闌”的方式對(duì)電子束通斷進(jìn)行控制。

四、控制系統(tǒng)對(duì)光閘、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和工件臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制。靜電偏轉(zhuǎn)器光闌當(dāng)V=+E時(shí)V當(dāng)V=0時(shí)

2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)掃描控制只應(yīng)用于矢量掃描方式，使電子束根據(jù)集成電路圖形的要求做出規(guī)定的偏轉(zhuǎn)，完成掃描曝光。第二十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1、高斯圓形束光柱采用點(diǎn)光源和圓形光闌，上靶束斑的電流密度在橫截面上呈二維高斯分布，等流線為圓形。束斑直徑為0.1~1

m

，最小可達(dá)到

0.01

m。其主要優(yōu)點(diǎn)是

分辨率高，制作圖形時(shí)精細(xì)靈活。主要缺點(diǎn)是

曝光效率低。

五、電子光學(xué)柱的類型

第二十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、固定方形束光柱采用面光源和方形光闌。束斑尺寸一般取為圖形的最小特征尺寸。主要優(yōu)點(diǎn)是

曝光效率高，主要缺點(diǎn)是曝光不靈活，某些區(qū)域可能被重復(fù)曝光而導(dǎo)致曝光過(guò)度。第三十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二成形偏轉(zhuǎn)板光闌

1光闌

2通過(guò)光闌1后形成的固定方形束與光闌

2

的相互位置偏轉(zhuǎn)后的方形束通過(guò)光闌

2

后形成的可變矩形束

3、可變矩形束光柱主要優(yōu)點(diǎn)是曝光效率更高，更靈活，且無(wú)重復(fù)曝光區(qū)域。主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。但由于它是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精細(xì)圖形的直接書寫、高生產(chǎn)效率曝光的重要手段，已經(jīng)得到了越來(lái)越多的使用。所產(chǎn)生的矩形束斑的尺寸可按需要隨時(shí)變化。由兩個(gè)方形光闌和兩個(gè)x、y方向的成形偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成。第三十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

4、三種光柱曝光效率的比較例1、10d5d5d10d13d115d2例2、1MDRAM

的芯片尺寸為

9.6×9.6

mm2，最小線寬

1

m，平均曝光面積4×4

mm2，曝光圖形約為460

萬(wàn)個(gè)。每個(gè)

4

英寸硅片上可容納52

個(gè)芯片。若采用D=0.25

m的高斯圓形束，每點(diǎn)的曝光時(shí)間為1

s，則單純用于曝光的時(shí)間近

4

個(gè)小時(shí)；若采用可變矩形束，每點(diǎn)的曝光時(shí)間為1.8

s，則單純用于曝光的時(shí)間僅

7

分鐘。第三十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

六、直寫電子束光刻機(jī)的掃描方式

1、光柵掃描采用高斯圓形束。電子束在整個(gè)掃描場(chǎng)里作連續(xù)掃描，通過(guò)控制光閘的通斷來(lái)確定曝光區(qū)與非曝光區(qū)。光柵掃描的優(yōu)點(diǎn)是

控制簡(jiǎn)單，不需對(duì)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制。缺點(diǎn)是

生產(chǎn)效率低。由于掃描場(chǎng)的范圍較小，必須配合工件臺(tái)的移動(dòng)來(lái)完成對(duì)整個(gè)硅片的曝光。按工件臺(tái)的移動(dòng)方式又可分為

分步重復(fù)光柵掃描

和

連續(xù)光柵掃描

兩種。第三十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、矢量掃描除高斯圓形束外，也可以采用固定方形束或可變矩形束。矢量掃描的優(yōu)點(diǎn)是

曝光效率高，因?yàn)殡娮邮恍鑼?duì)占總面積約60%~70%的無(wú)圖形區(qū)域進(jìn)行掃描，而且可采用可變矩形束。缺點(diǎn)是

控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些，因?yàn)槭噶繏呙璞仨殞?duì)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，而不象光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。第三十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.3直寫電子束光刻概要和展望直寫電子束光刻的主要優(yōu)點(diǎn)是

分辨率高，作圖靈活。主要缺點(diǎn)是

曝光效率低，控制復(fù)雜。為了提高效率，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了高亮度源、矢量掃描系統(tǒng)、與大數(shù)值孔徑透鏡相結(jié)合的低感應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈等。但是直寫電子束光刻在最好的情況下也比光學(xué)光刻系統(tǒng)慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。可能的解決方法是使用一種大量電子束源同時(shí)曝光的多電子束曝光系統(tǒng)，直寫電子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于產(chǎn)量不大，但要求分辨率特別高，圖形要經(jīng)常變化的場(chǎng)合，如高速

GaAs

集成電路等。第三十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.4X

射線源

為了提高分辨率，可以采用波長(zhǎng)λ=0.2~4nm

的X

射線作為曝光的光源。

1、電子碰撞

X

射線源

用高能電子束轟擊金屬靶（如Al、W、Mo），使靶金屬的內(nèi)層束縛電子離開(kāi)靶材料，當(dāng)另一個(gè)束縛電子去填充這一空位時(shí)，即可發(fā)射出

X

射線。這種X

射線源的主要缺點(diǎn)是效率很低，只有幾萬(wàn)分之一。功率消耗達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦，并產(chǎn)生大量的熱。除了用水冷卻外，還可使陽(yáng)極高速旋轉(zhuǎn)。第三十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、等離子體

X

射線源用聚焦的高能電子束或激光束轟擊金屬薄膜，使之蒸發(fā)成為等離子體。超熱的金屬等離子體蒸汽將發(fā)射

X

射線，波長(zhǎng)為0.8~10

nm。這種

X

射線源從激光到

X

射線的轉(zhuǎn)換效率約為

10%，光強(qiáng)比較強(qiáng)，并有非常小的直徑，比較適合于光刻。第三十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二X

射線硅片

電子在同步加速器中作圓周運(yùn)動(dòng)，加速方向與其運(yùn)動(dòng)切線方向相垂直，在沿運(yùn)動(dòng)方向的切線上發(fā)射出

X

射線，電子在發(fā)射

X

射線過(guò)程中損失的能量在射頻腔中得到補(bǔ)充。

3、同步加速器

X

射線源第四十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二這種

X

射線源的亮度最強(qiáng)，效率較高，一臺(tái)

X

射線源可以支持多達(dá)

16

臺(tái)曝光設(shè)備。但這種

X

射線源極其龐大昂貴，電子同步加速器的直徑可達(dá)5米以上。限制來(lái)自磁場(chǎng)方面。如果將來(lái)能獲得高臨界溫度的超導(dǎo)材料，則利用超導(dǎo)磁場(chǎng)可建立直徑約2米的緊湊型電子同步加速器。此外，這種

X

射線源還存在輻射安全問(wèn)題。第四十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二靶激光X

射線掩模版硅片抽氣由于很難找到合適材料對(duì)

X

射線進(jìn)行反射和折射，X

射線透鏡的制造是極其困難的，因此只能采用

接近式曝光方式。為了使由點(diǎn)光源發(fā)射的

X

射線盡量接近平行光，應(yīng)該使光源與掩模的距離盡量遠(yuǎn)。對(duì)于大規(guī)模集成電路的制造來(lái)說(shuō)，由于受到掩模尺寸的限制，只能采用

步進(jìn)的

接近方式。

9.5接近式

X

射線系統(tǒng)第四十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二光刻用的

X

射線波長(zhǎng)約為

1nm，可以忽略衍射效應(yīng)。影響X

射線分辨率的主要因素是由于

X

射線源不是嚴(yán)格的點(diǎn)光源而引起的

半影畸變，和由于

X

射線的發(fā)散性而引起的

幾何畸變。第四十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二要使δ和max減小，應(yīng)增大D或減小S。但太大的D值會(huì)減小X射線的強(qiáng)度。另外，由于幾何畸變的影響要比半影畸變的大，可以采用步進(jìn)的方法來(lái)減小每步曝光的視場(chǎng)尺寸

W，從而減小幾何畸變max，或在設(shè)計(jì)掩模版時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。例如，若d=5

mm，D=400

mm，S=5

m

，則半影畸變?chǔ)?0.06

m

。視場(chǎng)直徑

W

要根據(jù)所允許的幾何畸變

max

來(lái)確定。如果允許

max=0.1

m，則

W

僅為

16

mm。反之，若

W

為

100

mm，則max會(huì)高達(dá)0.6

m。第四十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二正在研究中的

X

射線反射鏡與透鏡1、掠射角金屬反射鏡2、Kumakhov透鏡3、多層反射鏡第四十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二X

射線光刻工藝最困難的地方之一就是掩模版的制造，對(duì)掩模版的基本要求是反差要大，但是對(duì)于

X

射線，當(dāng)波長(zhǎng)小于0.2

nm

時(shí)，對(duì)絕大部分材料都能穿透；當(dāng)波長(zhǎng)大于

4

nm

時(shí)，對(duì)絕大部分材料都將被吸收。只有在

0.2

nm~4

nm

的范圍內(nèi)，可以用低吸收的輕比重材料如Si、Si3N4、SiC、BN等制作透光部分，厚度約2

~

10

m

；用重金屬材料如

Au、Pt、W、Ta

等制作不透光部分，厚度約

0.2

~

0.5

m。

9.6薄膜型掩模版第四十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二表面摻硼背面氧化N-Si背面光刻正面蒸金光刻金腐蝕硅第四十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由于透光與不透光的材料之間存在較大的應(yīng)力，使掩模版的精度受到影響。正在開(kāi)發(fā)楊氏模量較大的金剛石作為基片，但價(jià)格昂貴，加工困難。由于不能采用縮小曝光，給制版造成困難。此外，掩模版的清洗和維修問(wèn)題也沒(méi)有解決。因此至今尚無(wú)商業(yè)化的

X

射線掩模版的供應(yīng)。原來(lái)預(yù)計(jì)，對(duì)于

0.5

m

以下的細(xì)線條，必須使用

X

射線曝光。但是隨著移相掩模等光學(xué)曝光技術(shù)的新發(fā)展，使光學(xué)曝光技術(shù)的分辨率極限進(jìn)入亞波長(zhǎng)范圍，甚至達(dá)到

0.1

m

以下，從而使

X

射線曝光在大規(guī)模集成電路制造中的實(shí)際大量應(yīng)用將繼續(xù)推遲。第五十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、可穿透塵埃，對(duì)環(huán)境的凈化程度的要求稍低。

存在的問(wèn)題1、X

射線源2、X

射線難以偏轉(zhuǎn)與聚焦，本身無(wú)形成圖形的能力，只能采用接近式曝光方式，存在半影畸變與幾何畸變；3、薄膜型掩模版的制造工藝復(fù)雜，使用不方便。掩模版本身仍需用傳統(tǒng)的光學(xué)或電子束方法制造；

接近式

X

射線曝光的

優(yōu)點(diǎn)

1、可忽略衍射效應(yīng)和駐波效應(yīng)，分辨率較高；2、曝光效率比較高；4、對(duì)硅片有損傷。第五十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.7投影式

X

射線光刻深紫外光（DUV）曝光的波長(zhǎng)下限是170

nm，這是因?yàn)楫?dāng)波長(zhǎng)小于170

nm時(shí)，在這一范圍內(nèi)唯一可用于掩模版透光部分的玻璃或石英材料會(huì)大量吸收光波能。因此即使在使用了移相掩模等先進(jìn)技術(shù)后，利用DUV折射投影曝光所能獲得的最細(xì)線寬只能到

0.1

m。另一方面，X

射線由于難以進(jìn)行折射和反射，只能采用1:1接近式曝光，掩模版的制作極為困難，掩模版與晶片之間縫隙的控制也很不容易。近年來(lái)，在能對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的所謂“軟

X

射線”進(jìn)行反射的反射鏡的研制上取得了重要進(jìn)展。出現(xiàn)一種采用波長(zhǎng)為

13

nm

的軟

X

射線的4:1全反射縮小投影曝光技術(shù)，獲得了

0.1

m

線寬的圖形。此技術(shù)后來(lái)被命名為

極紫外光光刻（EUVL）。第五十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

EUVL

光刻機(jī)示意圖

要將

EUVL

概念轉(zhuǎn)化為0.1

m

以下的技術(shù)，需要解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。晶片多涂層EUV

反射成像系統(tǒng)EUV

光束多涂層EUV

反射聚光系統(tǒng)高功率激光器激光激發(fā)等離子體掩模版第五十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

一、EUV

光源可選擇的

EUV

光源有三種：電子碰撞X

射線源、激光產(chǎn)生的等離子體光源和電子同步加速器輻射源。從商業(yè)角度，目前最被看好的是激光產(chǎn)生的等離子體光源，因?yàn)檫@種光源有豐富的軟

X

射線。這種光源的開(kāi)發(fā)需解決以下三個(gè)問(wèn)題，1、高平均功率激光器的開(kāi)發(fā)；2、從激光到

EUV

輻射的轉(zhuǎn)換效率；3、無(wú)殘碎片，以防止聚光系統(tǒng)被損傷或被涂復(fù)第五十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

二、EUV

反射鏡光學(xué)研究表明，采用疊片的方式可以獲得共振反射，從而得到很高的反射率。光波波長(zhǎng)λ與疊片的等效周期

D

以及入射角之間應(yīng)滿足

Bragg

方程當(dāng)波長(zhǎng)很短時(shí)，多層疊片可以用多層涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)。EUV光刻技術(shù)最大的單項(xiàng)突破就是開(kāi)發(fā)出了精確的多層涂復(fù)技術(shù)，使對(duì)

EUV

的反射率超過(guò)了

60%。第五十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二常用涂層材料有“Mo-Si”系統(tǒng)與“Mo-Be”系統(tǒng)。已經(jīng)用“Mo-Si”涂層制成直徑為

4

英寸的反射鏡，在波長(zhǎng)為

13.4

nm

時(shí)的反射率為650.5

%，涂層周期為6.950.03

nm。EUV

涂層的技術(shù)必須滿足以下要求1、能做出具有高反射率的涂層；2、能在反射鏡表面各處均勻精確地控制多涂層的周期；3、能精確控制不同反射鏡的多涂層周期；4、能在掩模版上淀積無(wú)缺陷的多涂層；5、涂層必須長(zhǎng)期穩(wěn)定，能經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間EUV輻射的損傷及熱效應(yīng)的影響。第五十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

三、精密光學(xué)系統(tǒng)縮小的光學(xué)成像系統(tǒng)的制造與計(jì)量是EUV技術(shù)中最困難的光學(xué)課題。光學(xué)系統(tǒng)的部件必須滿足1、采用極低熱膨脹系數(shù)的材料制成；2、反射鏡的精度與表面光潔度均應(yīng)達(dá)到0.1

nm

的水平。反射鏡數(shù)量的選擇：為達(dá)到最佳成像質(zhì)量和最大像場(chǎng)，應(yīng)采用盡可能多的反射鏡，但受到光傳輸效率的限制，所以必須在大象場(chǎng)的成像質(zhì)量和曝光效率之間作折中考慮。已報(bào)道了一種4鏡面的反射縮小系統(tǒng)，NA=0.08，像場(chǎng)縫寬為1

mm，圖形分辨率優(yōu)于0.1

m。第五十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

四、掩模版對(duì)全反射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，掩模版的“

透光

”部分為有多涂層的部分，“不透光”部分則是覆蓋在多涂層上的已制成所需圖形的金屬吸收層。襯底可用硅晶片來(lái)制作。EUV掩模版的制作過(guò)程，是先在作為襯底的硅晶片上淀積多涂層反射層，接著淀積一層保護(hù)性過(guò)渡薄層及一層金屬吸收層。然后通過(guò)電子束光刻工藝在多涂層的上面刻蝕出所需的金屬吸收層圖形。制作無(wú)缺陷的掩模版是EUVL技術(shù)中最具挑戰(zhàn)性的要求。對(duì)普通掩模版的各種缺陷修復(fù)方法都無(wú)法用于多涂層掩模版，唯一的途徑就是在大面積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷多涂層淀積。為了制作成品率大于90%的掩模版，要求多涂層淀積工藝的缺陷密度小于10-3個(gè)/cm2。第五十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

五、光刻膠由于光刻膠對(duì)EUV的吸收深度很淺，只能在光刻膠的表面成像，因此必須采用相應(yīng)的表面成像工藝，例如表面層很薄的雙層甚至三層光刻膠技術(shù)。此外，EUV光刻膠需要很高的靈敏度。為達(dá)到足夠的生產(chǎn)效率，EUV光刻膠的靈敏度應(yīng)優(yōu)于5mJ/cm2。第五十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二投影電子束曝光技術(shù)既有電子束曝光分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，又有投影曝光所固有的生產(chǎn)效率高成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而是目前正積極研究開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)。

9.8投影電子束光刻第六十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

原理：電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)聚焦透鏡后形成準(zhǔn)直電子束流，照射到掩模版上，穿過(guò)掩模透明部分的電子束再經(jīng)過(guò)投影透鏡縮小后，在晶片上獲得縮小的掩模轉(zhuǎn)印圖形。由于曝光視場(chǎng)不大（一般為3×3

mm2），所以工件臺(tái)也需作步進(jìn)移動(dòng)。電子槍光閘聚焦透鏡投影透鏡掩模版晶片電子束第六十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二投影電子束曝光的

優(yōu)點(diǎn)1、波長(zhǎng)短，分辨率高，線寬可小于0.1

m；2、生產(chǎn)效率高；3、對(duì)電子束的控制簡(jiǎn)單。

存在的問(wèn)題1、掩模版制造困難。“透明”部分最好是空的。這是限制投影電子束曝光的實(shí)際應(yīng)用的主要障礙；2、對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題第六十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二在投影電子束光刻中，最有希望的技術(shù)之一被稱為角度限制散射投影電子束光刻（ScatteringwithAngularLimitationProjectionElectron-beamLithorgraphy,SCALPEL），它是利用散射反差的對(duì)比來(lái)產(chǎn)生圖形。掩模版的透明區(qū)用低

Z

材料制成，不透明區(qū)用高

Z

材料制成。不透明區(qū)不是吸收電子而是以足夠大的角度散射電子，使之被光闌阻擋。這就允許使用極高的能量，從而使低

Z

材料區(qū)幾乎完全透明。掩模版的透明區(qū)通常是富硅的氮化硅，厚約0.1

m

。不透明區(qū)可采用

W/Cr，厚約0.05

m

。

在圖像質(zhì)量和生產(chǎn)效率之間存在矛盾。低電子流密度可獲得好的圖像質(zhì)量，而高電子流密度可獲得合理的生產(chǎn)效率。第六十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

9.9離子束光刻當(dāng)將離子束應(yīng)用于曝光時(shí)，其加工方式有1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式（直寫方式、掃描方式、FIB）3、接近式第六十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二聚焦離子束光刻機(jī)的基本原理與直寫電子束光刻機(jī)大體相同，不同之處有1、由

LMIS（單體或共晶合金）代替電子槍；2、必須使用質(zhì)量分析系統(tǒng)；3、通常采用靜電透鏡和靜電偏轉(zhuǎn)器；4、主高壓的范圍較寬，可以適用于曝光、刻蝕、注入等各種不同用途。第六十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

離子束曝光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1、離子的質(zhì)量大，因此波長(zhǎng)更短，可完全忽略衍射效應(yīng)；2、離子的速度慢，穿透深度小，曝光靈敏度高。對(duì)于各種電子束光刻膠，離子束的靈敏度均比電子束高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可縮短曝光時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；3、離子的質(zhì)量大，因此散射很小，由散射引起的鄰近效應(yīng)小，有利于提高分辨率；4、當(dāng)采用與X射線類似的接近式曝光時(shí)，無(wú)半影畸變與幾何畸變；5、可以利用FIB技術(shù)直接在硅片上進(jìn)行離子束刻蝕或離子注入，而完全擺脫掩模版與光刻膠；第六十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

6、有增強(qiáng)腐蝕作用被

H+

離子照射過(guò)的SiO2層，其腐蝕速率比未照射區(qū)的高約5倍。這就有可能不用光刻膠，在定域曝光后直接進(jìn)行定域腐蝕。另一種可能的用途是，利用增強(qiáng)腐蝕作用把很薄的

SiO2層作為無(wú)機(jī)正性光刻膠使用，并將其用作雙層膠的頂層膠。離子束腐蝕SiO2，相當(dāng)于頂層膠的顯影第六十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

離子束曝光技術(shù)存在的問(wèn)題1、對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。與電子束相比，離子束的穿透力小，不易穿過(guò)膠層達(dá)到晶片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。另一方面，因離子束的散射也小，很難獲得來(lái)自對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的信息；2、離子的質(zhì)量大，偏轉(zhuǎn)掃描的速度慢；3、LMIS

能散度較大，給離子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難；4、對(duì)于投影離子束曝光，掩模版是關(guān)鍵問(wèn)題。由于離子的散射比電子小，從這個(gè)意義上說(shuō)，離子束掩模版的制造難度比電子束掩模版的要小一些。透光部分可采用0.1

m~0.2

m

的Al2O3

薄膜，或1