電子束直寫技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用張亮亮siten@163.com1.電子束直寫系統(tǒng)2.電子束直寫的工藝程序3.電子束直寫的關(guān)鍵技術(shù)電子束散射與鄰近效應(yīng)電子束直寫的分辨率

套刻工藝

多層曝光工藝

可觀測宇宙半徑1026m~1027m1.1電子束直寫是什么？電子束直寫：利用電子束在涂有電子束膠的樣品上直接描畫圖形的技術(shù)，又叫電子束曝光技術(shù)，電子束直寫技術(shù)。ElectronBeamLithography，簡稱EB，E-Beam，EBL1.電子束直寫系統(tǒng)紫外光紫外光刻電子束直寫電子束光刻技術(shù)的精度受到光子在波長尺度上的散射影響。使用的光波長越短，光刻能夠達到的精度越高。

紫外光刻：光波長一般在200~450nm之間，通常加工精度在0.5um以上深紫外光刻：ASMLTWINSCANNXT2000i使用193nm深紫外線（Resolution32nm），沉浸式光刻，可以實現(xiàn)7nm制程節(jié)點器件光刻極紫外光刻：ASMLTWINSCANNXE3400B使用13.5nm軟X射線（Resolution13nm），沉浸式光刻，實現(xiàn)7nm節(jié)點和5納米節(jié)點器件光刻

根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子是一種波長極短的波（加速電壓為50kV，波長為0.0053nm）。這樣，電子束直寫的精度可以達到納米量級，從而為制作納米結(jié)構(gòu)提供了很有用的工具。

高端電子束直寫設(shè)備可加工5nm的圖案

RaithEBPG52001.2電子束直寫有什么用？

電子束直寫能夠在抗蝕劑上寫出納米級的圖形，利用高端電子束直寫設(shè)備和特殊顯影工藝，能夠?qū)懗?nm以下的精細結(jié)構(gòu)。納米器件的微結(jié)構(gòu)，如NEMS、電極集成光學(xué)器件，如光柵，光子晶體，彎曲波導(dǎo)小尺寸光刻掩模板離子泵離子泵限制膜孔電子探測器工作臺分子泵場發(fā)射電子槍電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng)電磁透鏡消像散器偏轉(zhuǎn)器樣品交換室機械泵物鏡1.3電子束直寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電子槍場發(fā)射槍ZrO/W鎢絲2700K六硼化鑭1800K燈絲直徑0.5um，會磨損，一般要求一年更換一次電子束直寫常用電子能量在10keV~100keV電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng)整個電子光柱由各部分電子光學(xué)元件組裝起來，裝配高度達1m左右。任何微小的加工或裝配誤差都可能導(dǎo)致電子槍的陰極尖端與最后一級的透鏡膜孔不在同一軸線上。因此需要裝一個準(zhǔn)直系統(tǒng)，必要時對電子槍發(fā)出的電子束進行較直。它與光學(xué)聚光透鏡的原理相同，能夠聚焦電子束的束徑，使電子最大限度的到達曝光表面電磁透鏡消像散器由于加工誤差，電磁透鏡不是理想透鏡，x、y方向的聚焦不一致，造成電子束斑橢圓化。圓形橢圓消像散器由多級透鏡組成，能從不同方向?qū)﹄娮邮M行校正偏轉(zhuǎn)器用來實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。

矢量掃描與光柵掃描偏轉(zhuǎn)器物鏡將電子束進一步聚焦縮小，形成最后到達曝光表面的電子束斑，可達到2nm。除以上部分外，電子束直寫系統(tǒng)還包括束流檢測系統(tǒng)、反射電子檢測系統(tǒng)、工作臺、真空系統(tǒng)、圖形發(fā)生器等。類似場發(fā)射掃描電鏡，可由電鏡改造，但精度差最小束直徑：直接影響電子束直寫的最小線寬。加速電壓：一般10~100keV，電壓越高，分辨率越高，鄰近效應(yīng)越小，同時可曝光較厚的抗蝕劑層。電子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。日本CRESTEC公司生產(chǎn)的CABL9000C小公司，便宜2nm，理論最小結(jié)構(gòu)尺寸8nm常用30keV常用：50~1000pA1.4CABL9000電子束直寫系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)掃描場大小：掃描場大，大部分圖形可在場內(nèi)完成，可避免多場拼接；掃描場小，精度高。拼接精度：圖像較大，需要多個場拼接。60~600um20nm2.電子束直寫的工藝程序烘烤,勻膠,前烘干法刻蝕Lift-Off2.1襯底材料的準(zhǔn)備襯底材料：要求平整度高，導(dǎo)電性好高摻雜硅片，導(dǎo)電玻璃等如果導(dǎo)電性不好怎么辦？實驗需要在絕緣體上做電子束直寫，會發(fā)生“充電效應(yīng)”，電荷在樣品表面累積，圖案邊緣擴大模糊，無法聚焦。解決方法：需要在絕緣體上鍍一層導(dǎo)電膜或者涂好電子束膠之后，再鍍上一層導(dǎo)電膜金屬薄膜：蒸發(fā)或濺射一層Al、Cr、Au等薄膜；工藝復(fù)雜，容易引入污染物水溶性導(dǎo)電聚合物：無污染；導(dǎo)電效果差，保質(zhì)期短

銅片？玻璃？骨頭？選好襯底之后，進行清洗，烘干

烘干要求在熱板100℃以上烘烤30分鐘2.2選取電子束膠，勻膠極性分辨率靈敏度優(yōu)點缺點ZEP520正膠10nm較高耐刻蝕買不到PMMA正膠10nm低對比度高不耐刻蝕ARN7520負膠35nm高可用于混合曝光分辨率低HSQ負膠<10nm很低鄰近效應(yīng)小，分辨率最高去膠難不同的電子束膠、不同濃度、不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的膠厚不同，具體根據(jù)需求和電子束膠的性能決定。需求：剝離工藝，特征尺寸等。2.3前烘前烘的作用：去除膠中的溶劑，曝光性能固定，增強電子束膠與基底的附著力前烘：不同電子束膠帶溫度和時間均不同熱板：烘烤時間短，固體傳熱，均勻性好烘箱：烘烤時間長，氣體傳熱，均勻性差；密閉環(huán)境，干凈PMMA（950K，4%）前烘熱板：150℃，3分鐘烘箱：150℃，60分鐘熱板烘箱繪制曝光圖案樣品傳入選擇束電流像散調(diào)節(jié)選定曝光位置，激光定位參數(shù)設(shè)定（位置、劑量、圖案數(shù)量等）樣品曝光樣品取出，顯影觀察2.4電子束直寫2.4.1繪制曝光圖案1.使用系統(tǒng)自帶的軟件繪制圖案

格式為*.CON文件，

優(yōu)點：繪制方便，兼容性好

缺點：只能繪制圓形、環(huán)形、矩形、梯形等簡單的幾何圖案

復(fù)雜圖案進行拼接2.使用Layouteditor等軟件制圖

輸出轉(zhuǎn)化為CABL9000識別的格式，*.DXF，*.GDS

優(yōu)點：繪制任意復(fù)雜的圖案

缺點：與自帶軟件兼容性差，有時會出錯2.4.2樣品傳入使用樣品臺和傳送桿將樣品傳入工作倉室

手動傳送，操作時要輕微，避免導(dǎo)致傳送桿變形當(dāng)樣品桿運動阻力較大時，需要在樣品桿表面涂潤滑油

2.4.3選擇束電流根據(jù)曝光圖案特征尺寸和圖案面積選擇束電流特征尺寸小，圖案面積小，選擇小束電流特征尺寸大，圖案面積大，選擇大束電流使用CABL9000C，對于小面積圖案（1mm×1mm以下）特征尺寸在100nm以下，選擇50pA特征尺寸在100nm~500nm，可選擇100pA大尺寸可選擇小電流，效率低一些，小尺寸不能選擇大電流2.4.4像散調(diào)節(jié)由于加工誤差，電磁透鏡不是理想透鏡，x、y方向的聚焦不一致，造成電子束斑橢圓化。圓形橢圓消像散器由多級透鏡組成，能從不同方向?qū)﹄娮邮M行校正。需要手動調(diào)節(jié)像散。像散調(diào)節(jié)前像散調(diào)節(jié)后2.4.5選定曝光位置，激光定位選定曝光位置，進行聚焦調(diào)節(jié)waferZ=0，使激光在Z軸方向進行定位，再次聚焦要求樣品表面平整光滑，勻膠質(zhì)量好，平整度在10um以內(nèi)，否則Z軸不能進行定位2.4.6曝光參數(shù)設(shè)定劑量：曝光能量的大小，跟設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境溫度、束電流、電子束膠的靈敏度、曝光時間等相關(guān)。此時，膠的靈敏度、束電流等條件均已確定，只需要選擇曝光時間。曝光時間?。呵菲毓馄毓鈺r間大：過曝光曝光時間的選擇，需要經(jīng)驗與試驗對于同一種樣品，同樣的圖案也需要試驗，因為儀器狀態(tài)、溫度等可能不同2.4.7樣品曝光樣品曝光總時間跟場大小、DOT數(shù)目、圖案形狀和大小、束電流、劑量等相關(guān)場越小，DOT數(shù)多，圖案面積大，束電流小，劑量大，總曝光時間長CABL9000C，使用120umFEILD，20000DOT，100pA束電流對于1mm×1mm面積的光柵，總曝光時間約2個小時對于1mm×1mm面積的圓孔，圓直徑為500nm，總曝光時間約12個小時2.4.8樣品取出，顯影、定影觀察曝光結(jié)束后，取出樣品，顯影定影后觀察對于不同的電子束膠，有不同的顯影液和顯影時間對于更小的圖案，如100nm以下，還可以采用超聲輔助顯影，低溫顯影等工藝。2.5后烘后烘的作用：去除膠中的溶劑，使電子束膠硬化，增強膠的抗刻蝕性能后烘可根據(jù)工藝需求選擇后續(xù)工藝為刻蝕或離子注入等高能工藝，需要后烘后續(xù)工藝為剝離等，不需要后烘不同電子束膠的溫度和時間均不同熱板：烘烤時間短，固體傳熱，均勻性好烘箱：烘烤時間長，氣體傳熱，均勻性差；密閉環(huán)境，干凈PMMA（950K，4%）后烘熱板：130℃，1分鐘烘箱：130℃，25分鐘2.6圖像轉(zhuǎn)移刻蝕：以膠做掩蔽，使用腐蝕性的氣體把基底材料刻蝕掉，形成結(jié)構(gòu)剝離：Lift-Off工藝，電子束蒸發(fā)臺鍍金屬膜，然后使用溶劑將膠洗掉，剩下金屬圖案電子束蒸發(fā)多靶材磁控濺射方向性好覆蓋性好電子束入射到抗蝕劑后，與抗蝕劑材料中的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生散射。3.電子束直寫的關(guān)鍵技術(shù)3.1電子束散射與鄰近效應(yīng)

鄰近效應(yīng)：如果兩個圖形離得很近，散射的電子能量會延伸到相鄰的圖形中，使圖案發(fā)生畸變；單個圖形的邊界也會由于鄰近效應(yīng)而擴展。鄰近效應(yīng)的校正劑量校正：由于電子束散射，同一圖形在同一劑量下曝光的能量分布式不同的，需要人為的改變曝光劑量。將圖形進行幾何分割，計算每一部分能量的分布（每一點能量的分布符合雙高斯函數(shù)），按照不同的區(qū)域分配曝光劑量。缺點：計算復(fù)雜，需要CAPROX等專業(yè)軟件；計算假設(shè)每一圖形內(nèi)部劑量一致，誤差存在圖形尺寸校正：通過改變尺寸來補償電子散射造成的曝光圖形畸變。鄰近效應(yīng)的校正缺點：校正的動態(tài)范圍小1）穩(wěn)定的工作環(huán)境：溫度變化范圍±0.2℃，振動2um以下，磁場變化在0.2uT以下。2）高的電子束能量：高能量電子束產(chǎn)生的電子散射小，色差與空間電荷效應(yīng)抵消，且有利于曝光厚的抗蝕劑層。高檔次的電子束曝光機一般都在100keV。3）低束流：低束流可以減小空間電荷誤差，有利于獲得更小的束斑。束流低會增加曝光時間，會使聚焦標(biāo)記成像亮度降低，使對焦困難。4）小掃描場：電子束曝光系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)相差與掃描場大小有關(guān)，高分辨率應(yīng)盡量使用小掃描場。電子束直寫100nm的微細圖形很容易制出，但是小于50nm的圖形卻不是輕易能夠?qū)崿F(xiàn)的。電子束的極限分辨率與多個因素有關(guān)：3.2電子束直寫的極限分辨率5）低靈敏度抗蝕劑：20nm以下的電子束曝光全部使用低靈敏度的抗蝕劑，例如PMMA，HSQ等。6）薄抗蝕劑層