1、微納研究中心超凈室系列講座,電子束曝光系統（EBL）,張亮亮 2011年10月14日,電子束曝光概述 電子束曝光系統的結構與原理 CABL9000C電子束曝光系統及關鍵參數 電子束曝光的工藝程序 電子束曝光的極限分辨率 多層刻蝕工藝,1.1 電子束曝光是什么？ 電子束曝光（electron beam lithography）指利用某些高分子聚合物對電子敏感而形成曝光圖形的，是光刻技術的延伸。,1.電子束曝光概述,紫外光,普通光刻,電子束曝光,電子束,光刻技術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。 紫外光波長:常用200400nm之間 根據德布羅意的物質

2、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，電子束曝光的精度可以達到納米量級，從而為制作納米結構提供了很有用的工具。,1.2 電子束曝光有什么用？ 電子束曝光能夠在抗蝕劑上寫出納米級的圖形，利用最高級的電子束曝光設備和特殊顯影工藝，能夠寫出10nm以下的精細結構。 納米器件的微結構 集成光學器件，如光柵，光子晶體 NEMS結構 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,電子槍準直系統,電磁透鏡,消像散器,偏轉器,樣品交換室,機械泵,物鏡,2.電子束曝光系統的結構與原理,電子槍,場發(fā)射電極 ZrO/W 電場強度:

3、108N/C,鎢絲2700K,六硼化鑭1800K,0.5um,電子束曝光的電子能量通常在10100keV,2.1 電子束曝光系統的結構,電子槍準直系統,整個電子光柱由各部分電子光學元件組裝起來，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。因此需要裝一個準直系統，必要時對電子槍發(fā)出的電子束進行較直。,它與光學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，電磁透鏡的x、y方向的聚焦不一致，造成電子束斑橢圓化。 消像散器由多級透鏡組成，能從不同方向對電子束進行校正,偏轉器用來實現

4、電子束的偏轉掃描。,偏轉器,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。 除以上部分外，電子束曝光系統還包括束流檢測系統、反射電子檢測系統、工作臺、真空系統、圖形發(fā)生器等。,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10100keV，電壓越高，分辨率越高，鄰近效應越小，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。,3.CABL9000C電子束曝光系統及關鍵參數,日本CRESTEC 公司生產的CABL9000C,2nm，最小尺寸20nm,30keV,常用：25100pA,掃描場大小：掃描場大，大部分圖形可在場內完成，可避免

5、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。,60600um,2050nm,4.電子束曝光的工藝程序,4.1抗蝕劑工藝,PMMA優(yōu)點：分辨率高（10nm），對比度大，利于剝離技術，價格低 缺點：靈敏度較低，耐刻蝕能力差 HSQ ：負膠，極高的分辨率（10nm），鄰近效應小，靈敏度很低 ZEP-520優(yōu)點：分辨率高（20nm），靈敏度較高，耐刻蝕 缺點：去膠較難,稀釋劑：ZEP-A（苯甲醚）,繪制曝光圖案 樣品傳入（樣品為導體或半導體） 選擇束電流 低倍聚焦 選定曝光位置 在Au顆粒處調整像散 高倍聚焦，調節(jié)wafer Z=0，激光定位 參數設定（位置、劑量、圖案數量等）

6、樣品曝光 樣品取出顯影（ZEP-N50，1min） 曝光圖案觀察,4.2電子束曝光工藝,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，產生散射。,4.3電子束曝光中的鄰近效應,鄰近效應：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而擴展。,鄰近效應的校正,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），按照不同的區(qū)域分配曝光劑量。 缺點：計算復雜，需要CAPROX等專業(yè)軟件； 計算假設每一圖形內部劑量一致

7、，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：高能量電子束產生的電子散射小，色差與空間電荷效應抵消，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，會使聚焦標記成像亮度降低，使對焦困難。 4）小掃描場：電子束曝光系統的偏轉相差與掃描場大小有關，高分辨率應盡量使用小掃描場。,5. 電子束曝光的極限分辨率,電子束曝光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實現的。電子束的極限分辨率與多個因素有關：,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等。 6）薄抗蝕劑層：減小抗蝕劑層可以減小散射，降低臨近效應。 7）低密度圖形：可以比較容易實現20nm的單一線條圖形，卻無法或很難實現20nm等間