浅谈半导体的电子束光刻制作工艺.docx

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1、浅谈半导体的电子束光刻制作工艺目录1 .序言12 .电子束光刻的定义12. 1.概述23. 2.电子束光刻系统24. 3.电子束光刻中的缺陷33 .发展历史34 .理论基础45 .电子束曝光系统46 .应用61 .序百半导体是近年来国内的热门话题，围绕着半导体最核心的设备和耗材是光刻机和光刻胶。我们经常会听到ASM1的极紫外光刻机以及日本的高端光刻胶。确实这些都是当前制作IOnm以下集成电路的必要手段，那么我们有没有其他的手段来制作IOnm以下的结构？实际情况是，我们有其他的手段获得IOnm以下的结构，但是只是这种手段目前速度比较有限无法实现集成电路芯片的制造。但是他确实推动我们当前新材料、前

2、沿物理研究、半导体、微电子、光子、量子研究领域的重要手段之一。这就是今天我们需要介绍的电子束光刻机。我们前面介绍过很多关于紫外光刻的原理和工艺过程。但是大家可能会问，我们已经有可以做IOnm量产的的光刻机了，但是为什么还要用速度慢的电子束光刻？甚至为什么要用电子束作为光源？电子束光刻的过程与紫外光刻有什么异同？电子束光刻所使用的的光刻胶与紫外光刻胶有什么异同？市场上有哪些种类的电子束光刻系统？电子束光刻的生产厂商有哪些？电子束光刻的应用有哪些？下面我们就带着这些问题先概要介绍一下：2 .电子束光刻的定义2.1. 概述电子束光刻，利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的光刻技术

3、。电子抗蚀剂是一种对电子敏感的高分子聚合物。经过电子束扫描过的电子抗蚀剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变，经过显影和定影，获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形。现代的电子束光刻设备已经能够制作小于IOnm的精细线条结构，也可制作光学掩模版。利用聚焦电子束对某些高分子聚合物（电子束光刻胶）进行曝光并通过显影获得图形的过程。产生聚焦电子束并让聚焦电子束按照设定的图形扫描的设备就叫做电子束光刻机。电子束光刻（通常缩写为电子束光刻、EB1）是一种扫描电子聚焦束以在被称为抗蚀剂（曝光）的电子敏感膜覆盖的表面上绘制自定义形状的实践。电子束改变了抗蚀剂的溶解性，通过将其浸入溶剂中（显影），可以

4、选择性地除去抗蚀剂的已曝光或未曝光区域。与光刻一样，其目的是在抗蚀剂中形成非常小的结构，然后可以通过蚀刻将其转移到衬底材料上。电子束光刻的主要优点是可以绘制低于10nm分辨率的定制图案（直接写入）。这种形式的无掩模光刻技术具有高分辨率和低产量，将其用途限制在光掩模制造，半导体器件的小批量生产以及研究和开发中。spin-coatedsamp1ee-beanexposurechem.deve1opment2.2.电子束光刻系统商业应用中使用的电子束光刻系统是专用的电子束写入系统，价格非常昂贵（100万美元）。对于研究应用，使用相对低成本的附件（V1O万美元）将电子显微镜转换为电子束光刻系统是很常见

5、的。从至少1990年开始，这种转换后的系统产生的线宽约为20nm,而当前的专用系统产生的线宽约为10nm或更小。可以根据光束形状和光束偏转策略对电子束光刻系统进行分类。较旧的系统使用高斯形光束，并以光栅方式扫描这些光束。较新的系统使用成形光束，该成形光束可能会偏转到写入字段中的各个位置（这也称为矢量扫描）。2.3.电子束光刻中的缺陷尽管电子束光刻具有高分辨率，但用户通常不考虑在电子束光刻过程中产生缺陷。缺陷可以分为两类：与数据相关的缺陷和物理缺陷。与数据有关的缺陷可以进一步分为两个子类别。当电子束原本应该正确偏转时，会发生消隐或偏转错误；而当将错误形状投射到样品上时，在可变形状的电子束系统中会

6、发生成形错误。这些错误可能源自电子光学控制硬件，也可能源自录音带。可以预期，较大的数据文件更容易受到与数据相关的缺陷的影响。物理缺陷变化更大，可能包括样品带电（正电荷或负电荷），反向散射计算误差、剂量误差、雾化（反向散射电子的远距离反射）、除气、污染、电子束漂移和粒子。由于电子束光刻的写入时间很容易超过一天，因此“随机发生”的缺陷更有可能发生。同样，较大的数据文件可能会带来更多的缺陷机会。光掩模缺陷主要是在用于图案定义的电子束光刻过程中产生的。3 .发展历史通过上述的定义我们不难发现其实电子束光刻系统的核心是聚焦电子束。而聚焦电子束的应用从20世纪初期就开始了，最早期的应用就是阴极射线管在显示

7、器中的应用，然后在20世纪60年代出现的扫描电子显微镜的出现，扫描电子显微镜的结构已经与电子束曝光机无本质区别了。但是利用聚焦电子束曝光产生精细图形是伴随着电子束光刻胶（也叫抗蚀齐IJ）的出现开始的。电子束光刻的发展已经有50多年的历史了，他几乎是与光学曝光同步发展起来的，主要标志性的时间有下面几条：1）早在1965年就使用电子束曝光制作IOOnm的结构了2）1968年PMMA被作为电子束光刻胶使用3)1970年使用PMMA制作出0.15m声表面波器件4)1972年使用电子束光刻在硅表面做出横截面为6060nm铝金属线条80年代，当时人们普遍认为光学曝光已经走到了尽头，电子束光刻是最有前景的替

8、代手段，然而，30多年过去了，电子束光刻依然无法替代光学曝光。在两种光刻技术的发展方面逐渐形成了相互补充的格局，相信这种格局依旧会长期保持。4 .理论基础我们知道，光刻就是利用光辐照聚合物产生的变化形成图形，光学曝光的分辨率受光波长的限制，为了提高光学曝光的分辨率，光波的选择经历了从G线到I线，深紫外，极紫外不断缩短的发展过程。我们也知道，电子束本质上是带电粒子，但是从波粒二象性可知它也是一种光，其波长为：11.226%=wm由此，可知电子束的波长与电子束的加速电压的平方根呈反比关系，因此加速电压约高，电子束的波长越小，这跟我们市面上常见的电子束曝光系统的高电压系统和低电压系统直接相关。因此I

9、OOkV的加速电压系统下的电子波长为0.12nm这也是其高分辨率的基础保证。传统的电子束光刻使用直写模式，这也是目前电子束光刻效率比较低的重要因素，但是其优点是直写无需掩膜版，简单灵活。电子束与紫外光一样能使一些聚合物产生解链或者交联反应，从而在显影过程中形成对应的图形，且一些紫外光刻胶本身就能当做电子束光刻胶使用，所以二者在本质上没有太大区别，为了区分，我们有时候也将电子束光刻胶叫做抗蚀剂。但是由于电子束在于物质的响作用时产生的散射会导致其作用过程比紫外光刻复杂的多。至此我们已经回答了为什么要使用电子束光刻。以及电子束光刻的特点是高分辨率和灵活性，其光刻胶的机理与紫外光刻胶基本一致。但是电子

10、束与固体物质的相互作用又决定了在深层次的作用方式的差异。5 .电子束曝光系统我们刚才介绍过，电子束曝光系统是产生聚焦电子束和控制电子束按照设计的版图直写的设备，在基本原理上，他和扫描电子显微镜是类似的。包括光柱（产生聚焦电子束和控制电子束偏转和有无）、电子束检测系统（检测到达样品表面电子束流大小）、反射电子检测系统（观察样品表面对准标记卜工作台系统（放置和精确移动样品）、真空系统（获得高真空环境）、高压电压和计算机图形发生系统（将设计图形数据准换成控制偏转器的电信号），如下图所示。E1ectrongun电子枪Guna1ignment电子枪准直系统1V-Jr-：N/K7AJ：;I7图1电子束曝光

11、系统结构简图CondenserIens电子枪准直系统Beamb1anking快门/束闸ZoomIens变焦透镜Stigmator消像散器Aperture限制膜孔ProjectorIens投影透镜Def1ectioncoi1s偏转器BEDetector背散射电子探测器Stage,夕口也样品台心C白疸电子束曝光系统按照曝光方式分为失量扫描和光栅扫描两种；按照束形可分为高斯束和变形束；按照工作方式可分为直接曝光和投影曝光。电子束曝光系统的重要参数包括以下几个方面：1）最小束直径，直接影响曝光的图形的自小尺寸2）加速电压，加速电压高，分辨率越高，曝光产生的临近效应小，可曝光较厚的光刻胶3）电子束流，束流大曝光速度快，当然最大曝光速度受扫描频率限制，大束流的束斑也会较大4）扫描速度，扫描速度快曝光速度快，以频率表示5）写场大小，写场大则写场内图形无拼接误差6）其他还有控制台精度、拼接精度、套刻精度等6 .应用电子束曝光系统的应用比较丰富，因为他是可控获得nm级图形的重要工具，因而被广泛应用于以新材料（如超材料、表面工程）、前沿物理研究（如超导、量子卜仿生（功能性表面）、光子（微纳光学、光波导、光子晶体）、生物（DNA测试、纳流控）、微电子等研究领域。随着近年来科技市场发展，电子束也被应用于3D结构光器件的加工、光子芯片加工、高功率芯片加工领域，还有掩膜版制作这个传统领域等。