电子束和离子束光刻加工工艺2023.docx

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1、电子束和离子束光刻加工工艺2023目录1 .前言12 .电子束加工原理22.1.概述22. 2.电子束主要加工装置43. 3.电子束加工工艺的特点63.离子束加工原理74. 1.概述71.2. 离子束加工的分类83. 2.1.离子刻蚀84. 2.2.离子溅射沉积95. 2.3.离子镀膜96. 2.4.离子注入IO1.3. 离子束加工工艺的特点：103. 3.1.加工精度高104. 3.2.环境污染少105. 3.3.加工质量高104.电子束加工与离子束加工工艺比较104. 1.原理比较104. 2.特点比较114. 2.1.电子束加工的特点：116. 2.2.离子束加工的特点：124.3.应用

2、比较121 .前言电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新型特种加工。他们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。通常来说，电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工，而离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。23 .电子束加工原理3.1. 概述电子束光刻技术是在电子显微镜的基础上发展起来的，其研究和发展始于20世纪60年代初。1960年，由德意志联邦共和国杜平根大学的G-Mo11enstedt和R.SpeideI首次利用电子显微镜在薄膜上制作了高分辨率图形。以电子束曝光作为集成电路光刻手段的研究几乎是与光学曝光同时开始的。电子束曝光机是用

3、电磁场将电子束聚焦成微细束辐照在电子抗蚀剂（感光胶）上，由于电子束可以很方便地由电磁场偏转扫描，所以可将复杂的电路图形直接写到硅片上而无须采用掩膜版。因为电子束的辐射波长可以通过增加其能量来大大缩短，使电子束光刻具有极高的分辨率，由电子束曝光制作的特征尺寸可以达到Ionm,电子束曝光是迄今为止分辨率最高的一种实用曝光手段。因为光学曝光可以将掩膜版图形一次成像到硅片上，而电子束必须把电路图形一个像素一个像素地扫描到硅片上，其曝光速度慢，无法适应工业大批量生产的要求，但电子束曝光事制作光学掩膜版的主要工具。电子束曝光机根据电子束的分类主要有三种：高斯电子束、矩形电子束、变形电子束。电子束曝光机经历

4、了从早期的圆形电子束（高斯束）到矩形电子束和变形电子束的发展。所谓变形电子束即在电子透镜中采用不同形状的成形模孔，这样电子束辐照到硅片上不再只是一个圆斑，而是一个矩形或其他基本电路单元的形状(三角形等)。采用变形束的主要原因是为了提高电子束曝光机的曝光速度，通常变形束的束斑或辐照面积是圆形束的20倍。而变形束曝光机缺乏高斯束曝光机所具有的灵活性，所以目前电子束曝光机的市场基本以高斯束曝光机为主。电子束加工(EIeCtrOnBeamMachining简称EBM)起源于德国。1948年德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备。它是一种利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的方法统。在真空条件

5、下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109wcm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。1、只使材料局部加热就可进行电子束热处理；2、使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；3、提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；4、利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,即可进行电子束光刻加工。2.2.电子束主要加工装置图电子束加工装置示意图I-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑；5-加速阳极；6.发射电子

6、的阴极；7-控制栅极；8-光学观察系统；9-带窗真空室门；H)二件电子束加工装置主要由以下几部分组成：1)电子枪获得电子束的装置，它包括：1、电子发射阴极用鸨或铝制成，在加热状态下发射电子。2、控制栅极既控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。3、加速阳极通常接地，由于阴极为很高的负压，所以能驱使电子加速。2）真空系统保证电子加工时所需要的真空度。一般电子束加工的的真空度维持在1.3310-2-1.3310-4Pao3）控制系统和电源控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制。束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定加工点的孔径或缝宽。聚焦方法：一是利用高压静电场是

7、电子流聚焦成细束；另一种方法是利用”电磁透镜”靠磁场聚焦。束流位置控制：改变电子的方向。工作台位移控制：加工时控制工作台的位置。电源：对电压的稳定性要求较高，常用稳压电源。2. 3.电子束加工工艺的特点电子束能够极其微细地聚焦（可达1O1m）,故可进行微细加工。加工材料的范围广。能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。加工效率很高。加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。3.离子束加工原理3.1. 概述离子束曝光技术的研究起源于20世纪70年代，应用离子束进行抗蚀剂曝光的技术则在80年代液态金属离子源的

8、出现之后才真正得以发展。同电子束曝光一样，即可以用离子束直接在抗蚀剂上写入图形，也可用投影曝光方法提高生产率。离子束投影曝光就是将离子源（气体或液态金属）发出的离子通过多级静电离子透镜，将掩膜图像缩小后聚焦到涂有抗蚀剂的片子上，进行曝光和步进重复操作。离子束刻蚀既可采用传统的抗蚀剂，如PMMA（它对离子比对电子更为敏感），也可以研制专用的新型抗蚀剂。实际上，任何聚合物通过注入离子都可以作为负性抗蚀剂。抗蚀剂在合适的等离子中经反应离子腐蚀，注入的离子形成非挥发性化合物，而未注入区就被腐蚀掉，从而形成图形。离子束曝光技术由于其聚焦离子束具有电子束无法比拟的优点一与电子相比，最轻的离子也比电子重20

9、00倍左右，因此离子束在感光胶中散射范围极小，离子束曝光基本不存在邻近效应，比电子束光刻具有更高的分辨率，在刻蚀技术中用离子束刻蚀可得到最细的线条。同时因为离子质量大，在同样能量下，感光胶对离子的灵敏度要比电子高数百倍。但聚焦离子束曝光也存在一些限制因素，首先是液态金属离子源发射的离子具有较大的能量分散，而聚焦离子束系统所采用的静电透镜有较大的色差系数，色差会影响离子束聚焦。其次，由于离子质量大，所以在感光胶中的曝光深度有限。如能量为700OOV的钱离子在感光胶中的曝光深度小于01um。相比之下，20000V能量的电子束可曝光IUm以上的感光胶。有限的曝光深度大大限制了离子束曝光的应用范围。在

10、真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面。由于离子带正电荷，其质量数比电子大数千倍甚至上万倍，它撞击工件时具有很大撞击动能，通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工。图8-9离子束加工原理1真空抽气口2灯丝3-惰性气体注入口4-电磁线圈5离子束流6工件7阴极8-引出电极9闻被-电离菰离子束与电子束加工原理基本相同。主要是不同是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的。离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的。3. 2.离子束加工的分类离子束加工的物理基础是离子

11、束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。通常分以下四类：3. 2.1.离子刻蚀采用能量为0.15keV、直径为十分之几纳米的的氢离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）问键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的。这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铳削。3. 离子刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。4. 2.2.离子溅射沉积采用能量为0.15keV的氢离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。实际上此法

12、为一种镀膜工艺。工件陶书源吸极寓子束TFt1g/一次Tj7、把材（b）离子液射沉根3. 2.3.离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达1020MPa）该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。3. 2.4.离子注入用5500keV能量的图子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。离弋源吸极离子束（ArHr/其它高子a）离子注入该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同

13、离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。3. 3.离子束加工工艺的特点：3. 3.1.加工精度高离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。3. 3.2.环境污染少离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。3. 3.3.加工质量高离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。4.电子束加工与离子束加工工艺比较4. 1.原理比较电子束加工是在真

14、空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可以进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加Io离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的

15、离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氢离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应；如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀；如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的镀膜；如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。4. 2.特点比较4. 2.1.电子束加工的特点：由于电子束能够极其细微地聚焦，甚至能聚焦到01m,所以加工面积和切缝可以很小，是一种精密微细的加工方法。电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬间蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，