电子束刻蚀技术现状与进展.pdf

微机电系统论文——电子束刻蚀技术现状与进展学院名称：机械工程学院专业班级：机械电子工程0901班学生姓名：杨道教师姓名：杨平教师职称：讲 师2011 年 12 月电子束刻蚀技术现状与进展摘要：随着纳米加工技术的发展, 纳米结构器件必将成为未来集成电路的基础 纳米光刻技术是制作纳米结构的基础, 具有重要的应用前景电子束光刻技术是 推动微米电子学和微纳米加工发展的关键技术, 尤其在纳米制造领域中起着不可 替代的作用文章介绍了一种极有潜力的下一代纳米光刻技术：电子束光刻技术的 新途径、发展现状和关键问题, 最后讨论了纳米光刻技术的应用前景1 引言随着中国纳米技术和纳米电子学的蓬勃发展, 纳米加工技术的研究越来越重 要, 而电子束光刻技术将是纳米结构图形加工中非常重要的手段 电子束刻蚀是近十年来发展起来的一项新的微细加工技术，它是在计算机控 制下，利用荷能电子束对抗蚀剂的作用而形成的一套全新的高分辨率刻蚀技术 它所加工出的图形分辨高、 线条边缘陡直电子束刻蚀不仅已广泛用于制造光刻蚀 复制用的掩膜，而且还可以直接在晶片上加工芯片图形，实现了以“无掩膜”曝 光技术来制造集成电路和器件， 当前已成为加工低微米和亚微米尺寸微电子器件 的重要手段。

2 电子束刻蚀技术现状电子束曝光技术是在计算机控制下，按照加工要求的图形， 利用聚焦后的电 子束对基片上的抗蚀剂进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，根 据不同区域的溶解特性， 利用具有选择性的显影剂进行显影，溶解性强的抗蚀剂 部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下来， 就可以得到所需要的抗蚀剂图形 电子束光刻中使用的曝光机一般有两种类型: 直写式与投影式直写式就是 直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上, 不需要光学光刻工艺中最 昂贵和制备费时的掩膜 ; 投影式则是通过高精度的透镜系统将电子束通过掩膜图 形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上一般直写式曝光机主要使用的是 热场发射源 ( 表面镀 ZrO的钨金属针尖 ), 工作温度在 1800K,和冷场发射源相比可 以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源电子源发射出来的电子束的聚焦和 偏转是在镜筒中完成的镜筒通常包含有光阑、电子透镜、挡板、像散校正器和 法拉第电流测量筒等装置光阑的作用主要是设定电子束的会聚角和电子束电 流电子透镜的作用是通过静电力或是磁力改变电子束的运动电子透镜类似光 学透镜 , 也存在球差和色差 ( 当外圈电子会聚比内圈电子强时就形成了球差, 而当 能量有微小差异的电子聚焦在不同平面上时就形成了色差), 从而限制了束斑的 大小和会聚角的范围。

像散校正器可以补偿不同方位角电子束的像差挡板的作 用是开启或关闭电子束结合刻蚀和沉积工艺, 利用直写式曝光技术可以制备 20nm甚至更细的图形 , 最小尺寸达 10nm的原理型纳米电子器件也已经制备出来 由于直写式曝光技术所具有的超高分辨率, 无需昂贵的投影光学系统和费时的掩 膜制备过程 , 它在微纳加工方面有着巨大的优势但由于直写式的曝光过程是将 电子束斑在表面逐点扫描, 每一个图形的像素点上需要停留一定的时间, 这限制了图形曝光的速度 直写式电子束光刻在产能上的瓶颈使得它在微电子工业中一 般只作为一种辅助技术而存在, 主要应用于掩膜制备、原型化、小批量器件的制 备和研发但直写式电子束曝光系统在纳米物性测量、原型量子器件和纳米器件 的制备等科研应用方面已显示出重要的作用3 电子束光刻技术进展电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻, 必须 解决几个关键的技术问题: 电子束高精度扫描成像曝光效率低; 电子在抗蚀剂和 基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应; 在实现纳米尺度加工中电子抗蚀剂 和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题实践证明, 电子束邻近效应校正技 术、 电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术及抗蚀剂曝光工艺优化技 术的应用 , 是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。

电子束光刻的优点是分辨率高，可超过光学光刻，达30nm 其缺点是： (1) 生产效率低； (2) 电子的散射易造成邻近效应，导致曝光在芯片上的图形尺寸与 掩模版上的图形尺寸没有简单的对应关系为了改善后者， 1989年贝尔实验室朗 讯工作组推出了 SCALPEL( 散射角度限制的电子束投影光刻) 掩模版由极薄的氧 化硅膜和薄的高原子序数金属( 如钨)膜组成平行的高能电子束入射到掩模版 上，穿过氮化硅膜的电子基本上不散射，而穿过金属膜的电子散射严重这些电 子再经过磁透镜聚焦后穿过一个置于焦平面上的角度限制光阑，此时散射严重的 电子透过率很低， 而低散射的电子都能穿透过去 所有电子再通过一个磁透镜形 成平行束，被投影在晶圆上，平行的电子束投影采用4倍缩小设计这种方法可 光刻50～100 nm 的图形，主要用于 ULSI和MEMS，如比利时 IMEC 微电子中心在研究 45 nm节点的高 K绝像层和金属栅极时采用精密的电子束光刻技术来完成极细线 宽的光刻但是 SCALPEI 技术的最大挑战是如何提高其生产效率，由于空间电荷 效应的存在， 光刻尺寸的缩小和提高生产效应是一对矛盾，如何解决其空间电荷 效应和晶圆表面热效应是研究SCALPEL 的重要课题。

在电子束投影曝光中， 为了提高曝光效率， 实现大量平行像素投影， 业界推 出了PREVAIL 技术，曝光面积可达 l mm2 ，图2给出PREVAIL 系统中电子光柱体的结 构示意图从位于电子光柱体上方的电子枪发射出来的电子通过高压电场加速进 入电子光柱体通过成形光阑将电子束截取成方形并具均匀能量分布的电子束 成形后的电子束经过一个曲线可变轴透镜CVAL 系统，在掩模版上成像面积为1 mm2 的能量均匀分布的方形电子束该系统最大电子束偏转距离为±10 mm ，CVAL 可修正电子束进行大范围偏转引起的畸变，减少了工件台移动的次数， 从而提高 了曝光效率 穿过掩模版的电子束继续进入一组束偏转／移轴偏转器，将电子束 移到其子场位置最后通过物镜4倍缩小投影到晶圆相应的部位，投影在晶圆上 的范围可达± 2．5 mm 这种采用电子束扫描和晶圆工件台步进相结合的曝光方 法大大提高了曝光效率4 无掩模光刻技术及设备目前业界对无掩模光刻技术的普遍看法是：它是降低光掩模不断飞升的一个潜在解决方案， 是一种有前途的光刻候选技术 但是近期它可能只是一个细分的光刻技术，不能替低主流的光刻技术， 如浸入式光刻和EUVL 。

正如 International Sematech高级院士和 2005年 1 月 International Sematech主办的无掩模研讨会组织者 Walt Trybula 所说：“面向前沿光刻应用的掩模研发成本正在成为许多IC 制造商日益关注的问题很明显，无掩模光刻是解决掩模成本问题的潜在方案“在这次无掩模大会上，不少公司演示了多单束、多束和光学方法制造的无掩模光刻工具奥地利 IMS Nanofabricution GmbH 与德国 Leia Microsystems AG 共同推出采用可编程序掩模的无掩模光刻工具，名为PLM 一 2它采用 400 万电子束，可用于≤ 45 nm节点PLM一 2 基于 Leia 公司现有的直接写入电子束平台SB350DWPLM-2缩小倍数为 200，5 keV电子枪，电子束直径l nm ，覆盖精确度为 20 nm，分辩率为 180 nm／像素， 2006年推出首款产品， 2008 年推出可用于光刻量产的产品这两家公司正在研究下一代新型电子束上具，不同于SB350DW[3] 初创公司 MultibeamSystem 在大会上推出了多电子束技术， 面向无掩模光刻应用。

它是一种基于所谓静电可扩展光学(Electrostatic scalable optics)的技术该公司利用10 条电子束光柱开发出一种用于无掩模光刻的工具，极大地提高了生产效率，它特别适用于ASIC设计和晶圆代工厂，预计2007年上市，售价 1500 万美元2004年 9月朗讯贝尔实验室被美国国防部高级研究计划局(DARPA) 选中，开发无掩模光刻技术，并将这种技术用于设计、开发并演示基于MEMS 的空间光调制器(SLM)这项合同任务来自Space and Naval warfare Systems Center San Diego， 投资 950万美元， 合同期为 4 年 目前贝尔实验室正在与Corning Trople、杜邦掩模、 Lincoln实验室合作，并与ASML 保持密切联系贝尔实验室所开发的 MEMS SLM 技术包含独立性高 10 倍的可移动微镜，这意味着下一代微电子加工中光掩模蚀刻系统特征尺寸可能缩小至50nm 2004年 ASML 与贝尔实验室联合研发无掩模光刻技术方面有所突破，这对ASIC生产和小批量的晶圆代工厂来说，为甩开掩模版、降低光刻成本迎来了曙光在 2005 年 1 月的全球无掩模光刻技术大会上，业界还认为：虽然目前无掩模光刻工具己问世，但总体产出率仍低下。

目前基于0 一 ML2和 CP-ML2的无掩模光刻技术还面临着几个重大的技术挑战， 如电子束较正、晶圆上的像素验证和检查；与光刻工艺的兼容性； 影响特征尺寸覆盖的重合误差等对于电荷微粒无掩模存在的特殊问题有：电子束与产出率的折哀和可延展性、电子束稳定性／可靠性、电子束源稳定性／腐蚀剂精确度／射入噪声等对于光掩模存在的问题有： 激光要求、分辨率可延展性、调制器等总之，无掩模光刻技术还是一种新颖的光刻技术，有待解决的技术问题还很多5 展望纳米科技现在已成为倍受人们关注、最为活跃的前沿学科领域, 它使人类在 改造自然方面进入到原子、分子级的纳米层次, 从而给国民经济和国家安全带来 深远的影响正像产业革命及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样, 纳米科技的发展将带来一场工业革命, 成为 21 世纪经济增长的新动力 将微电子 技术自身的强大生命力 , 即廉价而成熟的高精度微纳米加工技术与纳米电子束光刻技术相结合 , 将在纳米器件研究和纳米结构加工技术的开发上起到重要作用 电子束光刻技术将广泛地应用于微电子、微光学( 集成光学 )、微机械 (仪器和传 感器) 、光电子、微流体 ( 生物化学 ) 、微机器 ( 智能机器人 ) 和纳米制造等需要微 纳米图形加工的科学技术领域。

微纳米加工技术与其他科学技术相结合, 又诞生 了一系列崭新的交叉学科和重大的经济增长点, 如微光机械电子学、真空微电子 学、超导微电子学、纳米电子学、有机微电子学( 生物电子学、分子电子学 ) 及其 相应的高新技术参考文献： [1] 陈宝钦 , 刘明. 微光刻与微纳米加工技术[M] 何杰, 夏建白. 半导体科学与技术 . 北京: 科学出版社 ,2007. [2] 陈宝钦 , 刘泽文. 集成电路工艺与设计技术新进展[M] 中国科学院 .2008 高技 术发展报告 . 北京: 科学出版社 ,2008. [3] 金春水 , 王占山 . 软 X射线投影光刻技术 [J]. 强激光与粒束 ,2000,9:562 ～564 [4] 木下博雄 , 栗原健二 . 射线投影光刻技术 [J].NTTR&D,1994,43(11):1221～122 [5] 刘明 , 陈宝钦 , 王云翔 , 等. 纳米级电子束直写曝光的基础工艺. 半导体学 报,2003,24 （增刊） :226 ～228 [6] 龙世兵 , 李志刚 , 陈宝钦 , 等.ZEP520 正性电子抗蚀剂的工艺研究. 微细加工技 术,2005,(1):6～16 [7] 成立, 王振宇 , 祝俊, 等. 圆片级芯片尺寸封装技术及其应用综述[J]. 半导体技 术,2005,30 （2）:38 ～43 [8]CAMPBELL S N 微电子制造科学原理与技术[M]. 曾莹, 严利人 , 王纪民,。