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投影式 X 射线（极紫外光）,,X 射线,电子束,离子束,,接近式 X 射线,直写曝光（无掩模）,投影曝光（有掩模）,9.1 高能束与物体之间的相互作用,本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用一、X 射线与固体之间的相互作用,X 射线光刻所用的波长在λ= 0.2 ~ 4 nm 的范围，所对应的 X 射线光子能量为 1 ~ 10 k eV在此能量范围，X 射线的散射可以忽略 X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量能量损失与分辨率的关系 分辨率取决于 X 射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个 当 X 射线波长为 5 nm 左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率 ，其值即约为 5 nm 但在 X 射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 ~ 4 nm ，其相应的光电子射程为 70 ~ 20 nm但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨率的主要因素后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要因素是 掩模版的分辨率，以及 半影畸变 和 几何畸变二、电子束与固体之间的相互作用,电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇电子等。

影响电子束曝光分辨率的主要是 散射电子 1、电子的散射 入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，能量减少，波长增大电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角 前散射（小角散射）：散射角 90o 背散射（大角散射）：散射角 = 90o ~ 180o,实验表明，前散射使电子束变宽约 0.1 m，而背散射电子的分布区域可达到 0.1 ~ 1 m 所以 背散射是影响电子束曝光分辨率的主要因素2、光刻胶的能量吸收密度 电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围，而此范围可用光刻胶的能量吸收密度分布函数来表示由于能量密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E( r, z ) 3、光刻胶完成曝光所需的能量密度 设 g0 为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交联或降解）数，即反应产率，则 (1/g0 ) 表示每发生一个反应所需的能量单位体积光刻胶中的分子数可表为 ，其中 NA 为阿伏加德罗常数，M 为平均分子量则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为,令光刻胶的实际能量吸收密度 E( r, z ) 与完成曝光所需的能量密度 E0 相等，即 E( r, z ) = E0 ，可以得到一个等能量密度曲面。

显然，在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应，显影时将全部溶掉（以正性胶为例）所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓电子束,,显影后,,(1) 首先，假设入射电子束的分布是 函数，即单位冲击函数，其具有如下性质，,4、计算能量吸收密度 E( r, z ) 的方法,,(2) 然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果,通过模拟计算，发现 有以下特点， a、βα ，所以背散射是影响分辨率的主要因素； b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小； c、入射电子初始能量 E0 的影响是：对 ff ，E0 越大，则α越小；对 fb ，当 E0 增大时，β先增大，然后减小； d、低原子序数材料中的散射一般要小一些3) 对此模拟结果进行 曲线拟合，可得到近似的分析函数，为 双高斯函数 ，即,(4) 当入射电子为任意空间分布函数 时，其吸收能量密度 是 与 的 卷积积分，,例如，当电子束分布为 高斯圆形束 时，,式中， 为高斯电子束的标准偏差5) 胶层等能量密度剖面轮廓 实际的曝光图形，既不是 函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和，如下图所示。

设电子束的束流为 IB ，在每个点上停留的时间为 t ，则每个束斑上的入射电子数为 ( IB t / q ) ，每个束斑产生的吸收能量密度为,则在离线条距离为 x 的点 P 下面深度为 z 处的能量吸收密度为,,,,,,,,,,用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，,模拟结果,实际结果,5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法 已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的 邻近效应对于一个其线度 L 远大于电子散射范围 R 的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，,能量密度,内邻近效应,互邻近效应,无散射时,内邻近效应,互邻近效应,,,,,,,,,,,,,,,,,邻近效应的后果 (1) 对 L R 的孤立图形，使边缘模糊 (2) 对 L = R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来 (3) 对间距 a = R 的多个图形 ，使间距变小，甚至相连减小电子邻近效应的方法,减小入射电子束的能量（因β 随 E0 先大后小），或采用低原子序数的衬底与光刻胶修正电子邻近效应的方法 电子束图形,曝光显影后 有邻近效应,几何修正,剂量修正,,离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、激发、电离、电子发射、二次离子发射等。

这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同用于集成电路制造技术的入射离子能量范围为,三、离子束与固体之间的相互作用,刻蚀、镀膜： 50 k eV,,9.2 直写电子束光刻系统,电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一质量 m 和加速电压 Va 越大，则波长λ越小电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系,又由 代入波长λ中，得,考虑到相对论效应后，λ应修正为,电子束曝光的加速电压范围一般在 Va = 10 ~ 30 kV，这时电子波长λ的范围为 0.012 ~ 0.007 nm将 h = 6.62×10-27 erg/s ，q = 4.8×10-10 绝对静电单位，电子质量 m = 9.1×10-27 g 代入，得,电子束本身的分辨率极高 ，可以达到 0.01 m 以下，但是在光刻胶上一般只能获得 0.1 m 左右的线宽限制电子束曝光分辨率的因素有， 1、光刻胶本身的分辨率 2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应 3、对准问题,电子束曝光方式 电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此外也有投影方式，但无接触式。

直写曝光（无掩模）,电子束曝光方式,光栅扫描 矢量扫描,投影曝光（有掩模）,,,一、直写电子束光刻机工作原理,除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等数据输入,计算机,电子束控制,工件台控制,电子枪,光闸,硅片,电子束,聚焦系统,偏转系统,,,,,,,电子光学柱系统,二、电子束发射聚焦系统 1、电子枪,要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长1) 热钨丝电子枪 束斑直径约为 30 m 特点是简单可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大2) LaB6 电子枪 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大3) 场致发射电子枪 由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成，其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但需要的真空度更高，高达 1.33×10-6 Pa（1×10 –8 Torr），且稳定性较差2、聚焦系统 作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下 要求：几何像差小、色差小 结构种类：采用 2 ~ 3 级 静电透镜 或 磁透镜 聚焦系统磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 ，对电子束有聚焦作用。

三、偏转系统 作用：使电子束发生偏转，在光刻胶上进行扫描与曝光，描画出所需要的图形 要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，偏转速度快 结构种类：磁偏转 与 静电偏转 磁偏转器的电感较大，扫描频率较低；静电偏转器的电容较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍此外，静电偏转器的光学性能较好，像差较小实际使用时，有磁偏转、电偏转、磁-电偏转、磁-磁偏转、电-电偏转等多种组合方式偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式1、光闸机构控制 采用 “静电偏转器 +光阑” 的方式对电子束通断进行控制四、控制系统 对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制静电偏转器,光阑,当 V = +E 时,V,当 V = 0 时,,,,,2、偏转系统扫描控制 只应用于矢量扫描方式，使电子束根据集成电路图形的要求做出规定的偏转，完成扫描曝光1、高斯圆形束光柱 采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布，等流线为圆形束斑直径为 0.1 ~ 1 m ，最小可达到 0.01 m 其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细灵活主要缺点是 曝光效率低五、电子光学柱的类型,2、固定方形束光柱 采用面光源和方形光阑。

束斑尺寸一般取为图形的最小特征尺寸主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某些区域可能被重复曝光而导致曝光过度成形偏转板,光阑 1,光阑 2,通过光阑1后形成的固定方形束,与光阑 2 的相互位置,偏转后的方形束,通过光阑 2 后形成的可变矩形束,3、可变矩形束光柱,主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域主要缺点是结构复杂，价格昂贵但由于它是实现复杂精细图形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来越多的使用所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化由两个方形光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成4、三种光柱曝光效率的比较,例1、,,10d,5d,5d,10d,13d,115d2,,,,,,,,,,例2、1M DRAM 的芯片尺寸为 9.6×9.6 mm2，最小线宽 1 m，平均曝光面积 4×4 mm2 ，曝光图形约为 460 万个每个 4 英寸硅片上可容纳 52 个芯片若采用 D = 0.25 m 的高斯圆形束 ，每点的曝光时间为 1 s ，则单纯用于曝光的时间近 4 个小时 ；若采用可变矩形束，每点的曝光时间为 1.8 s ，则单纯用于曝光的时间仅 7 分钟。

六、直写电子束光刻机的扫描方式 1、光栅扫描 采用高斯圆形束电子束在整个扫描场里作连续扫描，通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区 光栅扫描的优点是 控制简单，不需对偏转系统进行控制缺点是 生产效率低 由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光按工件台的移动方式又可分为 分步重复光栅扫描 和 连续光栅扫描 两种2、矢量扫描,除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束矢量扫描的优点是 曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约 60% ~ 70% 的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束 缺点是 控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统进行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式9.3 直写电子束光刻概要和展望,直写电子束光刻的主要优点是 分辨率高，作图灵活主要缺点是 曝光效率低，控制复杂为了提高效率，已经开发出了高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级可能的解决方法是使用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统，,直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造也可用于产量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的。