電子束曝光技術(shù)及其應(yīng)用綜述

1、1 引言 在過(guò)去的幾年中，微電子技術(shù)已發(fā)展到深亞微米階段，并正在向納米階段推進(jìn)。在此期間，與微電子領(lǐng)域相關(guān)的微/納加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，如圖形曝光（光刻）技術(shù)、材料刻蝕技術(shù)、薄膜生成技術(shù)、離子注入技術(shù)和粘結(jié)互連技術(shù)等。在這些加工技術(shù)中，圖形曝光技術(shù)是微電子制造技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)者，正是由于曝光圖形的分辨率和套刻精度的不斷提高，促使集成電路集成度不斷提高和制備成本持續(xù)降低1。 幾十年來(lái)，在半導(dǎo)體器件和IC生產(chǎn)上一直占主導(dǎo)地位的光學(xué)曝光工藝為IC產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。通過(guò)一系列技術(shù)創(chuàng)新，采用超紫外準(zhǔn)分子激光（193 /157nm）的光學(xué)曝光機(jī)甚至已將器件尺寸進(jìn)一步推進(jìn)到0.150.13m，

2、例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-5000ESI/ASI（Canon公司）。但是，隨著器件尺寸向0.1m以下逼近，光學(xué)曝光技術(shù)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如分辨率的提高使生產(chǎn)設(shè)備價(jià)格大幅攀升、超紫外光焦深縮短引起的材料吸收問(wèn)題等，使光學(xué)曝光能否突破0.1m成為業(yè)界普遍關(guān)注的問(wèn)題23。 2 四種電子束曝光系統(tǒng) 電子束曝光是利用電子束在涂有感光膠的晶片上直接描畫或投影復(fù)印圖形的技術(shù)，它的特點(diǎn)是分辨率高（極限分辨率可達(dá)到38m）、圖形產(chǎn)生與修改容易、制作周期短4，5。它可分為掃描曝光和投影曝光兩大類，其中掃描曝光系統(tǒng)是電子束在工件面上掃描直接產(chǎn)生圖形

3、，分辨率高，生產(chǎn)率低。投影曝光系統(tǒng)實(shí)為電子束圖形復(fù)印系統(tǒng)，它將掩模圖形產(chǎn)生的電子像按原尺寸或縮小后復(fù)印到工件上，因此不僅保持了高分辨率，而且提高了生產(chǎn)率。 2.1 基于改進(jìn)掃描電鏡（SEM）的電子束曝光系統(tǒng) 由于SEM的工作方式與電子束曝光機(jī)十分相近，最初的電子束曝光機(jī)是從SEM基礎(chǔ)上改裝發(fā)展起來(lái)的 6。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，將SEM改裝為曝光機(jī)的工作取得了重要進(jìn)展。 如圖1所示，主要改裝工作是設(shè)計(jì)一個(gè)圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，并配備一臺(tái)PC機(jī)。PC機(jī)通過(guò)圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電器去驅(qū)動(dòng)SEM的掃描線圈，從而使電子束偏轉(zhuǎn)。同時(shí)通過(guò)圖形發(fā)生器控制束閘的通斷，最終在工件上描繪出所要求的圖形

4、。通常采用矢量掃描方式描繪圖形，即在掃描場(chǎng)內(nèi)以矢量方式移動(dòng)電子束，在單元圖形內(nèi)以光柵掃描填充。 對(duì)SEM進(jìn)行改裝時(shí)，應(yīng)考慮SEM偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的帶寬以及工作臺(tái)移動(dòng)精度等對(duì)曝光圖形誤差和圖形畸變的影響。目前，高檔SEM改裝系統(tǒng)的功能接近于專用電子束曝光機(jī)，但由于受到視場(chǎng)小、速度低及自動(dòng)化程度低等限制，在生產(chǎn)率上不可能與專用電子束曝光系統(tǒng)相比。表1列出幾種SEM改裝型電子束曝光系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。 2.2 高斯電子束掃描系統(tǒng) 2.2.1矢量掃描方式 曝光時(shí)，先將單元圖形分割成場(chǎng)，工件臺(tái)停止時(shí)電子束在掃描場(chǎng)內(nèi)逐個(gè)對(duì)單元圖形進(jìn)行掃描，并以矢量方式從一個(gè)單元圖形移到另一個(gè)單元圖形；完成一個(gè)掃描場(chǎng)描繪后，移動(dòng)工

5、件臺(tái)再進(jìn)行第二個(gè)場(chǎng)的描繪，直到完成全部表面圖形的描繪。 由于只對(duì)需曝光的圖形進(jìn)行掃描，沒(méi)有圖形部分快速移動(dòng)，故掃描速度較高。同時(shí)為了提高速度和便于場(chǎng)畸變修正，有部分系統(tǒng)將掃描場(chǎng)分成若干子場(chǎng)，電子束偏轉(zhuǎn)分成兩部分：先由16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將電子束偏轉(zhuǎn)到某子場(chǎng)邊緣，再由高速12位DAC 在子場(chǎng)內(nèi)偏轉(zhuǎn)電子束掃描曝光，如圖2所示。系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用高精度激光控制臺(tái)面，分辨率可達(dá)1nm以下，但生產(chǎn)率遠(yuǎn)低于光學(xué)曝光系統(tǒng)，并隨著圖形密度增加而顯著降低，因此難以進(jìn)入大規(guī)模集成電路（LSI）生產(chǎn)線 7。表2 給出了幾種典型高斯掃描系統(tǒng)的型號(hào)和主要技術(shù)指標(biāo)。  2.2.2光柵掃描系統(tǒng) 采用高速掃描方

6、式對(duì)整個(gè)圖形場(chǎng)掃描，利用快速束閘控制電子束通斷，實(shí)現(xiàn)選擇性曝光。例如美國(guó)Etec公司生產(chǎn)的MEBES系統(tǒng)采用高亮度熱場(chǎng)致發(fā)射陰極，在掩模版上可獲得400A/cm2的束電流密度，工件臺(tái)在X方向作連續(xù)移動(dòng)時(shí)，電子束在Y 方向作短距離重復(fù)掃描，從而形成一條光柵掃描圖形帶。隨后工件臺(tái)在 Y方向步進(jìn)，再描繪相鄰的圖形帶。激光干涉儀對(duì)工件臺(tái)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并補(bǔ)償行進(jìn)中的工件臺(tái)的位置誤差。由于采用了工件臺(tái)連續(xù)移動(dòng)、大束斑快速充填、高亮度熱場(chǎng)致發(fā)射陰極等技術(shù)，極大地提高了掃描系統(tǒng)生產(chǎn)率，且生產(chǎn)率不受圖形密度的影響。 2.3 成型電子束掃描系統(tǒng) 成形電子束曝光系統(tǒng)按束斑性質(zhì)可分成固定和可變成形束系統(tǒng)。固定成形束

7、系統(tǒng)在曝光時(shí)束斑形狀和尺寸始終不變；可變成形束系統(tǒng)在曝光時(shí)束斑形狀和尺寸可不斷變化。按掃描方式，成形電子束曝光系統(tǒng)又可分為矢量掃描型和光柵掃描型。圖3所示為一種尺寸可變的矩形束斑的形成原理，電子束經(jīng)上方光闌后形成一束方形電子束，再照射到下方方孔光闌上。在偏轉(zhuǎn)器上加上不同的電壓，就能改變穿過(guò)下方孔光闌的矩形束斑的尺寸，形成可變的矩形束斑；采用特殊設(shè)計(jì)的成形光闌，還可形成三角形、梯形、圓形及多邊形等成形電子束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，但曝光效率高，目前廣泛用于微米、亞微米及深亞微米的曝光領(lǐng)域，如用于掩模版制作和小批量器件生產(chǎn)等。表3中列出了幾種典型成型束系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商和主要技術(shù)指標(biāo)。

8、 2.4 投影電子束掃描系統(tǒng)掃描式電子束曝光系統(tǒng)可以得到極高的分辨率，但其生產(chǎn)率較低，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。成形束系統(tǒng)生產(chǎn)率固然有所提高，但其分辨率一般在0.2m左右，難以制作納米級(jí)圖形。近年來(lái)研發(fā)的投影電子束來(lái)曝光系統(tǒng)，既能使曝光分辨率達(dá)到納米量級(jí)，又能大大提高生產(chǎn)率，且不需要鄰近效應(yīng)校正。目前在研制中的投影式電子束曝光系統(tǒng)主要有兩種。 一種是Lucent公司的SCALPEL系統(tǒng)，如圖4 所示，平行電子束照射到SiNx薄膜構(gòu)成的掩膜上，薄膜上的圖形層材料為W/Cr。當(dāng)電子穿透SiNx 和W/Cr兩種原子序數(shù)不同的材料時(shí)，產(chǎn)生大小不同的散射角。在掩模下方縮小透鏡焦平面上設(shè)置大小一定的光闌時(shí)

9、，通過(guò)光闌孔的主要是小散射角的電子，而大散射角的電子則大多數(shù)被遮擋，于是在工件面上得到了縮小的掩模圖形。再經(jīng)過(guò)分布重復(fù)技術(shù)，將縮小圖形逐塊拼接成所要的圖形。近期采用散射型掩模取代了吸收型鏤空掩模，以及采用角度限制光闌技術(shù)使SCALPEL技術(shù)得到迅速的發(fā)展，故投影電子束掃描系統(tǒng)極可能成為本世紀(jì)0.1m以下器件大規(guī)模生產(chǎn)的主要光刻手段8。 另一種是Nikon公司和IBM公司合作研究的下一代投影曝光技術(shù)PREVAIL，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是采用可變軸浸沒(méi)透鏡，對(duì)以硅為支架的碳化硅薄膜進(jìn)行投影微縮曝光。由于將大量平行像素投影和掃描探測(cè)成形相結(jié)合，從而得到較高的曝光效率，并對(duì)像差進(jìn)行實(shí)時(shí)校正 9。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可望

10、研制出高分辨率與高生產(chǎn)率統(tǒng)一的電子束步進(jìn)機(jī)，用于 100nm50nm電子束曝光。 四種電子束掃描系統(tǒng)對(duì)比分析與應(yīng)用見(jiàn)表4。3 幾項(xiàng)發(fā)展中的電子束曝光新技術(shù) 3.1 基于DSP的新型圖形發(fā)生器 新型圖形發(fā)生器以DSP芯片為主體，上位機(jī)通過(guò)增強(qiáng)并行接口（EPP）連接通信協(xié)議控制器。DSP和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信形式由通信協(xié)議控制器決定，程序控制器EPROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）用來(lái)存放控制命令和傳輸數(shù)據(jù)方式命令及DSP 數(shù)據(jù)輸出方式等。數(shù)據(jù)控制RAM用來(lái)存放場(chǎng)畸變、場(chǎng)增益、場(chǎng)旋轉(zhuǎn)等校正數(shù)據(jù)。曝光圖形數(shù)據(jù)和各類校正數(shù)據(jù)經(jīng)DSP運(yùn)算處理后，通過(guò)地址譯碼及DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至相應(yīng)的各類寄存器。 X和Y方向

11、的主場(chǎng)、子場(chǎng)、增益及旋轉(zhuǎn)寄存器的數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬量經(jīng)求和后送至偏轉(zhuǎn)放大器，由偏轉(zhuǎn)放大器控制電子束在硅片上（或掩模上）掃描曝光圖形。例如，IBM公司在原有IBM VSXPG矢量掃描圖形發(fā)生器的基礎(chǔ)上增加了DSP處理器，高精度地實(shí)現(xiàn)了圓形、橢圓形、拋物線和雙曲線圖形的曝光。 3.2 電子束直接光刻技術(shù) 無(wú)掩模電子束直接光刻（EBDW）預(yù)先要制作晶片位置標(biāo)記和芯片套刻標(biāo)記及工件臺(tái)標(biāo)定，以確定晶片位置和方向角，直寫過(guò)程就是反復(fù)利用標(biāo)記定位及描繪來(lái)完成圖形曝光的。EBDW的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約新器件研制成本；縮短研制周期；能獲得極高的分辨率。這些優(yōu)點(diǎn)使EBDW在功能器件、特種器件和

12、新型電路的制造和納米器件研究中獲得廣泛應(yīng)用，但由于EBDW存在生產(chǎn)率低的缺點(diǎn)限制了它在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。 3.3 雙層抗蝕劑曝光工藝 隨著電子器件及LSI的發(fā)展，IC的層數(shù)越來(lái)越多，圖形越來(lái)越復(fù)雜，特征線條尺寸越來(lái)越細(xì)，對(duì)抗蝕劑圖像就有了更多的要求，如更高的曝光分辨率，更復(fù)雜、精確的抗蝕劑層截面形狀。此時(shí)，常規(guī)的單層抗蝕劑曝光工藝就難以滿足這些特殊要求，這就需要采用更為復(fù)雜的雙層抗蝕劑的曝光顯影和刻蝕等復(fù)合工藝來(lái)完成。 雙層抗蝕劑電子束曝光工藝是利用不同類型的抗蝕劑對(duì)電子束曝光有不同的靈敏度這個(gè)特性，即在同一電子束的同樣曝光劑量照射下，雙層抗蝕劑產(chǎn)生不同的曝光結(jié)果。通過(guò)不同的顯影液分別顯影處

13、理后，在雙層抗蝕劑膠層會(huì)分別出現(xiàn)不同的曝光尺寸和截面，以此來(lái)制成一些有特殊要求的抗蝕劑膠層的曝光截面形狀。 歸結(jié)起來(lái)，用于光刻的多層抗蝕劑系統(tǒng)有下列方式：利用相對(duì)分子質(zhì)量不同的兩種相同成分抗蝕劑作雙層抗蝕劑系統(tǒng)，用同一種曝光方式曝光顯影，如圖5（a）所示；利用兩種不同類型的抗蝕劑作雙層抗蝕系統(tǒng)，用一種曝光方式曝光，兩次顯影，見(jiàn)圖5（b）；用兩種不同類型的抗蝕劑組成雙層抗蝕劑系統(tǒng)，分別用兩種曝光方式曝光和顯影，見(jiàn)圖5（c）；用幾種抗蝕劑聯(lián)合組成多層抗蝕劑系統(tǒng)，最頂層是靈敏抗蝕劑，用一種曝光方式曝光制圖，而下面的幾層分別用離子方法刻蝕。 3.4 鄰近效應(yīng)修正技術(shù) 理論上，電子束曝光的極限分辨率可達(dá)

14、幾納米，但高能入射電子在抗蝕劑中的散射和在襯底上的反射以及背散射引起的鄰近效應(yīng)使曝光圖形模糊、影響分辨率，再加上光刻膠的分辨率極限和光刻工藝精度，因此直接使用電子束光刻技術(shù)難以得到接近其理論極限的納米尺度圖形10。 對(duì)實(shí)際的鄰近效應(yīng)作適當(dāng)補(bǔ)償可以得到比較理想的曝光結(jié)果11。根據(jù)不同版圖設(shè)計(jì)，有多種方法減小鄰近效應(yīng)；若圖形密度和線寬都較一致，可以通過(guò)調(diào)整整體劑量曝光出合適尺寸的圖形；選用高對(duì)比度膠也可以減小線寬的變化，同時(shí)用多層膠也可以減小前散射電子；用50100kV甚至更高的加速電壓，也可以減小前散射電子，但有時(shí)會(huì)增加背散射電子。 抗蝕劑曝光劑量自動(dòng)協(xié)調(diào)的鄰近效應(yīng)修正技術(shù)（簡(jiǎn)稱SPECTRE）

15、是目前常用的一種技術(shù)，通過(guò)同時(shí)對(duì)內(nèi)鄰近效應(yīng)和相互鄰近效應(yīng)都進(jìn)行校正，使圖形的不同部位賦予不同的曝光劑量，從而達(dá)到使所有電子輻照區(qū)各部位的顯影程度一致的目的。 4 電子束曝光技術(shù)的應(yīng)用 4.1 用于掩模版制造 隨著器件的特征尺寸不斷縮小，在掩模版制造中普遍采用電子束曝光和激光光刻設(shè)備，在這兩類設(shè)備中，電子束設(shè)備在性能和數(shù)量上均占優(yōu)勢(shì)。最先進(jìn)的激光制版系統(tǒng)，其束斑直徑在0.2m左右，可以用來(lái)制作0.18m，0.15m生產(chǎn)線的掩模版，但對(duì)特征尺寸更小的器件的掩模，只能用電子束曝光系統(tǒng)來(lái)制作，特別是用于光學(xué)光刻中的鉻版制造。 在掩模版制造中應(yīng)用電子束曝光機(jī)，由于不需要多次套準(zhǔn)，只要用激光干涉儀控制就可

16、以保證掩模制造所要求的圖形位置精度。確定工件臺(tái) X、Y向的精度和旋轉(zhuǎn)正交性的基準(zhǔn)標(biāo)記永久地設(shè)置在工件臺(tái)邊緣成像平面上。在掩模版制造開(kāi)始過(guò)程中必須按規(guī)定經(jīng)常返回基準(zhǔn)標(biāo)記位置進(jìn)行校正，才能保證精度。掩模版制造的工藝過(guò)程如圖6所示。4.2 用于微電子機(jī)械、電子器件制造 目前，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）制造的主流工藝是與傳統(tǒng)IC工藝兼容的技術(shù)，例如光刻、刻蝕、淀積、擴(kuò)散、離子注入等，特別是對(duì)于制作象微電機(jī)、微泵等機(jī)械結(jié)構(gòu)及包括微傳感器、微執(zhí)行器和相關(guān)電路往往要采用多次光刻，而電子束光刻具有易于修改，無(wú)需制作掩模的優(yōu)點(diǎn)，因此電子束光刻比常規(guī)工藝更有優(yōu)勢(shì)。 隨著微機(jī)械尺寸進(jìn)入納米級(jí)范圍，ERDW系統(tǒng)及能形

17、成大深寬比膠圖形的電子束投影曝光系統(tǒng)（如SCALPEL或PREVAIL）將得到廣泛應(yīng)用。例如，利用LIGA技術(shù)制作MEMS時(shí)，在形成特種、大深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)使用的掩模版可以由電子束投影曝光制造。 電子束曝光亦用于GaAs IC、光波導(dǎo)器件的小批量生產(chǎn)12，如肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)晶體管要求柵極很窄、柵極與源漏之間對(duì)準(zhǔn)嚴(yán)格。利用電子束刻蝕時(shí)，先作出柵極和源漏極圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，再用精密的電子束實(shí)現(xiàn)30nm以下柵的制備，從而保證極高的套刻精度。 4.3 制作全息圖形 電子束與光束一樣具有波動(dòng)性，利用電子的波動(dòng)性和干涉原理能夠制作精細(xì)的全息圖形。其原理是：先借助近年來(lái)研制的高亮度熱場(chǎng)致發(fā)射（TFE）電子源產(chǎn)生的高能量電子束，再經(jīng)兩級(jí)透鏡會(huì)聚后，穿過(guò)電子雙棱鏡，產(chǎn)生兩個(gè)波的干涉柵狀圖形（干涉條紋間隔優(yōu)于100nm），如果再設(shè)置兩個(gè)正交的雙棱鏡，就可產(chǎn)生4個(gè)波的點(diǎn)狀圖形，用此方法就能制作出全息納米結(jié)構(gòu)圖形。由于電子束曝光具有極高的分辨率，可將此技術(shù)用于高級(jí)防偽標(biāo)識(shí)的制作以及重要文件的縮微保存13。4.4 電子束誘導(dǎo)表面淀積技術(shù) 電子束誘導(dǎo)表面淀積技術(shù)是利用電子束曝光技術(shù)直接產(chǎn)生納米微結(jié)構(gòu)的方法。在電子束曝光機(jī)的工件室中引入源氣體物質(zhì)(如某種金屬有機(jī)化合物)，并使其接近電子探針