电子束直写技术讲座

电子束直写技术的基础与应用张亮亮siten@163.com1.电子束直写系统2.电子束直写的工艺程序3.电子束直写的关键技术电子束散射与邻近效应电子束直写的分辨率

套刻工艺

多层曝光工艺

可观测宇宙半径1026m~1027m1.1电子束直写是什么？电子束直写：利用电子束在涂有电子束胶的样品上直接描画图形的技术，又叫电子束曝光技术，电子束直写技术。ElectronBeamLithography，简称EB，E-Beam，EBL1.电子束直写系统紫外光紫外光刻电子束直写电子束光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。

紫外光刻：光波长一般在200~450nm之间，通常加工精度在0.5um以上深紫外光刻：ASMLTWINSCANNXT2000i使用193nm深紫外线（Resolution32nm），沉浸式光刻，可以实现7nm制程节点器件光刻极紫外光刻：ASMLTWINSCANNXE3400B使用13.5nm软X射线（Resolution13nm），沉浸式光刻，实现7nm节点和5纳米节点器件光刻

根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电子束直写的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。

高端电子束直写设备可加工5nm的图案

RaithEBPG52001.2电子束直写有什么用？

电子束直写能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用高端电子束直写设备和特殊显影工艺，能够写出5nm以下的精细结构。纳米器件的微结构，如NEMS、电极集成光学器件，如光栅，光子晶体，弯曲波导小尺寸光刻掩模板离子泵离子泵限制膜孔电子探测器工作台分子泵场发射电子枪电子枪准直系统电磁透镜消像散器偏转器样品交换室机械泵物镜1.3电子束直写系统的结构电子枪场发射枪ZrO/W钨丝2700K六硼化镧1800K灯丝直径0.5um，会磨损，一般要求一年更换一次电子束直写常用电子能量在10keV~100keV电子枪准直系统整个电子光柱由各部分电子光学元件组装起来，装配高度达1m左右。任何微小的加工或装配误差都可能导致电子枪的阴极尖端与最后一级的透镜膜孔不在同一轴线上。因此需要装一个准直系统，必要时对电子枪发出的电子束进行较直。它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大限度的到达曝光表面电磁透镜消像散器由于加工误差，电磁透镜不是理想透镜，x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。圆形椭圆消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正偏转器用来实现电子束的偏转扫描。

矢量扫描与光栅扫描偏转器物镜将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表面的电子束斑，可达到2nm。除以上部分外，电子束直写系统还包括束流检测系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、图形发生器等。类似场发射扫描电镜，可由电镜改造，但精度差最小束直径：直接影响电子束直写的最小线宽。加速电压：一般10~100keV，电压越高，分辨率越高，邻近效应越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂层。电子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。日本CRESTEC公司生产的CABL9000C小公司，便宜2nm，理论最小结构尺寸8nm常用30keV常用：50~1000pA1.4CABL9000电子束直写系统及关键参数扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可避免多场拼接；扫描场小，精度高。拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。60~600um20nm2.电子束直写的工艺程序烘烤,匀胶,前烘干法刻蚀Lift-Off2.1衬底材料的准备衬底材料：要求平整度高，导电性好高掺杂硅片，导电玻璃等如果导电性不好怎么办？实验需要在绝缘体上做电子束直写，会发生“充电效应”，电荷在样品表面累积，图案边缘扩大模糊，无法聚焦。解决方法：需要在绝缘体上镀一层导电膜或者涂好电子束胶之后，再镀上一层导电膜金属薄膜：蒸发或溅射一层Al、Cr、Au等薄膜；工艺复杂，容易引入污染物水溶性导电聚合物：无污染；导电效果差，保质期短

铜片？玻璃？骨头？选好衬底之后，进行清洗，烘干

烘干要求在热板100℃以上烘烤30分钟2.2选取电子束胶，匀胶极性分辨率灵敏度优点缺点ZEP520正胶10nm较高耐刻蚀买不到PMMA正胶10nm低对比度高不耐刻蚀ARN7520负胶35nm高可用于混合曝光分辨率低HSQ负胶<10nm很低邻近效应小，分辨率最高去胶难不同的电子束胶、不同浓度、不同转速对应的胶厚不同，具体根据需求和电子束胶的性能决定。需求：剥离工艺，特征尺寸等。2.3前烘前烘的作用：去除胶中的溶剂，曝光性能固定，增强电子束胶与基底的附着力前烘：不同电子束胶带温度和时间均不同热板：烘烤时间短，固体传热，均匀性好烘箱：烘烤时间长，气体传热，均匀性差；密闭环境，干净PMMA（950K，4%）前烘热板：150℃，3分钟烘箱：150℃，60分钟热板烘箱绘制曝光图案样品传入选择束电流像散调节选定曝光位置，激光定位参数设定（位置、剂量、图案数量等）样品曝光样品取出，显影观察2.4电子束直写2.4.1绘制曝光图案1.使用系统自带的软件绘制图案

格式为*.CON文件，

优点：绘制方便，兼容性好

缺点：只能绘制圆形、环形、矩形、梯形等简单的几何图案

复杂图案进行拼接2.使用Layouteditor等软件制图

输出转化为CABL9000识别的格式，*.DXF，*.GDS

优点：绘制任意复杂的图案

缺点：与自带软件兼容性差，有时会出错2.4.2样品传入使用样品台和传送杆将样品传入工作仓室

手动传送，操作时要轻微，避免导致传送杆变形当样品杆运动阻力较大时，需要在样品杆表面涂润滑油

2.4.3选择束电流根据曝光图案特征尺寸和图案面积选择束电流特征尺寸小，图案面积小，选择小束电流特征尺寸大，图案面积大，选择大束电流使用CABL9000C，对于小面积图案（1mm×1mm以下）特征尺寸在100nm以下，选择50pA特征尺寸在100nm~500nm，可选择100pA大尺寸可选择小电流，效率低一些，小尺寸不能选择大电流2.4.4像散调节由于加工误差，电磁透镜不是理想透镜，x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。圆形椭圆消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正。需要手动调节像散。像散调节前像散调节后2.4.5选定曝光位置，激光定位选定曝光位置，进行聚焦调节waferZ=0，使激光在Z轴方向进行定位，再次聚焦要求样品表面平整光滑，匀胶质量好，平整度在10um以内，否则Z轴不能进行定位2.4.6曝光参数设定剂量：曝光能量的大小，跟设备状态、环境温度、束电流、电子束胶的灵敏度、曝光时间等相关。此时，胶的灵敏度、束电流等条件均已确定，只需要选择曝光时间。曝光时间小：欠曝光曝光时间大：过曝光曝光时间的选择，需要经验与试验对于同一种样品，同样的图案也需要试验，因为仪器状态、温度等可能不同2.4.7样品曝光样品曝光总时间跟场大小、DOT数目、图案形状和大小、束电流、剂量等相关场越小，DOT数多，图案面积大，束电流小，剂量大，总曝光时间长CABL9000C，使用120umFEILD，20000DOT，100pA束电流对于1mm×1mm面积的光栅，总曝光时间约2个小时对于1mm×1mm面积的圆孔，圆直径为500nm，总曝光时间约12个小时2.4.8样品取出，显影、定影观察曝光结束后，取出样品，显影定影后观察对于不同的电子束胶，有不同的显影液和显影时间对于更小的图案，如100nm以下，还可以采用超声辅助显影，低温显影等工艺。2.5后烘后烘的作用：去除胶中的溶剂，使电子束胶硬化，增强胶的抗刻蚀性能后烘可根据工艺需求选择后续工艺为刻蚀或离子注入等高能工艺，需要后烘后续工艺为剥离等，不需要后烘不同电子束胶的温度和时间均不同热板：烘烤时间短，固体传热，均匀性好烘箱：烘烤时间长，气体传热，均匀性差；密闭环境，干净PMMA（950K，4%）后烘热板：130℃，1分钟烘箱：130℃，25分钟2.6图像转移刻蚀：以胶做掩蔽，使用腐蚀性的气体把基底材料刻蚀掉，形成结构剥离：Lift-Off工艺，电子束蒸发台镀金属膜，然后使用溶剂将胶洗掉，剩下金属图案电子束蒸发多靶材磁控溅射方向性好覆盖性好电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生碰撞，产生散射。3.电子束直写的关键技术3.1电子束散射与邻近效应

邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个图形的边界也会由于邻近效应而扩展。邻近效应的校正剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光剂量。将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布（每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同的区域分配曝光剂量。缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件；计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。邻近效应的校正缺点：校正的动态范围小1）稳定的工作环境：温度变化范围±0.2℃，振动2um以下，磁场变化在0.2uT以下。2）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一般都在100keV。3）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。4）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨率应尽量使用小扫描场。电子束直写100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：3.2电子束直写的极限分辨率5）低灵敏度抗蚀剂：20nm以下的电子束曝光全部使用低灵敏度的抗蚀剂，例如PMMA，HSQ等。6）薄抗蚀剂层