基于SEM的電子束光刻技術(shù)開發(fā)及研究

電子束光刻（e-beam lithography，EBL）是無掩膜光刻的一種，它利用波長極短的聚焦電子直接作用于對電子敏感的光刻膠（抗蝕劑）表面繪制形成與設(shè)計圖形相符的微納結(jié)構(gòu)。電子束光刻系統(tǒng)有著超高分辨率（極限尺寸＜10nm的圖形轉(zhuǎn)?。┖挽`活作圖（可直寫無需掩模）的優(yōu)點(diǎn)，但因曝光效率低，控制復(fù)雜，致使電子束光刻更多應(yīng)用于制作光刻掩模板、先進(jìn)的原理樣機(jī)和納米級的科學(xué)研究及開發(fā)。

基于電鏡的光刻技術(shù)

電子束用于光刻已有幾十年的歷史，幾乎所有現(xiàn)代電子或離子顯微鏡，包括掃描電鏡(SEM)、掃描透射電鏡(STEM)、聚焦離子束 (FIB) 和 SEM/FIB 雙束，都可以輕松的添加光刻系統(tǒng)。

電子束光刻已經(jīng)有60多年的歷史了，幾乎是與光學(xué)曝光同步發(fā)展起來的，主要標(biāo)志性的時間有下面幾條：1958年美國麻理工研究人員首次利用電子引起的碳污染形成刻蝕掩模，制作出高分辨率二維圖形結(jié)構(gòu)；早在1965年就使用電子束曝光制作100nm的結(jié)構(gòu)了；1968年P(guān)MMA被作為電子束光刻膠使用；1970年使用PMMA制作出0.15um聲表面波器件；1972年使用電子束光刻在硅表面做出橫截面為60X60nm鋁金屬線條。

現(xiàn)代電鏡能控制XY電子束位置，且都有配置電子束消隱器。多數(shù)情況下，標(biāo)準(zhǔn)的電鏡平臺都能通過數(shù)字接口進(jìn)行控制，并用于光刻。非常重要的一點(diǎn)是，添加光刻系統(tǒng)并不會降低或限制電鏡在成像應(yīng)用方面的功能或性能，因此，不需要對電鏡進(jìn)行特殊定制?；陔婄R的EBL系統(tǒng)可以成為微米和納米制造方面非常通用的工具，也可用來觀察生成的結(jié)構(gòu)。

SEM是光刻技術(shù)最常用的電鏡類型，雖然掃描隧道電鏡（STM）和原子力電鏡（AFM）光刻技術(shù)的研究工作已經(jīng)完成，但這些電鏡尚未廣泛用于光刻。近年來，SEM-FIB雙束電鏡開始越來越多地用于光刻，利用雙束，光刻系統(tǒng)可以控制電子束或離子束，從而提供比單束系統(tǒng)更強(qiáng)的制造能力。

SEM的電子源

SEM中的電子源有兩種：

傳統(tǒng)電子源使用發(fā)夾鎢燈絲或六硼化鑭（LaB6）單晶尖端

場發(fā)射（FE）電子源——冷場或肖特基熱場

早期，由于成本較低，傳統(tǒng)電子源的電鏡一直是光刻技術(shù)中最廣泛使用的型號，然而，使用冷場或熱場發(fā)射電子源的SEM，不僅成像效果更好，而且光刻效果也更好。

在選擇用于光刻的兩種傳統(tǒng)電子源時，主要考慮成本、便利性、亮度和穩(wěn)定性。鎢燈絲的使用壽命通常為40-200小時，而LaB6電子源的使用壽命通常要長得多。雖然鎢絲的更換成本低于LaB6電子源，但兩者的總體成本大致相同。在相同的束斑尺寸下，LaB6電子源的電流比鎢燈絲高出3到10倍，因此光刻速度更快；LaB6電子源的穩(wěn)定性為每小時3%，而鎢絲的穩(wěn)定性為每小時1%。這些電子源的極限光刻線寬基本相同；使用LaB6電子源的SEM更容易優(yōu)化，因為亮度更高，可以使用更大的電子束電流，但鎢燈絲電子源的穩(wěn)定性更好。

在選擇冷場電子源或熱場電子源作為光刻應(yīng)用時，理由就相對簡單。熱場電子源在3-10小時內(nèi)的穩(wěn)定性通常為~1%，而冷場電子源本身不穩(wěn)定，在幾分鐘內(nèi)可能變化±5%，在一小時內(nèi)可能變化±20%或更多。此外，冷場射源需要定期"閃爍"，電子束需要1-2小時才能相對穩(wěn)定，通常會隨著電子槍中的真空度降低而變得越來越不穩(wěn)定。雖然冷場電子源的成像分辨率可能優(yōu)于熱場電子源，但對于光刻應(yīng)用來說，冷場電子源的不穩(wěn)定性是一個顯著的缺點(diǎn)（隨著技術(shù)的進(jìn)步，冷場SEM的穩(wěn)定性有了很大的提升）。即便如此，在沒有熱場SEM可用的情況下，使用冷場SEM 進(jìn)行光刻仍然是值得的。

電子束光刻的關(guān)鍵參數(shù)

最小束直徑：直接影響曝光圖形的最小尺寸?？赏ㄟ^調(diào)整以下措施獲得更小的束斑直徑，①設(shè)置盡量高的加速電壓 ②采用較小尺寸的光闌孔徑 ③采用小的工作距離 ④設(shè)置小的掃描場 ⑤設(shè)置小的曝光步長

加速電壓：一般是10~100kv加速電壓越高，分辨率越高，曝光產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)越小，可曝光更厚的抗蝕劑。

電子束流：束流越大曝光速度越快，最大曝光速度受掃描頻率限制，大束流的束斑也會較大

掃描速度：掃描速度越快曝光速度越快，以頻率表示（如：50MHz）

掃描場大小：掃描場大，則曝光圖形大部分可在掃描場內(nèi)曝光，避免掃描場拼接引起的誤差還有工作臺移動精度、套準(zhǔn)精度、場拼接精度等。

利用傳統(tǒng)的電子束光刻加工技術(shù)實現(xiàn)的最細(xì)線寬通常在10~100 nm 之間（目前已可以實現(xiàn)＜10nm），其中電鏡是決定性能的主要因素。較小的線寬通常使用30 kV FE SEM、40 kV LaB6 SEM或 ≥100kv STEM 來實現(xiàn)，而低性能、低成本SEM的最小特征尺寸可能為50-100 nm。除了電鏡性能外，決定最終分辨率的主要因素還包括光刻膠和基底的類型、加速電壓和束流、寫入場大小以及用戶對電鏡的參數(shù)優(yōu)化。

基于SEM的光刻系統(tǒng)

電子束光刻技術(shù)起源于掃描電鏡，是基于聚焦電子束掃描原理的圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)。電子束光刻系統(tǒng)由電子槍、電子透鏡、電子偏轉(zhuǎn)器3個基本部件以及真空系統(tǒng)、工件臺控制系統(tǒng)等部件組成，電子槍用于產(chǎn)生能被控制和聚焦的電子。



圖1 電子束曝光系統(tǒng)

在以研究應(yīng)用為主要用途的情況下，基于SEM的光刻系統(tǒng)與專用電子束寫入系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括成本、易用性、維護(hù)和多功能性。典型的SEM可產(chǎn)生從約 200 eV到30 kV 的加速電壓，并可根據(jù)不同應(yīng)用的需要輕松更換。

4.1 電子束光刻模式：

矢量或光柵寫入（高斯與異形）

在SEM正常圖像采集過程中，電子束在整個圖像區(qū)域內(nèi)從上到下進(jìn)行光柵掃描，圖像中的每條線都是從左至右掃描的。如果電子束在掃描每條光柵線時都能根據(jù)需要進(jìn)行消隱，就可以用類似的光柵進(jìn)行光刻。然而，基于SEM的光刻系統(tǒng)使用的是矢量寫入方法，電子束在任意方向移動，只掃描需要曝光的區(qū)域。在完全實現(xiàn)矢量書寫的系統(tǒng)中，斜線和圓弧的電子束掃描方向是沿線或弧，填充區(qū)域不限于簡單的 XY 掃描。此外，為了實現(xiàn)最大的靈活性，基于SEM的光刻系統(tǒng)可以提供兩個獨(dú)立的曝光點(diǎn)間距參數(shù)，其中一個參數(shù)沿正在寫入的線或弧，而第二個參數(shù)沿垂直方向。



圖2 電子束光刻模式

對于基于SEM的光刻系統(tǒng)來說，使用矢量寫入模式可大大提高整體寫入速度，因為只需對曝光區(qū)域進(jìn)行掃描。使用矢量寫入模式可以大大降低對電子束消隱器的要求，因為每個圖形元素只需要兩次電子束開啟/關(guān)閉事件。相比之下，光柵寫入模式需要非常精確的消隱，尤其是在寫入垂直于光柵線掃描方向的窄線時。

矢量寫入模式的一個獨(dú)特功能是，即使SEM沒有任何消隱器，也能完成圖案寫入，因為光刻系統(tǒng)可以在圖案元素之間快速跳轉(zhuǎn)電子束，因此在跳轉(zhuǎn)過程中，電子束路徑上的劑量微乎其微。下面將詳細(xì)討論不使用電子束消隱器的光刻技術(shù)。

光柵掃描采用高斯圓形束，電子束在整個掃描場里作連續(xù)逐點(diǎn)掃描，通過控制快門（束閘）的通斷來進(jìn)行圖形的曝光。光柵掃描的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，不需對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制。缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低。由于掃描場的范圍較小，必須配合工件臺的移動來完成曝光。

矢量掃描的優(yōu)點(diǎn)是曝光效率高，只在有圖形區(qū)域進(jìn)行掃描曝光，減少了鏡頭在非圖形區(qū)域所花費(fèi)的時間的，而且可采用可變矩形束。缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，因為矢量掃描必須對偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行控制，不像光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。 電子束光刻按電子束形狀可分為高斯束（圓形束）和變形電子束（矩形束），高斯束電子束通過單點(diǎn)的方式掃描實現(xiàn)曝光，曝光速度慢；而變形束通過不同形狀的光闌組合形成特定圖形的面束斑，一次曝光較大的面，使得曝光效率大大提高。



圖3 電子束光刻模式：高斯束與變形束

矢量掃描模式下，圖形的曝光時間與束斑投射次數(shù)有關(guān)，在固定高斯束（圓形束）斑模式下，需要進(jìn)行24次投射。為了加快曝光速率，圖形可分解為最小基本圖形的組合，以最小基本圖形作為電子束斑的形狀。在這種修正束斑模式下只需要6次投射就可以了。但是在實際生產(chǎn)過程中圖形不是一成不變的，需要經(jīng)常重設(shè)基本束斑形狀，因此需要一種更加靈活的投射方式。在可變束斑模式下，電子束斑可根據(jù)具體的圖形進(jìn)行調(diào)整，改變束斑的基本形狀，投射次數(shù)減少到3次。



圖4 高壓高斯電子束極小尺度極高精度的加工能力

4.2 書寫速度

從根本上說，任何直接寫入系統(tǒng)的總體寫入速度都取決于電子束電流、光刻膠的靈敏度以及電子束在曝光區(qū)域移動的最大速度。對于大多數(shù)SEM來說，電子束電流可在10 pA~10 nA或更大范圍內(nèi)變化，必須根據(jù)SEM的特性來選擇使用的電流。例如，有些SEM可以用1 nA的電流刻出50 nm的線，而另一些則可能需要用小于50 pA的電流才能達(dá)到相同的線寬。

大多數(shù)商用SEM光刻系統(tǒng)的電子束最大步頻為3MHz或更高。然而，典型的SEM電路可能被限制在較低的頻率。一般來說，如果光刻系統(tǒng)的速度比SEM掃描線圈快，那么最終的寫入速度將受材料、曝光條件和SEM的限制，而不是光刻系統(tǒng)的限制。如果掃描線圈 "跟不上"光刻系統(tǒng)的速度而導(dǎo)致圖案失真，解決辦法是減小電子束電流，從而使用較慢的書寫速度來提供所需的劑量。

4.3校準(zhǔn)

先進(jìn)的電鏡光刻系統(tǒng)提供手動和全自動對準(zhǔn)功能。對準(zhǔn)是通過對寫入?yún)^(qū)域內(nèi)的選定區(qū)域進(jìn)行成像，然后將光刻坐標(biāo)系與樣品上的標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn)。一般來說，根據(jù)對準(zhǔn)結(jié)果計算出2 × 2 變換矩陣和XY偏移。計算出這些參數(shù)后，就可以對曝光進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而將曝光的圖案元素與樣品上的標(biāo)記進(jìn)行套準(zhǔn)。典型的對準(zhǔn)精度范圍為書寫區(qū)域的1:1,000 ~1:5,000，精度可低至20 nm。

當(dāng)基于SEM的光刻系統(tǒng)包含強(qiáng)大的自動對準(zhǔn)功能時，系統(tǒng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的自動電鏡平臺接近所需的位置，然后通過掃描套準(zhǔn)標(biāo)記自動對準(zhǔn)到更高的精度。這樣，只需使用大多數(shù)SEM上的標(biāo)準(zhǔn)自動平臺，就能在每個區(qū)域進(jìn)行數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個區(qū)域的全自動對準(zhǔn)，從而實現(xiàn) "步進(jìn)-重復(fù)"曝光處理。

圖像信號與電子束消隱

幾乎每臺SEM都有圖像信號輸出，可用于光刻系統(tǒng)的圖像采集。雖然基本圖案書寫不需要圖像信號，但當(dāng)光刻系統(tǒng)用于對準(zhǔn)樣品上的現(xiàn)有標(biāo)記時，則需要圖像信號。

理想情況下，SEM會配備一個具有快速重復(fù)率、快速上升/下降時間和最小開/關(guān)傳播延遲的電子束消隱器。用于前束光刻的靜電消隱器的典型參數(shù)是：重復(fù)頻率大于 1 MHz，上升/下降時間小于50 ns，傳播延遲小于100 ns；不過，速度較慢的消隱器也能派上用場。

雖然快速電子束消隱器對于光刻技術(shù)來說無疑是理想的，但在使用矢量寫入系統(tǒng)時，根本不需要任何消隱器。在沒有消隱器的情況下，光刻系統(tǒng)可以在圖案元素之間快速跳轉(zhuǎn)電子束，以至于在圖案元素之間的電子束路徑上接收到的劑量可以忽略不計。

但是，如果不使用消隱器，就會出現(xiàn)兩個主要問題。其一，在圖案位置之間，電子束總是會射向樣品。因此，在移動平臺時，必須小心考慮電子束擊中的位置。另一個問題是，當(dāng)電子束在圖案元素之間跳轉(zhuǎn)時，掃描線圈需要一些時間才能在長時間跳轉(zhuǎn)后穩(wěn)定在正確的位置上。如果電子束跳躍了很遠(yuǎn)的距離，這可能會導(dǎo)致每個圖案元素起點(diǎn)的圖案失真。

在大多數(shù)SEM中，電子束跳躍3-10微米后幾乎不會出現(xiàn)變形，但跳躍時間較長時可能會出現(xiàn)明顯的變形。精心設(shè)計的光刻系統(tǒng)可以讓用戶通過定義電子束沉降的位置來最大限度地減少失真，從而最大限度地減少跳轉(zhuǎn)到所需圖案元素的長度。

當(dāng)電鏡只有慢速電子束消隱器時，慢速消隱器可在曝光區(qū)域之間的平臺移動過程中使用。