電子束光刻的參數優(yōu)化及常見問題介紹

本文從光刻圖案設計、特征尺寸、電鏡參數優(yōu)化等方面介紹電子束光刻的參數優(yōu)化，最后介紹了一些常見問題。

“電鏡的電壓、束流、工作距離等參數在電子束光刻中起著至關重要的作用。通過合理選擇和優(yōu)化這些參數，可以實現更好的成像效果、加工精度和效率。此外，在電子束光刻中，電子束像散、聚焦不良以及曝光參數的合理控制都對加工效果有重要影響。通過定期維護設備、優(yōu)化操作流程和校準系統，可以有效減少這些問題帶來的負面影響。”

電子束光刻的整個圖案生成過程包括從最初的圖案概念到使用電鏡實際書寫的整個過程。雖然使用 CAD 界面定義圖案元素的形狀、大小和位置的圖案設計相對簡單，但在布局時應考慮到書寫系統的某些限制。除設計外，還需要調整一些電鏡參數，以便正確配置系統參數，如工作距離、加速電壓、束流或束斑大小。最后一步是通過適當的優(yōu)化和樣品放置來正確設置電鏡。

1 圖案設計

使用設計程序，最常見的是CAD類型，可以構建任何形狀并與書寫軟件連接。如前所述，圖案設計會受到一些限制，例如書寫區(qū)域的大小和特征本身。同樣重要的是，要考慮電子束是如何實際暴露光刻膠的，以及這帶來的限制。設計圖案時的另一個考慮因素是特征的密度。這種現象被稱為鄰近效應，是書寫高密度圖案時的一個重要因素。例如，與書寫單個點或低密度陣列相比，高密度點陣列所需的曝光劑量更低。

備注：電子束光刻中的鄰近效應是指在進行微納米級圖案加工時，由于電子束的散射和傳輸效應，導致圖案邊緣處的曝光劑受到影響而產生的現象。

鄰近效應通常包括以下兩種：正向鄰近效應：在正常情況下，靠近暗區(qū)（未曝光區(qū)）的亮區(qū)（已曝光區(qū)）圖案的邊緣會受到暗區(qū)的影響而變窄或形變。這是由于暗區(qū)的邊緣會發(fā)生電子束的漫反射，導致曝光劑在邊緣處的吸收變強。負向鄰近效應：與正向鄰近效應相對，靠近亮區(qū)的暗區(qū)圖案邊緣會因為亮區(qū)的影響而變寬。這是由于亮區(qū)的邊緣處會有電子束的主要透射，使得暗區(qū)邊緣所需的曝光劑量減少。

寫入區(qū)域的大小由電鏡的放大倍率決定。精細特征通常可以通過50 × 50 μm2 到 200 × 200 μm2 的寫入區(qū)域大小來實現，具體取決于電鏡的類型，每種電鏡型號通常都有特定的放大倍率值，可以在該設備內提供最佳信噪比。

如果需要大面積的精細特征，可以將幾個區(qū)域定位，使區(qū)域邊緣相互對齊，這就是通常所說的拼接。除非小心謹慎，否則圖案的邊緣會因平臺運動的不規(guī)則而不匹配。然而，使用對準程序，可將這些不規(guī)則性最小化到20nm。根據圖案的用途，這種誤差通常是可以接受的。

2 特征尺寸與點間距

圖案設計的另一個重要限制是特征的尺寸，這受到光刻膠分辨率和電鏡優(yōu)化的限制。通過適當的電鏡優(yōu)化和高分辨率光刻膠，大多數W或LaB6 SEM 型號都能常規(guī)生成 50 nm 的特征，而FE SEM則能常規(guī)生成20 nm或更小的特征。

要想從任何光刻系統中獲得最佳效果，尤其是在要求苛刻的研究應用中，了解電子束是如何移動以產生圖案的非常重要。要產生最精細的線條，通常使用電子束的單次通過，它由相鄰的曝光點組成，具有確定的中心到中心的距離。在這種情況下，中心到中心的距離必須設置為最終線寬的四分之一到一半（相鄰曝光點充分重疊）。對于寬線或填充區(qū)域，將使用單獨定義的線間距參數來控制相鄰電子束通過之間的間距。

在先進的光刻系統中，用戶可以獨立調整中心到中心的距離和線間距參數，而在較為有限的系統中，只能為這兩個參數提供單一參數。利用獨立間距的一種應用是，有意將曝光點定義為在矩形陣列中產生孤立的點。使用這種方法，陣列中的點將是在系統配置和電鏡設置條件下可以實現的最小點。

3 電鏡參數優(yōu)化

除了圖案設計外，還需要根據應用調整系統參數，比如工作距離（WD）會對書寫過程的許多方面產生影響，其它參數例如束斑大小、干涉和放大倍數。此外，在考慮設計配置和材料特性的同時，還需要調整加速電壓和電流，以確定適合預期應用的電子束。

3.1 工作距離（WD）

工作距離會影響可達到的最小束斑尺寸、對外部干擾的敏感性以及某些電鏡應使用的最佳放大倍率設置。較短的工作距離將提高電鏡的分辨率，并降低電子束受外部干擾的敏感性。在電鏡環(huán)境有磁場的情況下，使用較短的工作距離可能會對書寫質量產生巨大影響。對于大多數電鏡，5至10毫米的工作距離適合書寫精細特征。

工作距離也會影響最佳放大倍率設置。在所有的電鏡中，總放大倍率范圍將被劃分為較小的范圍，每個范圍將在電鏡掃描控制電子裝置中使用不同的電路。當掃描控制電子元件從一個子范圍切換到另一個子范圍時，通常會產生輕微的臨時圖像失真和/或機械繼電器發(fā)出的咔嗒聲。掃描控制電子元件內的最佳信噪比將出現在轉換后的較高倍率值上。在某些型號的電鏡中，發(fā)生過渡的放大倍率值取決于工作距離和電子束的加速電壓。對于這些型號的電鏡，使用相同的工作距離進行所有精細光刻通常是有益的，這樣過渡的放大倍率值和最佳放大倍率就不會發(fā)生變化。

3.2 加速電壓與電子束電流（束斑尺寸）

增加加速電壓將產生更大的電子穿透深度，從而降低光刻膠中散射電子的數量，使線寬更細。加速電壓還可以與前面提到的工作距離一起影響放大倍率的設置。大多數 STEM 的最大加速電壓為30千伏，這也是大多數精細書寫所使用的電壓。在使用STEM時，可以使用100 kV ~300 kV的加速電壓；但是，這些型號通常只允許非常有限的樣品尺寸，這就降低了它們在光刻方面的通用性。

與較大的束流相比，較小的束流在樣品上產生的束斑尺寸較小。使用最高的加速電壓和低的電子束電流可以獲得最小的束斑尺寸。用于精細光刻的典型束流范圍為 5-50 pA，最佳值因掃描電鏡的型號和燈絲類型而異。一些常見的范圍如下W 燈絲電鏡為 5-10 pA，LaB6 燈絲電鏡為10-20 pA，場發(fā)射電鏡為20-50 pA。一般來說，目標是使用足夠小的電子束電流來產生所需的特征尺寸，但同時也要足夠大，以便電鏡易于優(yōu)化。

此外，探測器類型會影響成像效果，因為不同類型的探測器可以用于檢測不同種類的信號，例如二次電子、背散射電子等，從而影響成像效果。

4 電鏡的合軸與樣品定位

正確的設置電鏡光路是寫入開始前的最后一步，通常包括兩個部分：電鏡優(yōu)化和樣品定位。精細光刻要求對電鏡進行仔細優(yōu)化，以確保電子束具有最優(yōu)設置。樣品的定位會影響曝光定位和軸對準。

在需要優(yōu)化的設置中，聚焦和像散是新用戶最難調整的。因此，在嘗試書寫圖案之前，熟悉電鏡以及如何正確優(yōu)化正常成像非常重要，而在使用金標樣時，電鏡的優(yōu)化通常是最容易的。從低倍鏡開始，應交替調整焦距和像散，直到可以在大約 1 × 1μm2 或更小的視野尺寸下獲得清晰圖像。此外，還應解決燈絲電流、合軸、光闌居中（通常稱為 “wobble-晃動”）等問題。由于這些問題取決于正在優(yōu)化的電鏡型號的具體情況。

在金標樣上對電子束進行優(yōu)化后，應將載物臺置于樣品邊緣，使光刻膠表面遠離寫入區(qū)域。建議使用平臺Z控制對焦，因為這樣可以在不改變電鏡電子設備設置的情況下將樣品物理升高或降低到適當的高度。這種技術消除了金標樣與書寫表面處于同一高度的要求。最后的電子焦距調整可在高度調整后進行，因為此時只需稍作改動，不會對電子束優(yōu)化產生任何不利影響。

在初學光刻技術時，最好在一些明顯的標記附近寫上圖案，如在基底上用金剛石刻刀劃出的細小劃痕。將圖案放置在劃痕末端附近會使圖案在顯影后更容易定位。此外，當圖案放置在離最后優(yōu)化位置較遠的位置時必須小心，因為如果平臺運動使樣品高度發(fā)生顯著變化，電子束就會發(fā)生散焦。

樣品相對于書寫軸的方向會影響圖案在樣品上的位置，因此必須將書寫軸與樣品邊緣對齊。這可以通過改變平臺旋轉、調整掃描旋轉和/或使用光刻軟件的定位功能來實現。從書寫樣品的一側移動到另一側時，垂直位置每毫米的變化應小于1μm。如果不作此調整，寫入的圖案之間的相對位置將是正確的，但與樣品之間的位置卻不正確。

5 圖案處理工藝

圖案在光刻膠中曝光后，后續(xù)加工將圖案轉移到基底或光刻后添加的層上。所用的加工工藝取決于材料系統和所需的最終結構。與任何多步驟光刻工藝一樣，后一步驟的失敗總是比前一步驟的失敗更為嚴重，因此避免出現問題變得越來越重要。

在曝光過程中，光刻膠中的分子鍵會產生或斷裂，這分別取決于光刻膠是正性還是負性。如果光刻膠在顯影液中停留時間過長，溶解度較低的光刻膠區(qū)域也會溶解；不過，當顯影時間在一分鐘左右時，很容易獲得相當一致的結果。此外，顯影速度取決于顯影液的溫度，因此建議保持可控的顯影溫度。顯影藥劑和顯影時間取決于所使用的光刻膠類型，但整個程序基本相同。曝光后，用顯影劑覆蓋涂有光刻膠的基片一定時間，沖洗，然后干燥，通常是通過吹干N2來實現。

5.1 鍍膜和剝離

濺射和蒸發(fā)是兩種常見的鍍膜方法。濺射和蒸發(fā)的一個顯著區(qū)別是對沉積材料方向的控制。在典型的濺射系統中，沉積的目的是以大范圍的入射角打擊基底，而蒸發(fā)通常接近準直。由于入射電子束的前向散射，以及部分電子從基底散射并暴露出光刻膠底部，因此圖案橫截面呈梯形，如圖1所示。

圖1. 正極光刻膠曝光后的下切橫截面示意圖

剝離是去除光刻膠和涂在光刻膠上的材料的過程。然后留下附著在基底上的材料，從而產生所需的圖案。移除的成功與否主要取決于涂層與基底的附著力，以及涂層是否覆蓋了光刻膠的側壁。一般來說，蒸發(fā)電子束的準直度足以使側壁不被涂層覆蓋，而濺射電子束則更有可能使側壁被涂層覆蓋，從而增加脫膜步驟的難度。對于剝離，重要的是了解光刻膠的厚度，并將涂層厚度保持在光刻膠厚度的三分之二以下。

對于PMMA而言，丙酮是脫模過程中通常使用的溶劑。PMMA和丙酮的脫模步驟可通過多種方式完成。一般來說，建議使用最溫和的升華過程，以獲得穩(wěn)定的良好結果。最簡單的方法是讓樣品在室溫丙酮中浸泡約20分鐘，或直到可以看到涂層浮起為止。越來越激進的方法包括使用注射器或超聲波清洗器幫助去除金屬涂層，甚至用小刷子刷洗樣品。有時也使用加熱的丙酮，但只有在采取適當的安全措施后才能使用。

5.2 鍍膜：濺射與蒸發(fā)

在等離子體-磁控濺射系統中，來自等離子體的離子撞擊導致金屬靶上的原子從各個角度噴射出來。濺射材料覆蓋在靶材下方的試樣上。濺射材料的軌跡范圍很廣，這對于SEM試樣來說是非常理想的，因為金屬將覆蓋大部分表面，防止成像過程中產生電荷。

然而，對于光刻技術來說，通常不希望在確定圖案的電阻壁側面進行涂層，因為這可能會在升空后導致邊緣粗糙，或者如果邊緣涂層太厚，圖案的某些部分可能根本無法剝離。對于較大的圖案來說，邊緣粗糙可能不是什么大問題，但在對非常小的特征進行升空時，擁有干凈的側壁就變得非常重要。

圖2顯示了濺射過程示意圖和濺射后圖案的橫截面圖。

圖 2：(a) 濺射過程示意圖；(b) 濺射鍍膜后圖案的橫截面圖

如圖3所示，在熱蒸發(fā)過程中，源材料被放置在舟形或燈絲線圈中，利用電流對其進行加熱。也可以使用電子束濺射系統，該系統使用電子束加熱源材料中的局部光點。樣品可以放置在源材料的上方或下方，具體取決于所使用的設備。蒸發(fā)的材料幾乎是準直的，因此與濺射相比，不太可能覆蓋圖案的兩側。這使得去除光刻膠后的邊緣更整潔，這對高分辨率圖案制作至關重要。

不過，即使是準直沉積，也必須注意確保沉積材料以接近正常入射角的角度入射，否則沉積材料可能會覆蓋部分側壁，或無法到達光刻膠厚度與特征尺寸之間具有較高縱橫比的窄特征底部。

圖3. (a) 顯示的是絲狀蒸發(fā)過程的示意圖；舟狀蒸發(fā)過程與此類似，只是樣品位于源材料之上；(b) 顯示的是使用蒸發(fā)法涂覆圖案后的橫截面圖

5.3 蝕刻

可以使用多種蝕刻方法，包括濕化學蝕刻和反應離子蝕刻，根據蝕刻方法的不同，蝕刻可能是各向同性或非各向同性的。一般來說，光刻膠將用于保護基底的部分區(qū)域，而暴露的區(qū)域將被蝕刻掉。蝕刻時的一個重要問題是，與光刻膠的蝕刻速率相比，基底的蝕刻速率相對較低。在某些情況下，如果光刻膠不能用作適當的蝕刻掩膜，則會使用額外的一層作為最終蝕刻掩膜，而光刻膠則用于對中間層進行圖案化。

6 檢查圖案以及正確書寫

對于初學者來說，在每個樣品上繪制一個標準圖案是非常有用的（比如下面示例的"輪子"圖案），這是一種非常有效的診斷工具，因為它可以很容易地識別出由于電子束聚焦不良和/或像散造成的圖案問題。

圖案曝光正確時，線條應筆直，邊緣清晰，粗細均勻。電子束單線通過的最終線寬主要取決于光刻膠、書寫過程中的電子束聚焦/像散以及應用的線劑量。圖4顯示了一個正確刻線的例子。“輪子”內部略深的楔形區(qū)域表明，該區(qū)域在觀察時正在帶電。這表明涂層沒有覆蓋圖案的兩側，在去除光刻膠時很可能會完全脫落。

圖 4正確書寫的輪廓圖案示例

7 電子束光刻的常見問題

通過查看診斷圖案可以確定幾種類型的錯誤。圖案生成過程中最常見的三種錯誤是電子束像散、聚焦不良以及曝光過度和曝光不足。通常情況下，對于新用戶來說，圖案曝光問題是由于電子束優(yōu)化不佳造成的，但隨著用戶對電鏡操作的熟練程度提高，情況也會有所改善。系統性問題，例如線噪聲、無效的電子束消隱或電鏡本身的一般問題，通常會對圖案的結果產生明顯的影響。

7.1 圖案生成過程中最常見的三種錯誤：

1.像散：像散是指電子束的橫截面拉長，如圖5中的橢圓形，而不是理想的圓形。當電子束沿著橢圓的長軸方向（圖5a 中為垂直方向）從一點移動到另一點時，所有的外加劑量都會沿著電子束的狹窄路徑照射。然而，當電子束沿橢圓形的短軸方向（圖5a 中為水平方向）移動時，劑量會沿線路照射到更寬的區(qū)域。這種效應會在圖案中產生 90? 的不對稱，在車輪圖案中尤其容易識別。圖5a 顯示了沿長軸和短軸方向的劑量分布示意圖。圖5b 顯示了用 PMMA 書寫的車輪圖案的實際曝光情況。在這種情況下，拉長的橫梁位于車輪 5-11 點鐘和 6-12 點鐘輻條之間，90? 不對稱非常明顯。這是典型的電子束像散圖案。

圖5. (a) 顯示電子束形狀如何影響應用劑量的示意圖；以及(b) 顯示像散電子束影響的輪廓圖

2.聚焦不良：當電子束不能很好地聚焦在光刻膠表面時，大的特征只會產生很小的影響，角上的半徑會比預期的大。然而，當使用失焦電子束書寫窄線時，會產生很大的變化。一般來說，聚焦不良會導致窄線的應用劑量分散到比預期更大的區(qū)域。如果譜線劑量接近書寫最小譜線的臨界劑量，這種擴大將導致譜線曝光不足。

當線條劑量遠高于臨界劑量時，電子束的增寬將使曝光的線條大于預期。在這兩種情況下，電子束單次通過的任何交界處都會有效地接收到雙倍劑量，與附近的線條相比，通常會顯得 "發(fā)亮"。圖7 顯示的是在 PMMA 中寫入的輪廓圖案，焦點略有降低。在這種情況下，圖案的線條略微曝光不足，而交界處則曝光過度。這是電子束聚焦不良的典型表現。

3. 曝光**：**曝光過度會導致圖案放大，或者在極端情況下，正極光刻膠受到的劑量足以使其交聯，顯影效果與負極光刻膠相同。圖7顯示了放大圖案和正/負極圖案的圖像。在這種情況下，中心白點是 PMMA 交聯的地方，因為12 倍劑量，12條線從中心開始，整個中心區(qū)域因高劑量而放大。當施加的劑量過小時，所產生的曝光線會變淺和/或不連續(xù)。

圖7. 電子束失焦時寫入的輪廓圖（左）；使用高劑量寫入的輪廓圖（右）

一般來說，編寫一個圖案陣列是非常有用的，在這個陣列中，應用的劑量系統地從過低劑量逐步過渡到過高劑量。通過這種方法，新操作者可以快速識別由不同劑量造成的結構范圍。

4.總結：電子束像散會導致成像分辨率下降，造成加工圖案模糊不清、失真或邊緣模糊等問題；聚焦不良會導致成像模糊、失真和圖案精度下降等問題；曝光劑吸收不均勻會導致圖案邊緣效應，如正向鄰近效應和負向鄰近效應，影響圖案的精度和清晰度。

7.2 外部因素

電鏡外部的干擾源（如聲學噪聲、物理振動或電磁場）會導致波浪線或中斷線。一般來說，解決辦法是找出并消除干擾源，或屏蔽電鏡，使其不受噪音影響。可以通過在墻壁上使用隔音泡沫和/或在電鏡的整個柱子周圍增加隔音罩來降低噪音。通過在整個鏡筒上使用空氣支撐系統或在柱子和地板之間添加泡沫或橡膠墊，可以最大限度地減少物理振動。

干擾電子束的電磁場通常是由其他房間的設備或穿過天花板或地板的電線造成的。這些電磁場會使電子束在電磁場頻率下發(fā)生偏轉，從而導致圖案書寫失真。解決方法包括將電鏡移到更好的位置、移動或屏蔽干擾源、在鏡筒和/或室周圍安裝磁屏蔽（μ-金屬）以及安裝主動場消除系統，該系統可引入磁場以消除外部噪音。

7.3 電子束光刻還包括以下的常見問題

1.位置漂移問題：電子束在長時間運行中可能會出現位置漂移，導致成像不準確。定期進行系統校準以減少位置漂移。遵循正確的操作步驟以減少位置漂移的發(fā)生。

2.邊緣效應：電子束光刻在圖案的邊緣可能會出現模糊或形變，這可能與散射、電子束形狀等因素有關。改變加工參數以減少邊緣效應的影響，如調整電子束的形狀和大小。在設計階段考慮到邊緣效應，采用補償技術或特殊設計來減輕影響。

3.殘渣問題：電子束光刻后可能會留下未完全去除的曝光劑殘留物，影響器件的性能。改進清潔過程，確保殘留物完全去除。選擇更易清除的曝光劑可以減少殘渣問題的發(fā)生。

4.成本問題：電子束光刻設備和曝光劑的成本較高，特別是針對小批量生產。優(yōu)化生產計劃以提高設備利用率，降低成本。考慮使用更便宜的材料或工藝，或者與其他廠商合作以降低成本。



審核編輯：劉清