非光学光刻技术PPT课件

极限迟早会到来 。已开发出许多新的光刻技术，如将 X 射线、 电子束 和 离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学
光刻技术，或 下一代光刻技术 。它们的共同特点是使用更短波
长的曝光能源。
.
1
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
u(r,)u(r)exp2r2g2
Eg(r,z)20Eδ(r,z)expr2 rg22rdr
式中， g 为高斯电子束的标准偏. 差。
12
(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。
掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 ~ 4 nm ，其源自文库应的光电子 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。
.
3
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，波长不变或增大，能量不变或减少。
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。
.
4
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
Eδ(r,z)ff(r,z)fb(r,z)
k(z) exp2r22Eexp2r22
通过模拟计算，发现 E δ (r , z ) 有以下特点，
a、β>>α ，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。
11
(4) 当入射电子为任意空间分布函数 u(r,) 时，其吸收能 量密度 E(r,, z) 是 E ( r , z )与 u(r,) 的 卷积积分，
E (r,,z)E δ(r,z)*u (r,) 0 2 0 δ(r,z)ur r, rd rd
例如，当电子束分布为 高斯圆形束 时，
第 9 章 非光学光刻技术
通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再
结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻
的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1m 的分辨率。若能开发出 适合 157 nm 光源的光学材料，甚至可扩展到 0.07 m。
但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率
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 keV。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。
.
2
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
y
设电子束的束流为 IB ，在每个
Rn nd2x2 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
nd
束斑产生的吸收能量密度为
x
P
(IBt/q)Eg(r,z)
d
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
E l(x,z)Iq Bt E g(.x,z)2n 1E g(R n,z)
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
E0
NA
g0M
(eV/cm3)
.
7
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。
13
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
.
14
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，
电子束
显影后
E E0
.
8
4、计算能量吸收密度 E( r, z ) 的方法
(1) 首先，假设入射电子束的分布是 函数，即单位冲击
函数，具有如下性质，
, r 0
(r)
0, r 0
20 (r)dr 1
.
9
(2) 然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果。
.
10
(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
密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E( r, z ) 。
x
r
y
(x, y, z)
z (r,,z)
.
6
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 ( NA M) ，其
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。
.
5
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