非光学光刻技术
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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 0.1 m 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 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
内邻近效应
无散 射时 互邻 近效 应
能量密度
互邻近效应
内邻近效应
x
L
R
L
邻近效应的后果
(1) 对 L >> R 的孤立图形，使边缘模糊。
(2) 对 L <= R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、
变圆，甚至曝不出来。
(3) 对间距 a <= R 的多个图形 ，使间距变小，甚至相连。 减小电子邻近效应的方法 减小入射电子束的能量（因β 随 E0 先大后小），或采用低 原子序数的衬底与光刻胶。
h h p mv , p mv
又由
ห้องสมุดไป่ตู้
h
1 2 2qVa 代入波长 λ 中，得 mv qVa , v , 2 m h (2mqVa )1 2
1 2
电子质量 m 和加速电压 Va 越大，则电子的波长 λ 越小。
将 h = 6.62×10-27 erg/s ，q = 4.8×10-10 绝对静电单位，电
子质量 m = 9.1×10-27 g 代入，得
1.225 (nm) Va
考虑到相对论效应后，λ 应修正为
1.225 Va 1 0.978 106 Va
(nm)
电子束曝光的加速电压范围一般在 Va = 10 ~ 30 kV，这时
电子波长 λ 的范围为 0.012 ~ 0.007 nm。
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
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。
2、光刻胶的能量吸收密度
9.2 直写电子束光刻系统
电子束曝光方式 电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此 外也有投影方式，但无接触式。 光栅扫描 矢量扫描
直写曝光 （无掩模） 电子束曝光方式 投影曝光 （有掩模）
电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前 获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。 电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系
(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
Eδ (r , z ) f f (r , z ) f b (r , z ) r2 r2 k ( z ) exp 2 E exp 2 2 2
通过模拟计算，发现 Eδ (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。
修正电子邻近效应的方法
电子束图形
曝光显影后
有邻近效应
几何修正
剂量修正
三、离子束与固体之间的相互作用 离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损 伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、 激发、电离、电子发射、二次离子发射等。 这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于大规 模集成技术的入射离子能量范围为 刻蚀、镀膜：< 10 k eV 曝光： 离子注入： 10 keV ~ 50 k eV > 50 k eV
实际的胶层剖面轮廓如下图所示，
模拟结果
实际结果
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，
式中， g 为高斯电子束的标准偏差。
(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。
y
Rn
nd 2 x 2
nd
x
P
设电子束的束流为 IB ，在每个 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 束斑产生的吸收能量密度为
磁透镜之间的位置也有多种组合方式。
四、控制系统 对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制。 1、光闸机构控制 采用 “静电偏转器 +光阑” 的方式对电子束通断进行控制。
当 V = +E 时 V 当V=0时
静电偏转器
光阑
2、偏转系统扫描控制 只应用于矢量扫描方式，使电子束根据 VLSI 图形的要求 做出规定的偏转，完成扫描曝光。
其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使
用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大。 (3) 场致发射电子枪。 由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成， 其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但 需要的真空度更高，高达 1.33×10-6 Pa（1×10 –8 Torr），且稳 定性较差。
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
掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 ~ 4 nm ，其相应的光电子
射程为 70 ~ 20 nm。但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨
E0
NA
g0 M
(eV/cm3 )
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。
征尺寸。主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某
些区域可能被重复曝光而导致曝光过度。
3、可变矩形束光柱 所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化。由两个方形 光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成。
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。
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。
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
密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E( r, z ) 。
x
( x, y, z ) ( r , , z )
r
y
z
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 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
电 子 光 学 柱 系 统
工件台控制
除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。
二、电子束发射聚焦系统
1、电子枪
要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。 (1) 热钨丝电子枪。 束斑直径约为 30 m 。特点是 简单可 靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。 (2) LaB6 电子枪。 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，
(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 ) Eδ (r , z ) * u (r , )
2 0
0
δ (r , z )u r r , r dr d
电子束
显影后
E E0
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 )
, r 0 0, r 0
2 (r )dr 1
0
(2) 然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果。
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。
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 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 k eV。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。
五、电子光学柱的类型
1、高斯圆形束光柱 采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上 呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为 0.1 ~ 1 m ，最 小可达到 0.01 m 。其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细 灵活。主要缺点是 曝光效率低。
2、固定方形束光柱
采用面光源和方形光阑。束斑尺寸一般取为图形的最小特
例如，当电子束分布为 高斯圆形束 时，
r2 u (r , ) u (r ) exp 2 2 g
2 r r Eg (r , z ) 2 Eδ (r , z ) exp r dr 2 0 2g
描画出所需要的图形。 要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高， 偏转速度快。 结构种类：磁偏转 与 静电偏转 。 磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的电容 较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的 光学性能较好，像差较小。实际使用时，有磁偏转、电偏转、
磁-电偏转、磁-磁偏转、电-电偏转等多种组合方式。偏转器与
2、聚焦系统
作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下。 要求：几何像差小、色差小。
结构种类：采用 2 ~ 3 级 静电透镜 或 磁透镜 聚焦系统。
磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 ，
对电子束有聚焦作用。
1 1 1 P Q f
三、偏转系统
作用：使电子束发生偏转 ，在光刻胶上进行扫描与曝光 ，
电子束本身的分辨率极高 ，可以达到 0.01 m 以下，但是
在光刻胶上一般只能获得 0.1 m 左右的线宽。限制电子束曝光
分辨率的因素有， 1、光刻胶本身的分辨率 2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应
3、对准问题
一、直写电子束光刻机工作原理
数据输入 计算机 电子束控制 电子枪
光闸
聚焦系统 偏转系统 电子束 硅片
( I B t / q) Eg (r , z )
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
d
IB t El ( x, z ) Eg ( x, z ) 2 Eg ( Rn , z ) q n 1
用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及
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 0.1 m 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 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
内邻近效应
无散 射时 互邻 近效 应
能量密度
互邻近效应
内邻近效应
x
L
R
L
邻近效应的后果
(1) 对 L >> R 的孤立图形，使边缘模糊。
(2) 对 L <= R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、
变圆，甚至曝不出来。
(3) 对间距 a <= R 的多个图形 ，使间距变小，甚至相连。 减小电子邻近效应的方法 减小入射电子束的能量（因β 随 E0 先大后小），或采用低 原子序数的衬底与光刻胶。
h h p mv , p mv
又由
ห้องสมุดไป่ตู้
h
1 2 2qVa 代入波长 λ 中，得 mv qVa , v , 2 m h (2mqVa )1 2
1 2
电子质量 m 和加速电压 Va 越大，则电子的波长 λ 越小。
将 h = 6.62×10-27 erg/s ，q = 4.8×10-10 绝对静电单位，电
子质量 m = 9.1×10-27 g 代入，得
1.225 (nm) Va
考虑到相对论效应后，λ 应修正为
1.225 Va 1 0.978 106 Va
(nm)
电子束曝光的加速电压范围一般在 Va = 10 ~ 30 kV，这时
电子波长 λ 的范围为 0.012 ~ 0.007 nm。
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
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。
2、光刻胶的能量吸收密度
9.2 直写电子束光刻系统
电子束曝光方式 电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此 外也有投影方式，但无接触式。 光栅扫描 矢量扫描
直写曝光 （无掩模） 电子束曝光方式 投影曝光 （有掩模）
电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前 获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。 电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系
(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
Eδ (r , z ) f f (r , z ) f b (r , z ) r2 r2 k ( z ) exp 2 E exp 2 2 2
通过模拟计算，发现 Eδ (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。
修正电子邻近效应的方法
电子束图形
曝光显影后
有邻近效应
几何修正
剂量修正
三、离子束与固体之间的相互作用 离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损 伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、 激发、电离、电子发射、二次离子发射等。 这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于大规 模集成技术的入射离子能量范围为 刻蚀、镀膜：< 10 k eV 曝光： 离子注入： 10 keV ~ 50 k eV > 50 k eV
实际的胶层剖面轮廓如下图所示，
模拟结果
实际结果
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，
式中， g 为高斯电子束的标准偏差。
(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。
y
Rn
nd 2 x 2
nd
x
P
设电子束的束流为 IB ，在每个 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 束斑产生的吸收能量密度为
磁透镜之间的位置也有多种组合方式。
四、控制系统 对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制。 1、光闸机构控制 采用 “静电偏转器 +光阑” 的方式对电子束通断进行控制。
当 V = +E 时 V 当V=0时
静电偏转器
光阑
2、偏转系统扫描控制 只应用于矢量扫描方式，使电子束根据 VLSI 图形的要求 做出规定的偏转，完成扫描曝光。
其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使
用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大。 (3) 场致发射电子枪。 由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成， 其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但 需要的真空度更高，高达 1.33×10-6 Pa（1×10 –8 Torr），且稳 定性较差。
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
掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 ~ 4 nm ，其相应的光电子
射程为 70 ~ 20 nm。但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨
E0
NA
g0 M
(eV/cm3 )
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。
征尺寸。主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某
些区域可能被重复曝光而导致曝光过度。
3、可变矩形束光柱 所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化。由两个方形 光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成。
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。
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。
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
密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E( r, z ) 。
x
( x, y, z ) ( r , , z )
r
y
z
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 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
电 子 光 学 柱 系 统
工件台控制
除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。
二、电子束发射聚焦系统
1、电子枪
要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。 (1) 热钨丝电子枪。 束斑直径约为 30 m 。特点是 简单可 靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。 (2) LaB6 电子枪。 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，
(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 ) Eδ (r , z ) * u (r , )
2 0
0
δ (r , z )u r r , r dr d
电子束
显影后
E E0
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 )
, r 0 0, r 0
2 (r )dr 1
0
(2) 然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果。
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。
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 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 k eV。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。
五、电子光学柱的类型
1、高斯圆形束光柱 采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上 呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为 0.1 ~ 1 m ，最 小可达到 0.01 m 。其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细 灵活。主要缺点是 曝光效率低。
2、固定方形束光柱
采用面光源和方形光阑。束斑尺寸一般取为图形的最小特
例如，当电子束分布为 高斯圆形束 时，
r2 u (r , ) u (r ) exp 2 2 g
2 r r Eg (r , z ) 2 Eδ (r , z ) exp r dr 2 0 2g
描画出所需要的图形。 要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高， 偏转速度快。 结构种类：磁偏转 与 静电偏转 。 磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的电容 较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的 光学性能较好，像差较小。实际使用时，有磁偏转、电偏转、
磁-电偏转、磁-磁偏转、电-电偏转等多种组合方式。偏转器与
2、聚焦系统
作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下。 要求：几何像差小、色差小。
结构种类：采用 2 ~ 3 级 静电透镜 或 磁透镜 聚焦系统。
磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 ，
对电子束有聚焦作用。
1 1 1 P Q f
三、偏转系统
作用：使电子束发生偏转 ，在光刻胶上进行扫描与曝光 ，
电子束本身的分辨率极高 ，可以达到 0.01 m 以下，但是
在光刻胶上一般只能获得 0.1 m 左右的线宽。限制电子束曝光
分辨率的因素有， 1、光刻胶本身的分辨率 2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应
3、对准问题
一、直写电子束光刻机工作原理
数据输入 计算机 电子束控制 电子枪
光闸
聚焦系统 偏转系统 电子束 硅片
( I B t / q) Eg (r , z )
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
d
IB t El ( x, z ) Eg ( x, z ) 2 Eg ( Rn , z ) q n 1
用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及