电子束光刻技术研究

电子束光刻技术研究

摘要：介绍了纳米加工领域的关键技术——电子束光刻技术及其最新进展。简要介绍了电子束光刻技术和目前这种技术所存在的技术缺陷和最新的研究成果和解决办法，如：关于邻近效应的解决，关于电子束高精度扫描成像曝光效率很低的问题，如电子束与其他光学曝光系统的匹配和混合光刻等问题，以及关于抗蚀剂工艺的最新进展等。

关键词：电子束光刻技术邻近效应电子束高精度扫描成像电子束与其他光学曝光系统的匹配混合光刻抗蚀剂工艺

Abstract: This paper introduces the key technology——electron beam lithography technology and the latest developments in the field of nanofabrication. A brief introduction and electron beam lithography technology currently exists drawback of this technology and the latest research results and solutions, such as: the effect on neighboring settlement, on the low-precision electron beam exposure scanning imaging efficiency issues, such as electron beam mixing and matching and other optical lithography exposure system and other issues, as well as the latest developments on the resist process and the like.

一：概述

电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)加工不同，其设备如图1所示，它是利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的技术。电子束光刻机与SEM(扫描电子显微镜)的原理基本相同，电子束被电磁场聚焦成微细束照到电子抗蚀剂(感光胶)

上，由于电子束可以方便地

由电磁场进行偏转扫描，复

杂的图形可以直接写到感

光胶上而无需使用掩模版。

与其他光刻技术相比，电子

束光刻的优点非常明显：首

先，电子束光刻分辨率高，

可达0．1 m，如直接进行刻

蚀可达到几个纳米。用电子图1

束加工制作出1～2nm的单电子器件已见诸报导。其次，电子束光刻不需要掩摸版，非常灵活，很适合小批量、特殊器件的生产。离子束光刻原理图如图2所示

图2

目前，电子束光刻主要用于制作光学光刻的掩模。其发展方向是可能提高曝光速度，以适应大批量生产，如采用变形电子束、高灵敏度的电子抗蚀剂、高发射度的阴极等尽管电子束光刻机较光学光刻机昂贵，但它的突出优点仍吸引着许多厂商。JEOL JBX一6300FS电子束光刻系统就是比较典型的矢量扫描曝光方式的电子束光刻系统，该系统最细束斑可达2 nm，极限曝光线条为6～8 nm。NEC公司已准备投资2O亿美元，建立用电子束加工的0．2p．m 生产线

二．电子束光刻技术目前存在的问题

电子束光刻系统虽然具有很高的电子扫描成像精度，由于它的束斑尺寸达纳米尺度，是实验室条件下进行微纳米光刻技术研究与开发的理想工具。电子束曝光系统从扫描方式上基本可以分成三个类型：圆形束光栅扫描电子束曝光系统、可变矩形束电子束拼接曝光系统和高斯束矢量扫描曝光系统。目前国际上制造高精度掩模主要采用电子束曝光系统和激光扫描图形发生器，通常采用曝光效率比较高的光栅扫描电子束曝光系统和可变矩形束电子束曝光系统。在纳米加工中主要采用矢量扫描曝光方式的电子束光刻系统，直接在硅片上扫描写出图形，但是，要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻工艺，仍然不是那么容易，必须解决以下几个关键的技术问题：第一，电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应问题，提出包括如何缓解电子散射效应影响的措施、几何修正技术和剂量调制校正技术等；第二，电子束高精度扫描成像曝光效率很低的问题，如电子束与其他光学曝光系统的匹配和混合光刻等问题；第三，电子抗蚀剂和电子束曝光、显影以及刻蚀等工艺技术问题。

三．邻近效应

邻近效应校正措施主要有两种：一种方法是通过优化曝光一显影工艺条件和有效的工艺措施抑制邻近效应的产生或降低其影响程度；另一种方法是采取软件修正措施，主要通过波前工程实施几何图形尺寸调整，或实施曝光剂量调制，或将二者相结合来修正邻近效应。对于孤立的线条或简单的器件，可以采用在版图设计时预先改变几何图形的形状以补偿邻近效应影响的方法。曝光比较复杂时，通常要采用以Sigma—CCAPROX和Layout—BEAMER为代表的邻近效应校正软件实施曝光剂量调制的方法进行修正。一般先通过蒙特卡罗方法模拟并结合大量的实验，对实测邻近图形变形的数据进行拟合，也可以利用CAPROX—PD等软件测算双高斯邻近函数表征参数(口，卢和刁等)，摸索参数设置规律，实施剂昔调制。根据图形密度、图形尺寸和图形位置的不同给予不同的曝光剂量，目的是使整个图形在同一个显影条件下达到最佳效果。实验结果表明：通过电子束曝光、显影后得到的抗蚀剂图形中所反映出来的邻近效应现象是一个综合效应，邻近效应起因于电子在抗蚀剂及衬底中的散射。但是显影后所得到的抗蚀剂图形的形态却受诸多因素影响，邻近效应除了决定于抗蚀剂及衬底等因素外，还受制于版图设计中

的图形形状、图形密集度、图形特征尺寸大小及其相对位置等图形结构因素的影响，并且受到曝光一显影工艺条件的很大影响，包括抗蚀剂的前后烘条件、抗蚀剂灵敏度的选择(会造成过曝光或曝光剂量不足)、显影时间和温度(会造成过显或显影不足)和电子束曝光系统状态(电子加速电压、电子束束流大小)等。只有在优化曝光一显影工艺条件的基础上，邻近效应校正才能达到预期效果。

四：光学光刻系统和电子束光刻系统之间的匹配与混合光刻技术

电子束光刻的效率问题一直是阻碍电子束光刻在纳米集成电路制造工艺中推广应用的主要原因。对于不太复杂的图形及不需要多次套刻曝光的图形，通常可以采用大小束流混合曝光技术、大小光阑混合曝光技术和大小剂量混合曝光技术来提高图形曝光的速度。但是，如果是研制纳米CMOS集成电路或者化合物半导体器件等，由于制造工艺复杂，需要精密套刻对准，则需要采用电子束光刻系统和生产效率较高的光学光刻系统之间的匹配和混合光刻的技术来解决，办法是大部分工艺仍然采用传统的投影光刻机曝光或接触式曝光，只有图形尺度在百纳米以下的少数一两个图形层采用电子束直写曝光。首先，需要把传统的光学曝光设备(如

GCA 3600F光学图形发生器和GCA 3696分步重复机)、电子束曝光系统(如JBX-6AII 可变矩形束电子束曝光系统、MEBES 4700S光栅扫描电子束曝光系统以及JBX一5000LS和JBX-6300FS等矢量扫描电子束直写光刻系统)及各种光刻系统(如ASM 2500 g线和5000 i线投影光刻机、接触式光刻机)等多种制版和光刻设备进行倍率匹配、工件台匹配、标记匹配和坐标匹配。然后，实施投影光刻和电子束直写系统之间的混合光刻或者接触式光刻机和电子束直写系统之间混合光刻。由于集成电路制造都需要多次光刻工艺，每一次曝光图形都要求与前一次精确地套准。传统的光学光刻是靠光学显微系统和机械机构配合进行人工对准，而电子束曝光必须采用自动检测、补偿的方式实现精确的定位、对准，其定位、套准精度要达到几十纳米以下。为实现如此高的定位、套准精度，对准标记检测技术和对准标记制作技术则是关键技术。尤其是对准标记的质量要求极其严格，如果对准标记检测通不过，就会造成整个光刻工艺前功尽弃。电子束直写中标记探测和自动对准是一种高速检测、补偿过程，要求被检测的对准标记具有高信噪比和高对比度，