非光学光刻技术

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0.1μm 的分辨率。若能开发出适合157nm 光源的光学材料，甚至可扩展到0.07μm。

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光刻技术，或下一代光刻技术。由于最小线宽与波长成反比，因此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 X 射线光刻所用的波长在λ= 0.2 ~ 4nm 的范围，所对应的X射线光子能量为1 ~ 10k eV。在此能量范围内，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。

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5nm 左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率，其值即约为5nm 。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 ~ 4nm ，其相应的光电子射程为70 ~ 20nm。但是实际上这并不是限制X 射线光刻分辨率的主要因素。

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。

11、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N s与光刻胶厚度T R成正比，与入射初始能量E0成反比，典型值为几到几十次。

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0.1μm，而背散射电子的分布区域可达到0.1 ~ 1μm。所以背散射是影响电子束曝光分辨率的最大限制。

)

,,(z y x ),,(z r θx

y z

r θ

22、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。由于能量密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E ( r , z ) 。

θ

电子束显影后

E E

(2) 然后利用Monte-Carlo法模拟得到下图的结果。

(2)

y

x

nd

d

()

2

2

x

nd R n +=

P

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

能量密度

内邻近效应互邻近效应

无散射时内邻近效应

互邻近效应

L

L

x

R

邻近效应的后果

(1) 对L >> R 的孤立图形，使边缘模糊。

(1)

(2) 对L <= R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、 (2)

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。

(3)

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。

电子束图形

电子束本身的分辨率极高，可以达到0.01μm以下，但是在光刻胶上一般只能获得0.1μm左右的线宽。限制电子束曝光分辨率的因素有

11、光刻胶本身的分辨率

22、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应

33、对准问题

数据输入

计算机

电子束控制工件台控制

二、电子束发射聚焦系统

11、电子枪 要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。 (1)

(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) LaB 6 电子枪。 是目前流行的电子束光刻机用电子枪，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) (3) 场致发射电子枪。 由 Zr Zr/W/O /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 P a （1×10 –8 Torr ），且稳定性较差。

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，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。偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式。

当V = +E时

当V = 0 时V

静电偏转器光阑