电子束曝光系统
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
4.1抗蚀剂工艺
PMMA优点：分辨率高（10nm），对比度大，利于剥离技术，价格低
缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能力差 HSQ ：负胶，极高的分辨率（<10nm），邻近效应小，灵敏度很低 ZEP-520优点：分辨率高（~20nm），灵敏度较高，耐刻蚀 缺点：去胶较难
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
电子枪准直系统
整个电子光柱由各部分电子光学元
件组装起来，装配高度达1m左右。 任何微小的加工或装配误差都可能 导致电子枪的阴极尖端与最后一级 的透镜膜孔不在同一轴线上。因此 需要装一个准直系统，必要时对电 子枪发出的电子束进行较直。
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。
使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。
紫外光波长:常用200~400nm之间
根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的
波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电 子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米 结构提供了很有用的工具。
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
邻近效应的校正
剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量 下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光 剂量。 将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布 （每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同 的区域分配曝光剂量。
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
电磁透镜
它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
高分辨率电子束曝光系统
CABL 9000C
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
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扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可
避免多场拼接；扫描场小，精度高。
60~600um
拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。 20~50nm
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
生产公司 型号 最大电子束能量/keV 扫描速度/MHz 最小曝光图案/nm 扫描场尺寸 价格/USD 评价
美国Vistec VB300 100 50 <10 164um~1.2mm 6~9 Million
日本Crestec CABL9000C 30 1百度文库20 60um~600um 1Million
商业用，性能高，价格高 电子束曝光与电镜两用， 价格低
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
邻近效应的校正
图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。
缺点：校正的动态范围小
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
多层刻蚀工艺
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
1.电子束曝光概述
1.1 电子束曝光是什么？
电子束曝光（electron beam lithography）指利用某些
高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻 技术的延伸。
紫外光 电子束
普通光刻
电子束曝光
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
最小束直径：直接影响电子束直
写的最小线宽。
2nm，最小尺寸20nm
加速电压：一般10~100keV，电
压越高，分辨率越高，邻近效应 越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂 层。 30keV
电子束流：束流大，曝光速度快
，但是束斑尺寸大，分辨率低。
日本CRESTEC 公司生产的CABL9000C 常用：25~100pA
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
偏转器
偏转器用来实现电子束的偏转扫描。
物镜
将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表
面的电子束斑。
除以上部分外，电子束曝光系统还包括束流检测 系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、 图形发生器等。 微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
绘制曝光图案 样品传入（样品为导体或半导体） 选择束电流 低倍聚焦
选定曝光位置
在Au颗粒处调整像散 高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位
参数设定（位置、剂量、图案数量等）
样品曝光 样品取出显影（ZEP-N50，1min） 曝光图案观察
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
电子束曝光概述 电子束曝光系统的结构与原理
CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
电子束曝光的工艺程序
电子束曝光的极限分辨率
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
4.电子束曝光的工艺程序
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
小尺寸光刻掩模板
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
2.电子束曝光系统的结构与原理
缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件； 计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
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稀释剂：ZEP-A（苯甲醚）
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
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4.2电子束曝光工艺
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
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4.3电子束曝光中的邻近效应
电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生
碰撞，产生散射。
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离子泵 场发射电子枪 离子泵 电子枪准直系统 电磁透镜 限制膜孔 消像散器 偏转器 电子探测器 物镜 工作台 样品交换室 分子泵
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
机械泵
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1.2 电子束曝光有什么用？
电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用最高 级的电子束曝光设备和特殊显影工艺，能够写出10nm以下 的精细结构。 纳米器件的微结构 集成光学器件，如光栅，光子晶体 NEMS结构
2.1 电子束曝光系统的结构 电子枪
0.5um
钨丝2700K
六硼化镧1800K
场发射电极 ZrO/W 电场强度:108N/C
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
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邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能 量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个 图形的边界也会由于邻近效应而扩展。
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限度的到达曝光表面
消像散器
由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。 消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正
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5. 电子束曝光的极限分辨率
电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形 却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：
1）稳定的工作环境：温度变化范围±0.2℃，振动2um以下，磁场变
化在0.2uT以下。 2）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电 荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一 般都在100keV。 3）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。 束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。 4）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨 率应尽量使用小扫描场。
4.1抗蚀剂工艺
PMMA优点：分辨率高（10nm），对比度大，利于剥离技术，价格低
缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能力差 HSQ ：负胶，极高的分辨率（<10nm），邻近效应小，灵敏度很低 ZEP-520优点：分辨率高（~20nm），灵敏度较高，耐刻蚀 缺点：去胶较难
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电子枪准直系统
整个电子光柱由各部分电子光学元
件组装起来，装配高度达1m左右。 任何微小的加工或装配误差都可能 导致电子枪的阴极尖端与最后一级 的透镜膜孔不在同一轴线上。因此 需要装一个准直系统，必要时对电 子枪发出的电子束进行较直。
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光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。
使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。
紫外光波长:常用200~400nm之间
根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的
波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电 子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米 结构提供了很有用的工具。
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邻近效应的校正
剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量 下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光 剂量。 将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布 （每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同 的区域分配曝光剂量。
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电磁透镜
它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大
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高分辨率电子束曝光系统
CABL 9000C
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扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可
避免多场拼接；扫描场小，精度高。
60~600um
拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。 20~50nm
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生产公司 型号 最大电子束能量/keV 扫描速度/MHz 最小曝光图案/nm 扫描场尺寸 价格/USD 评价
美国Vistec VB300 100 50 <10 164um~1.2mm 6~9 Million
日本Crestec CABL9000C 30 1百度文库20 60um~600um 1Million
商业用，性能高，价格高 电子束曝光与电镜两用， 价格低
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邻近效应的校正
图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。
缺点：校正的动态范围小
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多层刻蚀工艺
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1.电子束曝光概述
1.1 电子束曝光是什么？
电子束曝光（electron beam lithography）指利用某些
高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻 技术的延伸。
紫外光 电子束
普通光刻
电子束曝光
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3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
最小束直径：直接影响电子束直
写的最小线宽。
2nm，最小尺寸20nm
加速电压：一般10~100keV，电
压越高，分辨率越高，邻近效应 越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂 层。 30keV
电子束流：束流大，曝光速度快
，但是束斑尺寸大，分辨率低。
日本CRESTEC 公司生产的CABL9000C 常用：25~100pA
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
偏转器
偏转器用来实现电子束的偏转扫描。
物镜
将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表
面的电子束斑。
除以上部分外，电子束曝光系统还包括束流检测 系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、 图形发生器等。 微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
绘制曝光图案 样品传入（样品为导体或半导体） 选择束电流 低倍聚焦
选定曝光位置
在Au颗粒处调整像散 高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位
参数设定（位置、剂量、图案数量等）
样品曝光 样品取出显影（ZEP-N50，1min） 曝光图案观察
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电子束曝光概述 电子束曝光系统的结构与原理
CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
电子束曝光的工艺程序
电子束曝光的极限分辨率
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4.电子束曝光的工艺程序
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2.电子束曝光系统的结构与原理
缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件； 计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在
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稀释剂：ZEP-A（苯甲醚）
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4.2电子束曝光工艺
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4.3电子束曝光中的邻近效应
电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生
碰撞，产生散射。
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
离子泵 场发射电子枪 离子泵 电子枪准直系统 电磁透镜 限制膜孔 消像散器 偏转器 电子探测器 物镜 工作台 样品交换室 分子泵
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机械泵
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1.2 电子束曝光有什么用？
电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用最高 级的电子束曝光设备和特殊显影工艺，能够写出10nm以下 的精细结构。 纳米器件的微结构 集成光学器件，如光栅，光子晶体 NEMS结构
2.1 电子束曝光系统的结构 电子枪
0.5um
钨丝2700K
六硼化镧1800K
场发射电极 ZrO/W 电场强度:108N/C
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
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STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能 量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个 图形的边界也会由于邻近效应而扩展。
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
限度的到达曝光表面
消像散器
由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。 消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
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5. 电子束曝光的极限分辨率
电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形 却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：
1）稳定的工作环境：温度变化范围±0.2℃，振动2um以下，磁场变
化在0.2uT以下。 2）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电 荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一 般都在100keV。 3）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。 束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。 4）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨 率应尽量使用小扫描场。