現(xiàn)代光學(xué)導(dǎo)論第四次.ppt

設(shè)計(jì)一款TEM-分辨率0.25nm，加速電壓200Kv,物鏡 電子槍 照明系統(tǒng) 成像系統(tǒng),各種電子槍的性能對(duì)比(100kV),源的優(yōu)化,源的發(fā)射原理：熱電子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射以及離子發(fā)射等 發(fā)射尖的具體結(jié)構(gòu)尺寸，柵極或者吸極的結(jié)構(gòu)和電位，陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和電位 源的參數(shù)：束能、交叉斑直徑、束流、亮度、束流密度 優(yōu)化量：最優(yōu)柵極偏壓、柵極內(nèi)徑、陽(yáng)極與柵極的距離,3.1 照明系統(tǒng)理論分析,電子顯微鏡光路原理圖,單聚光鏡,雙聚光鏡 （合適激勵(lì)）,雙聚光鏡 （高激勵(lì)）,通過(guò)調(diào)整聚光鏡的激勵(lì)，能夠達(dá)到所需照明要求,50微米束斑,C1,C2,5微米束斑 初象,50微米束斑,10微米束斑,2微米束斑,亮,很亮,暗,1.5微米束斑,TEM模式,EDS模式,NBD模式,早期電鏡 照明光路,現(xiàn)代電鏡 照明光路,3.1 照明系統(tǒng)理論分析,透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì),M為系統(tǒng)的放大倍數(shù)，do為源直徑， （ ， 是物方束半角）為系統(tǒng)球差彌散圓的直徑，（ ）為系統(tǒng)色差彌散圓的直徑 物鏡的設(shè)計(jì)（直接決定了分辨率）低球差系數(shù)和色差系數(shù) 聚光鏡的設(shè)計(jì)（滿(mǎn)足照明束斑直徑的要求） 透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì),單個(gè)透鏡極靴仿真,第一聚光鏡極靴仿真,第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真,第二聚光鏡極靴仿真,第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真,磁通量密度(T),磁通量密度(T),Z軸(mm),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,單個(gè)透鏡磁路仿真,第一聚光鏡磁路仿真,第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真,第二聚光鏡磁路仿真,第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真,磁通量密度(T),Z軸(mm),磁通量密度(T),Z軸(mm),線圈,磁路,極靴,線圈,磁路,極靴,3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,第一聚光鏡仿真,第一聚光鏡光路仿真,第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真,第一聚光鏡電子束軌跡仿真,磁通量密度(T),Z軸(mm),Z軸(mm),R軸(mm),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,第二聚光鏡仿真,第二聚光鏡光路仿真,第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真,第二聚光鏡電子束軌跡仿真,磁通量密度(T),Z軸(mm),R軸(mm),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,一體化仿真,物鏡磁路仿真,物鏡前場(chǎng)軸上磁場(chǎng)仿真,TEM模式光路仿真,TEM模式電子束軌跡仿真,磁通量密度(T),Z軸(mm),線圈,磁路,極靴,R軸(mm),Z軸(mm),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,實(shí)際軌跡圖,X軸(mm),Z軸(mm),Z軸(mm),Y軸(mm),R軸(mm),各透鏡相對(duì)位置（單位 mm）,仿真結(jié)果數(shù)據(jù)列表,3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,探索式仿真,小聚光鏡鏡磁路仿真,小聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真,TEM模式光路仿真,TEM模式電子束軌跡仿真,磁通量密度(T),Z軸(mm),線圈,磁路,極靴,磁通量密度(T),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,探索式仿真,EDS模式光路仿真,NBD模式光路仿真,Z軸(mm),Z軸(mm),3.2 照明系統(tǒng)軟件仿真,機(jī)械合軸,電子合軸,3.3 照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié),對(duì)中調(diào)節(jié),高度調(diào)節(jié),燈絲座結(jié)構(gòu)示意圖,高度調(diào)節(jié)步驟示意圖,實(shí)際電子槍,柵極,燈絲座,3.3 照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)電子束,聚光鏡光闌合軸,聚光鏡消象散,調(diào)節(jié)燈絲像,3.3 照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié),燈絲高度過(guò)低時(shí)燈絲像,合軸后的燈絲像,柵格樣品像,柵格樣品像,3.3 照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié),3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)平臺(tái),高放大倍率光斑,低放大倍率光斑,放大倍數(shù),光斑大小,實(shí)際激勵(lì)電流值,標(biāo)定,記錄,實(shí)驗(yàn)方法,3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,3.2成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.2.2成像系統(tǒng)仿真思路：,3.2.3 物鏡光學(xué)特性仿真：,3.1.3 物鏡光學(xué)特性仿真：,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.4 投影鏡光學(xué)特性仿真：,3.2.5 成像系統(tǒng)一體化仿真：,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.5 成像系統(tǒng)一體化：,系統(tǒng)倍率的實(shí)現(xiàn)：,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.6 仿真結(jié)果：,3.2.6 仿真結(jié)果：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.7 成像系統(tǒng)調(diào)試：,調(diào)試方法：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.7 成像系統(tǒng)調(diào)試：,調(diào)試結(jié)果：,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.1磁透鏡及Munro軟件簡(jiǎn)介：,磁透鏡成像原理簡(jiǎn)介：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.3 物鏡光學(xué)特性仿真：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.4 投影鏡光學(xué)特性仿真：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.5 成像系統(tǒng)一體化仿真：,三、課題研究?jī)?nèi)容,3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試,3.1.7 成像系統(tǒng)調(diào)試：,調(diào)試結(jié)果：,第四節(jié) 電子束與物質(zhì)相互作用,散射截面,電子受原子散射可分為彈性和非彈性散射,電子受到原子核和核外電子云勢(shì)場(chǎng)的散射，相當(dāng)于電子和整個(gè)原子碰撞。由于原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，電子散射后只改變方向而不損失能量，這種散射稱(chēng)為彈性散射。,電子既改變方向，又改變能量的散射稱(chēng)為非彈性散射,在電子束轟擊下，試樣產(chǎn)生各種信息的過(guò)程大致分為：,信息及其產(chǎn)生過(guò)程,1. 信息的產(chǎn)生,（1）相互作用（入射電子與試樣原子的碰撞） （2） 產(chǎn)生次級(jí)束或改變?cè)瓉?lái)的性能 （3） 輸運(yùn)過(guò)程，從表面上傳輸?shù)奖砻?（4） 逸出表面 （5） 被探測(cè)到,1. 信息的產(chǎn)生,（3）和（4）比較復(fù)雜，一般近似地輸運(yùn)過(guò)程作一般自由程處理，而逸出表面簡(jiǎn)化為逸出功的影響，只要能量足以克服勢(shì)壘而方向又合適即可飛離表面。,2. 信息的種類(lèi),1. 彈性散射電子 2. 背散射電子 3. 透射電子 4. 吸收電流 5. 二次電子 6. 俄歇電子 7. 各種X射線,彈性散射電子是由彈性散射所產(chǎn)生的，其能量與入射電子相同，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以產(chǎn)生電子衍射，是電子衍射的基礎(chǔ)。,1. 彈性散射電子,背散射電子是入射電子經(jīng)過(guò)多次彈性和非彈性散射所形成的，絕大多數(shù)背散射電子的能量與入射電子的能量相近。有時(shí)將彈性散射電子也包括在背散射電子之中。,2 背散射電子,2 背散射電子,背散射系數(shù)是背散射電子數(shù)和入射電子數(shù)的比值,背散射系數(shù)與原子序數(shù)的依賴(lài)關(guān)系,2 背散射電子,開(kāi)始增長(zhǎng)快，而后逐漸放慢,這樣，不同元素產(chǎn)生不同的背散射電子,背散射系數(shù)與入射電子的初始能量關(guān)系不大，10-30keV范圍的入射電子的背散射系數(shù)是常數(shù)。,2 背散射電子,背散射系數(shù)和試樣傾角有關(guān),超過(guò)30度以后，背散射系數(shù)增加得很快,形貌圖,（ 1）原子序數(shù)越大，散射角越大，散射機(jī)會(huì)越多，背散射系數(shù)越大；,2 背散射電子,背散射電子的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：,（2） 原子序數(shù)越大，背散射離開(kāi)表面前在試樣中的路程愈短，損失能量越少，因此背散射電子的平均能量越大；,（3） 試樣傾角越大，入射電子的軌道靠近以至射出表面的機(jī)會(huì)越多，因此背散射系數(shù)大。,3. 透射電子,試樣很?。〝?shù)百nm），入射電子穿透試樣而形成透射電流，透射電鏡中用來(lái)分析試樣的組成和缺陷。,4. 吸收電流,若設(shè)入射電流為ip，背散射，透射，吸收，次級(jí)電子流強(qiáng)度分別為ib，ir，ia，is ，則,當(dāng)試樣很厚 ，ir=0 ，若 is為一恒量，則：,5. 二次電子,廣義講，逸出樣品表面的電子均為二次電子，真正的二次電子區(qū)，經(jīng)非彈性背散射電子區(qū)，彈性散射電子區(qū)，EP 為入射電子能量 。區(qū)電子能量在50eV以下，大部分為獲得能量而逸出表面的自由電子，也有一部分是損失了大部分能量的初級(jí)電子和輸運(yùn)過(guò)程中喪失特征能量的俄歇電子。,5. 二次電子,6. 俄歇電子,俄歇電子帶有元素的特征能量，信號(hào)很微弱，在特殊場(chǎng)合，利用它的信號(hào)來(lái)分析試樣的表面組成，俄歇電子分析。,7. X射線,連續(xù)譜：探傷，診斷等 特征X射線：微區(qū)成分分析,俄歇電子的能量在數(shù)十eV2000eV之間，平均自由程0.52.0nm，約13個(gè)單原子層 ； 二次電子的能量在50eV以?xún)?nèi)，逸出過(guò)程中可能損失部分能量而本身不帶特征能量； 背散射電子的能量更高，逸出深度更大； X射線截面約為電子的10-4，逸出深度在微米量級(jí)。,8 信號(hào)逸出深度,二、 透射電鏡的成像襯度,形成襯度的原理,（1）散射襯度,為了確保透射電鏡的分辨本領(lǐng)，物鏡的孔徑半角必須很小，即小孔徑成像（一般是在物鏡的背焦面上放一個(gè)被稱(chēng)為物鏡光闌的小孔徑光闌來(lái)達(dá)到這個(gè)目的的）。,三 透射電鏡樣品制備,用于透射電鏡的試樣不僅尺度很小，而且要很薄，使電子束能穿過(guò)。因此樣品制備對(duì)透射電鏡很重要。,目前，已發(fā)展了很多種方法，各有其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍,主要有：1. 支持膜法 2. 復(fù)型法 3. 薄試樣制備 a. 化學(xué)腐蝕法； b.電解拋光法； c. 噴射電解拋光法； d. 離子轟擊法。,電子束光刻技術(shù) E-Beam Lithography,電子束曝光概述 電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理 CABL9000C電子束曝光系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù) 電子束曝光的工藝程序 電子束曝光的極限分辨率 多層刻蝕工藝,1.1 電子束曝光是什么？ 電子束曝光（electron beam lithography）指利用某些高分子聚合物對(duì)電子敏感而形成曝光圖形的，是光刻技術(shù)的延伸。,1.電子束曝光概述,紫外光,普通光刻,電子束曝光,電子束,光刻技術(shù)的精度受到光子在波長(zhǎng)尺度上的散射影響。使用的光波長(zhǎng)越短，光刻能夠達(dá)到的精度越高。 紫外光波長(zhǎng):常用200400nm之間 根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子是一種波長(zhǎng)極短的波（加速電壓為50kV，波長(zhǎng)為0.0053nm）。這樣，電子束曝光的精度可以達(dá)到納米量級(jí)，從而為制作納米結(jié)構(gòu)提供了很有用的工具。,1.2 電子束曝光有什么用？ 電子束曝光能夠在抗蝕劑上寫(xiě)出納米級(jí)的圖形，利用最高級(jí)的電子束曝光設(shè)備和特殊顯影工藝，能夠?qū)懗?0nm以下的精細(xì)結(jié)構(gòu)。 納米器件的微結(jié)構(gòu) 集成光學(xué)器件，如光柵，光子晶體 NEMS結(jié)構(gòu) 小尺寸光刻掩模板,離子泵,離子泵,限制膜孔,電子探測(cè)器,工作臺(tái),分子泵,場(chǎng)發(fā)射電子槍,電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng),電磁透鏡,消像散器,偏轉(zhuǎn)器,樣品交換室,機(jī)械泵,物鏡,2.電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,電子槍,場(chǎng)發(fā)射電極 ZrO/W 電場(chǎng)強(qiáng)度:108N/C,鎢絲2700K,六硼化鑭1800K,0.5um,電子束曝光的電子能量通常在10100keV,2.1 電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng),整個(gè)電子光柱由各部分電子光學(xué)元件組裝起來(lái)，裝配高度達(dá)1m左右。任何微小的加工或裝配誤差都可能導(dǎo)致電子槍的陰極尖端與最后一級(jí)的透鏡膜孔不在同一軸線上。因此需要裝一個(gè)準(zhǔn)直系統(tǒng)，必要時(shí)對(duì)電子槍發(fā)出的電子束進(jìn)行較直。,它與光學(xué)聚光透鏡的原理相同，能夠聚焦電子束的束徑，使電子最大限度的到達(dá)曝光表面,電磁透鏡,消像散器,由于加工誤差，電磁透鏡的x、y方向的聚焦不一致，造成電子束斑橢圓化。 消像散器由多級(jí)透鏡組成，能從不同方向?qū)﹄娮邮M(jìn)行校正,偏轉(zhuǎn)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。,偏轉(zhuǎn)器,物鏡,將電子束進(jìn)一步聚焦縮小，形成最后到達(dá)曝光表面的電子束斑。 除以上部分外，電子束曝光系統(tǒng)還包括束流檢測(cè)系統(tǒng)、反射電子檢測(cè)系統(tǒng)、工作臺(tái)、真空系統(tǒng)、圖形發(fā)生器等。,最小束直徑：直接影響電子束直寫(xiě)的最小線寬。 加速電壓：一般10100keV，電壓越高，分辨率越高，鄰近效應(yīng)越小，同時(shí)可曝光較厚的抗蝕劑層。 電子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。,3.CABL9000C電子束曝光系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù),日本CRESTEC 公司生產(chǎn)的CABL9000C,2nm，最小尺寸20nm,30keV,常用：25100pA,掃描場(chǎng)大?。簰呙鑸?chǎng)大，大部分圖形可在場(chǎng)內(nèi)完成，可避免多場(chǎng)拼接；掃描場(chǎng)小，精度高。 拼接精度：圖像較大，需要多個(gè)場(chǎng)拼接。,60600um,2050nm,4.電子束曝光的工藝程序,4.1抗蝕劑工藝,PMMA優(yōu)點(diǎn)：分辨率高（10nm），對(duì)比度大，利于剝離技術(shù)，價(jià)格低 缺點(diǎn)：靈敏度較低，耐刻蝕能力差 HSQ ：負(fù)膠，極高的分辨率（10nm），鄰近效應(yīng)小，靈敏度很低 ZEP-520優(yōu)點(diǎn)：分辨率高（20nm），靈敏度較高，耐刻蝕 缺點(diǎn)：去膠較難,稀釋劑：ZEP-A（苯甲醚）,繪制曝光圖案 樣品傳入（樣品為導(dǎo)體或半導(dǎo)體） 選擇束電流 低倍聚焦 選定曝光位置 在Au顆粒處調(diào)整像散 高倍聚焦，調(diào)節(jié)wafer Z=0，激光定位 參數(shù)設(shè)定（位置、劑量、圖案數(shù)量等） 樣品曝光 樣品取出顯影（ZEP-N50，1min） 曝光圖案觀察,4.2電子束曝光工藝,電子束入射到抗蝕劑后，與抗蝕劑材料中的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生散射。,4.3電子束曝光中的鄰近效應(yīng),鄰近效應(yīng)：如果兩個(gè)圖形離得很近，散射的電子能量會(huì)延伸到相鄰的圖形中，使圖案發(fā)生畸變；單個(gè)圖形的邊界也會(huì)由于鄰近效應(yīng)而擴(kuò)展。,鄰近效應(yīng)的校正,劑量校正：由于電子束散射，同一圖形在同一劑量下曝光的能量分布式不同的，需要人為的改變曝光劑量。 將圖形進(jìn)行幾何分割，計(jì)算每一部分能量的分布（每一點(diǎn)能量的分布符合雙高斯函數(shù)），按照不同的區(qū)域分配曝光劑量。 缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜，需要CAPROX等專(zhuān)業(yè)軟件； 計(jì)算假設(shè)每一圖形內(nèi)部劑量一致，誤差存在,圖形尺寸校正：通過(guò)改變尺寸來(lái)補(bǔ)償電子散射造成的曝光圖形畸變。,鄰近效應(yīng)的校正,缺點(diǎn)：校正的動(dòng)態(tài)范圍小,1）穩(wěn)定的工作環(huán)境：溫度變化范圍0.2，振動(dòng)2um以下，磁場(chǎng)變化在0.2uT以下。 2）高的電子束能量：高能量電子束產(chǎn)生的電子散射小，色差與空間電荷效應(yīng)抵消，且有利于曝光厚的抗蝕劑層。高檔次的電子束曝光機(jī)一般都在100keV。 3）低束流：低束流可以減小空間電荷誤差，有利于獲得更小的束斑。束流低會(huì)增加曝光時(shí)間，會(huì)使聚焦標(biāo)記成像亮度降低，使對(duì)焦困難。 4）小掃描場(chǎng)：電子束曝光系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)相差與掃描場(chǎng)大小有關(guān)，高分辨率應(yīng)盡量使用小掃描場(chǎng)。,5. 電子束曝光的極限分辨率,電子束曝光100nm的微細(xì)圖形很容易制出，但是小于50nm的圖形卻不是輕易能夠?qū)崿F(xiàn)的。電子束的極限分辨率與多個(gè)因素有關(guān)：,5）低靈敏度抗蝕劑：20nm以下的電子束曝光全部使用低