非光學光刻技術匯編

1、 本節(jié)主要討論本節(jié)主要討論 X 射線、電子束、離子束與固體之間的相互射線、電子束、離子束與固體之間的相互 作用。作用。 X 射線光刻所用的波長在射線光刻所用的波長在= 0.2 4 nm 的范圍，所對應的的范圍，所對應的 X 射線光子能量為射線光子能量為 1 10 k eV。在此能量范圍，。在此能量范圍，X 射線的散射可射線的散射可 以忽略。以忽略。X 射線光子的能量損失機理以光電效應為主，損失掉射線光子的能量損失機理以光電效應為主，損失掉 的能量轉(zhuǎn)化為光電子的能量。的能量轉(zhuǎn)化為光電子的能量。 分辨率取決于分辨率取決于 X 射線的波長與光電子的射程兩者中較大的射線的波長與光電子的射程兩者中較大的

2、 一個一個 。當。當 X 射線波長為射線波長為 5 nm 左右時兩者相等，這時可獲得最左右時兩者相等，這時可獲得最 佳分辨率佳分辨率 ，其值即約為，其值即約為 5 nm 。但在。但在 X 射線光刻技術中，由于射線光刻技術中，由于 掩模版等方面的原因掩模版等方面的原因 ，波長取為，波長取為 0.2 4 nm ，其相應的光電子，其相應的光電子 射程為射程為 70 20 nm。但是實際上這并不是限制。但是實際上這并不是限制 X 射線光刻分辨射線光刻分辨 率的主要因素。率的主要因素。 后面會講到，限制后面會講到，限制 X 射線光刻分辨率的主要因素是射線光刻分辨率的主要因素是 ，以及，以及 和和 。 電

3、子束與固體之間的相互作用有很多種，例如二次電子、電子束與固體之間的相互作用有很多種，例如二次電子、 散射電子、吸收電子、電子空穴對、陽極發(fā)光、散射電子、吸收電子、電子空穴對、陽極發(fā)光、X 射線、俄歇射線、俄歇 電子等。電子等。 入射電子與固體中另一粒子發(fā)生碰撞，發(fā)生動量與能量的入射電子與固體中另一粒子發(fā)生碰撞，發(fā)生動量與能量的 轉(zhuǎn)移，方向改變，波長不變或增大，能量不變或減少。轉(zhuǎn)移，方向改變，波長不變或增大，能量不變或減少。 電子在光刻膠中的散射次數(shù)與光刻膠厚度成正比，與入射電子在光刻膠中的散射次數(shù)與光刻膠厚度成正比，與入射 電子的初始能量電子的初始能量 E0 成反比，典型值為幾到幾十次。成反比

4、，典型值為幾到幾十次。 散射角散射角：電子散射后的方向與原入射方向之間的夾角。：電子散射后的方向與原入射方向之間的夾角。 前散射前散射（小角散射）：散射角（小角散射）：散射角 ，所以背散射是影響分辨率的主要因素；，所以背散射是影響分辨率的主要因素； b、光刻膠較薄時，能量密度的分布范圍較?。?、光刻膠較薄時，能量密度的分布范圍較小； c、入射電子初始能量、入射電子初始能量 E0 的影響是：對的影響是：對 ff ，E0 越大，則越大，則 越??；對越小；對 fb ，當，當 E0 增大時，增大時，先增大，然后減小；先增大，然后減小； d、低原子序數(shù)材料中的散射一般要小一些。、低原子序數(shù)材料中的散射一般

5、要小一些。 ( , )Er z (3) 對此模擬結(jié)果進行對此模擬結(jié)果進行 ，可得到近似的分析函數(shù)，可得到近似的分析函數(shù)， 為為 ，即，即 fb 22 E 22 ( , )( , )( , ) ( ) expexp 22 Er zfr zfr z rr k z (4) 當入射電子為任意空間分布函數(shù)當入射電子為任意空間分布函數(shù) 時，其吸收能時，其吸收能 量密度量密度 是是 與與 的的 ),(ru ),(ru( , , )E rz( , )Er z 2 00 ( , )( , )*( ,) (, ),d d E rzEr zu r rz urrrr 例如，當電子束分布為例如，當電子束分布為 時，時，

6、 2 2 g ( , )( )exp 2 r u ru r 2 g 2 0 g ( , )2( , )expd 2 rr Er zE r zr r 式中，式中， 為高斯電子束的標準偏差。為高斯電子束的標準偏差。 g (5) 膠層等能量密度剖面輪廓膠層等能量密度剖面輪廓 實際的曝光圖形，既不是實際的曝光圖形，既不是 函數(shù)，也不是僅僅一個孤立的函數(shù)，也不是僅僅一個孤立的 圓形束斑，如果是一條有寬度的線條，其能量吸收密度應當是圓形束斑，如果是一條有寬度的線條，其能量吸收密度應當是 各入射電子束的作用的總和，如下圖所示。各入射電子束的作用的總和，如下圖所示。 設電子束的束流為設電子束的束流為 IB ，

7、在每個，在每個 點上停留的時間為點上停留的時間為 t ，則每個束斑，則每個束斑 上的入射電子數(shù)為上的入射電子數(shù)為 ( IB t / q ) ，每個，每個 束斑產(chǎn)生的吸收能量密度為束斑產(chǎn)生的吸收能量密度為 Bg (/ )( , )I t q Er z 則在離線條距離為則在離線條距離為 x 的點的點 P 下面深下面深 度為度為 z 處的能量吸收密度為處的能量吸收密度為 B lggn 1 ( , )( , )2(, ) n I t E x zEx zERz q y x nd d 2 2 xndRn P 用上述模擬方法對硅上的用上述模擬方法對硅上的 PMMA 膠進行計算的結(jié)果以及膠進行計算的結(jié)果以及

8、實際的膠層剖面輪廓如下圖所示，實際的膠層剖面輪廓如下圖所示， 模擬結(jié)果模擬結(jié)果 實際結(jié)果實際結(jié)果 已知電子的散射特別是背散射，其影響范圍可與電子射程已知電子的散射特別是背散射，其影響范圍可與電子射程 或膠層厚度相當，這稱為電子束曝光的或膠層厚度相當，這稱為電子束曝光的 。對于一個其。對于一個其 線度線度 L 遠大于電子散射范圍遠大于電子散射范圍 R 的圖形，雖然其中間部分的曝光的圖形，雖然其中間部分的曝光 是均勻的，但邊緣部分的情況就不同了，如下圖所示，是均勻的，但邊緣部分的情況就不同了，如下圖所示， 能量密度能量密度內(nèi)鄰近效應內(nèi)鄰近效應 互鄰互鄰 近效近效 應應 無散無散 射時射時 內(nèi)鄰近效

9、應內(nèi)鄰近效應 互鄰近效應互鄰近效應 L L x R (1) 對對 L R 的孤立圖形，使邊緣模糊。的孤立圖形，使邊緣模糊。 (2) 對對 L = R 的孤立圖形，使邊緣曝光不足，圖形變小、的孤立圖形，使邊緣曝光不足，圖形變小、 變圓，甚至曝不出來。變圓，甚至曝不出來。 (3) 對間距對間距 a = R 的多個圖形的多個圖形 ，使間距變小，甚至相連。，使間距變小，甚至相連。 減小入射電子束的能量（因減小入射電子束的能量（因 隨隨 E0 先大后?。虿捎玫拖却蠛笮。?，或采用低 原子序數(shù)的襯底與光刻膠。原子序數(shù)的襯底與光刻膠。 電子束圖形電子束圖形 曝光顯影后曝光顯影后 有鄰近效應有鄰近效應 幾何

10、修正幾何修正劑量修正劑量修正 離子束與固體之間的相互作用有：散射（碰撞）、輻射損離子束與固體之間的相互作用有：散射（碰撞）、輻射損 傷（產(chǎn)生位錯）、濺射（刻蝕及鍍膜）、俘獲（離子注入）、傷（產(chǎn)生位錯）、濺射（刻蝕及鍍膜）、俘獲（離子注入）、 激發(fā)、電離、電子發(fā)射、二次離子發(fā)射等。激發(fā)、電離、電子發(fā)射、二次離子發(fā)射等。 這些效應的強弱隨入射離子的能量不同而不同。用于大規(guī)這些效應的強弱隨入射離子的能量不同而不同。用于大規(guī) 模集成技術的入射離子能量范圍為模集成技術的入射離子能量范圍為 刻蝕、鍍膜：刻蝕、鍍膜： 50 k eV 電子束曝光主要采用無掩模的直寫方式（掃描方式），此電子束曝光主要采用無掩模

11、的直寫方式（掃描方式），此 外也有投影方式，但無接觸式。外也有投影方式，但無接觸式。 直寫曝光直寫曝光 （無掩模）（無掩模） 電子束曝光方式電子束曝光方式 光柵掃描光柵掃描 矢量掃描矢量掃描 投影曝光投影曝光 （有掩模）（有掩模） 電子束的波長短，因此電子束曝光的分辨率很高，是目前電子束的波長短，因此電子束曝光的分辨率很高，是目前 獲得深亞微米高分辨率圖形的主要手段之一。獲得深亞微米高分辨率圖形的主要手段之一。 , hhh pmv pmv 1 2 2 a a 21 , 2 qV mvqVv m 1 2 a (2) h mqV 電子質(zhì)量電子質(zhì)量 m 和加速電壓和加速電壓 Va 越大，則電子的波長

12、越大，則電子的波長 越小。越小。 電子、離子等微觀粒子具有波粒二象性，由德布羅意關系電子、離子等微觀粒子具有波粒二象性，由德布羅意關系 又由又由 代入波長代入波長 中，得中，得 考慮到相對論效應后，考慮到相對論效應后， 應修正為應修正為 6 aa 1.225 (nm) 10.978 10VV 電子束曝光的加速電壓范圍一般在電子束曝光的加速電壓范圍一般在 Va = 10 30 kV，這時，這時 電子波長電子波長 的范圍為的范圍為 0.012 0.007 nm。 將將 h = 6.6210-27 erg/ /s ，q = 4.810-10 絕對靜電單位，電絕對靜電單位，電 子質(zhì)量子質(zhì)量 m = 9

13、.110-27 g 代入，得代入，得 a 1.225 (nm) V 電子束本身的分辨率極高電子束本身的分辨率極高 ，可以達到，可以達到 0.01 m 以下，但是以下，但是 在光刻膠上一般只能獲得在光刻膠上一般只能獲得 0.1 m 左右的線寬。限制電子束曝光左右的線寬。限制電子束曝光 分辨率的因素有，分辨率的因素有， 1、光刻膠本身的分辨率、光刻膠本身的分辨率 2、電子在光刻膠中的散射引起的鄰近效應、電子在光刻膠中的散射引起的鄰近效應 3、對準問題、對準問題 除電子光學柱系統(tǒng)外，還有如真空系統(tǒng)、工件臺移動系統(tǒng)等。除電子光學柱系統(tǒng)外，還有如真空系統(tǒng)、工件臺移動系統(tǒng)等。 數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入 計算機計算

14、機 電子束控制電子束控制 工件臺控制工件臺控制 電子槍電子槍 光閘光閘 硅片硅片 電子束電子束 聚焦系統(tǒng)聚焦系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 電電 子子 光光 學學 柱柱 系系 統(tǒng)統(tǒng) 要求：亮度高、均勻性好、束斑小、穩(wěn)定性好、壽命長。要求：亮度高、均勻性好、束斑小、穩(wěn)定性好、壽命長。 (1) 熱鎢絲電子槍。熱鎢絲電子槍。 束斑直徑約為束斑直徑約為 30 m 。特點是。特點是 簡單可簡單可 靠，對真空度要求低，但亮度低，壽命短，噪聲大?？?，對真空度要求低，但亮度低，壽命短，噪聲大。 (2) LaB6 電子槍。電子槍。 是目前流行的電子束光刻機用電子槍是目前流行的電子束光刻機用電子槍 ， 其特點是其特點是

15、亮度高，穩(wěn)定性好，壽命長，但對真空度要求高，使亮度高，穩(wěn)定性好，壽命長，但對真空度要求高，使 用條件嚴格；能散度大，聚焦困難，束斑大。用條件嚴格；能散度大，聚焦困難，束斑大。 (3) 場致發(fā)射電子槍。場致發(fā)射電子槍。 由由 Zr/W/O 材料制造的尖端構(gòu)成，材料制造的尖端構(gòu)成， 其特點是其特點是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪聲低，壽命長，但亮度更高，能散度低，束斑小，噪聲低，壽命長，但 需要的真空度更高，高達需要的真空度更高，高達 1.3310-6 Pa（110 8 Torr），且穩(wěn)），且穩(wěn) 定性較差。定性較差。 作用：將電子束斑聚焦到作用：將電子束斑聚焦到 0.1 m 以下。以下。 要求：

16、幾何像差小、色差小。要求：幾何像差小、色差小。 結(jié)構(gòu)種類：采用結(jié)構(gòu)種類：采用 2 3 級級 或或 聚焦系統(tǒng)。聚焦系統(tǒng)。 磁透鏡：由流過線圈的電流產(chǎn)生的一個對稱磁場所形成磁透鏡：由流過線圈的電流產(chǎn)生的一個對稱磁場所形成 ， 對電子束有聚焦作用。對電子束有聚焦作用。 111 PQf 作用：使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)作用：使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn) ，在光刻膠上進行掃描與曝光，在光刻膠上進行掃描與曝光 ， 描畫出所需要的圖形。描畫出所需要的圖形。 要求：偏轉(zhuǎn)像差小，圖形清晰，分辨率高，偏轉(zhuǎn)靈敏度高，要求：偏轉(zhuǎn)像差小，圖形清晰，分辨率高，偏轉(zhuǎn)靈敏度高， 偏轉(zhuǎn)速度快。偏轉(zhuǎn)速度快。 結(jié)構(gòu)種類：結(jié)構(gòu)種類： 與與 。 磁偏轉(zhuǎn)器的

17、電感較大，掃描速度較慢；靜電偏轉(zhuǎn)器的電容磁偏轉(zhuǎn)器的電感較大，掃描速度較慢；靜電偏轉(zhuǎn)器的電容 較小，掃描頻率較高較小，掃描頻率較高 ，兩者相差上萬倍。此外，靜電偏轉(zhuǎn)器的，兩者相差上萬倍。此外，靜電偏轉(zhuǎn)器的 光學性能較好，像差較小。實際使用時，有磁偏轉(zhuǎn)、電偏轉(zhuǎn)、光學性能較好，像差較小。實際使用時，有磁偏轉(zhuǎn)、電偏轉(zhuǎn)、 磁磁-電偏轉(zhuǎn)、磁電偏轉(zhuǎn)、磁-磁偏轉(zhuǎn)、電磁偏轉(zhuǎn)、電-電偏轉(zhuǎn)等多種組合方式。偏轉(zhuǎn)器與電偏轉(zhuǎn)等多種組合方式。偏轉(zhuǎn)器與 磁透鏡之間的位置也有多種組合方式。磁透鏡之間的位置也有多種組合方式。 采用采用 的方式對電子束通斷進行控制。的方式對電子束通斷進行控制。 對光閘、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和工件臺的移動進行統(tǒng)

18、一協(xié)調(diào)的控制。對光閘、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和工件臺的移動進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制。 靜電偏轉(zhuǎn)器靜電偏轉(zhuǎn)器光闌光闌 當當 V = +E 時時 V 當當 V = 0 時時 只應用于矢量掃描方式，使電子束根據(jù)只應用于矢量掃描方式，使電子束根據(jù) VLSI 圖形的要求圖形的要求 做出規(guī)定的偏轉(zhuǎn)，完成掃描曝光。做出規(guī)定的偏轉(zhuǎn)，完成掃描曝光。 采用點光源和圓形光闌，上靶束斑的電流密度在橫截面上采用點光源和圓形光闌，上靶束斑的電流密度在橫截面上 呈二維高斯分布，等流線為圓形。束斑直徑為呈二維高斯分布，等流線為圓形。束斑直徑為 0.1 1 m ，最，最 小可達到小可達到 0.01 m 。其主要優(yōu)點是。其主要優(yōu)點是 分辨率高，制作

19、圖形時精細分辨率高，制作圖形時精細 靈活。主要缺點是靈活。主要缺點是 曝光效率低。曝光效率低。 采用面光源和方形光闌。束斑尺寸一般取為圖形的最小特采用面光源和方形光闌。束斑尺寸一般取為圖形的最小特 征尺寸。主要優(yōu)點是征尺寸。主要優(yōu)點是 曝光效率高，主要缺點是曝光不靈活，某曝光效率高，主要缺點是曝光不靈活，某 些區(qū)域可能被重復曝光而導致曝光過度。些區(qū)域可能被重復曝光而導致曝光過度。 成形偏轉(zhuǎn)板成形偏轉(zhuǎn)板 光闌光闌 1 光闌光闌 2 通過光闌通過光闌1后形成后形成 的固定方形束的固定方形束 與光闌與光闌 2 的的 相互位置相互位置 偏轉(zhuǎn)后的方形束偏轉(zhuǎn)后的方形束 通過光闌通過光闌 2 后形成后形成

20、的可變矩形束的可變矩形束 主要優(yōu)點是曝光效率更高，更靈活，且無重復曝光區(qū)域。主要優(yōu)點是曝光效率更高，更靈活，且無重復曝光區(qū)域。 主要缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴。但由于它是實現(xiàn)復雜精細圖主要缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴。但由于它是實現(xiàn)復雜精細圖 形的直接書寫、高生產(chǎn)效率曝光的重要手段，已經(jīng)得到了越來形的直接書寫、高生產(chǎn)效率曝光的重要手段，已經(jīng)得到了越來 越多的使用。越多的使用。 所產(chǎn)生的矩形束斑的尺寸可按需要隨時變化。由兩個方形所產(chǎn)生的矩形束斑的尺寸可按需要隨時變化。由兩個方形 光闌和兩個光闌和兩個 x、y 方向的成形偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成。方向的成形偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成。 10d 5d 5d 10d 13d 115d2

21、1M DRAM 的芯片尺寸為的芯片尺寸為 9.69.6 mm2，最小線寬，最小線寬 1 m， 平均曝光面積平均曝光面積 44 mm2 ，曝光圖形約為，曝光圖形約為 460 萬個。每個萬個。每個 4 英寸英寸 硅片上可容納硅片上可容納 52 個芯片。若采用個芯片。若采用 D = 0.25 m 的高斯圓形束的高斯圓形束 ， 每點的曝光時間為每點的曝光時間為 1 s ，則單純用于曝光的時間近，則單純用于曝光的時間近 4 個小時個小時 ； 若采用可變矩形束，每點的曝光時間為若采用可變矩形束，每點的曝光時間為 1.8 s ，則單純用于曝，則單純用于曝 光的時間僅光的時間僅 7 分鐘。分鐘。 采用高斯圓形

22、束。電子束在整個掃描場里作連續(xù)掃描，通采用高斯圓形束。電子束在整個掃描場里作連續(xù)掃描，通 過控制光閘的通斷來確定曝光區(qū)與非曝光區(qū)。過控制光閘的通斷來確定曝光區(qū)與非曝光區(qū)。 光柵掃描的優(yōu)點是光柵掃描的優(yōu)點是 控制簡單，不需對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行控制?？刂坪唵?，不需對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行控制。 缺點是缺點是 生產(chǎn)效率低。生產(chǎn)效率低。 由于掃描場的范圍較小，必須配合工件臺的移動來完成對由于掃描場的范圍較小，必須配合工件臺的移動來完成對 整個硅片的曝光。按工件臺的移動方式又可分為整個硅片的曝光。按工件臺的移動方式又可分為 兩種。兩種。 除高斯圓形束外，也可以采用固定方形束或可變矩形束。除高斯圓形束外，也可以采用固定方

23、形束或可變矩形束。 矢量掃描的優(yōu)點是矢量掃描的優(yōu)點是 曝光效率高，因為電子束不需對占總面積約曝光效率高，因為電子束不需對占總面積約 60% 70% 的無圖形區(qū)域進行掃描，而且可采用可變矩形束。的無圖形區(qū)域進行掃描，而且可采用可變矩形束。 缺點是缺點是 控制系統(tǒng)要復雜一些，因為矢量掃描必須對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進控制系統(tǒng)要復雜一些，因為矢量掃描必須對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進 行控制，而不象光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。行控制，而不象光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。 直寫電子束光刻的主要優(yōu)點是直寫電子束光刻的主要優(yōu)點是 分辨率高，作圖靈活。主要分辨率高，作圖靈活。主要 缺點是缺點是 曝光效率低，控制復雜。為了提高效率，已

24、經(jīng)開發(fā)出了曝光效率低，控制復雜。為了提高效率，已經(jīng)開發(fā)出了 高亮度源、矢量掃描系統(tǒng)、與大數(shù)值孔徑透鏡相結(jié)合的低感應高亮度源、矢量掃描系統(tǒng)、與大數(shù)值孔徑透鏡相結(jié)合的低感應 偏轉(zhuǎn)線圈等。但是直寫電子束光刻在最好的情況下也比光學光偏轉(zhuǎn)線圈等。但是直寫電子束光刻在最好的情況下也比光學光 刻系統(tǒng)慢一個數(shù)量級?？赡艿慕鉀Q方法是使用一種大量電子束刻系統(tǒng)慢一個數(shù)量級?？赡艿慕鉀Q方法是使用一種大量電子束 源同時曝光的多電子束曝光系統(tǒng)，源同時曝光的多電子束曝光系統(tǒng)， 直寫電子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于產(chǎn)直寫電子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于產(chǎn) 量不大，但要求分辨率特別高，圖形要經(jīng)常變化的場

25、合，如高量不大，但要求分辨率特別高，圖形要經(jīng)常變化的場合，如高 速速 GaAs 集成電路等。集成電路等。 為了提高分辨率，可以采用波長為了提高分辨率，可以采用波長 = 0.2 4 nm 的的 X 射線射線 作為曝光的光源。作為曝光的光源。 用高能電子束轟擊金屬靶（如用高能電子束轟擊金屬靶（如 Al、W、Mo），使靶金屬），使靶金屬 的內(nèi)層束縛電子離開靶材料，當另一個束縛電子去填充這一空的內(nèi)層束縛電子離開靶材料，當另一個束縛電子去填充這一空 位時，即可發(fā)射出位時，即可發(fā)射出 X 射線。射線。 這種這種 X 射線源的主要缺點是效率很低，只有幾萬分之一。射線源的主要缺點是效率很低，只有幾萬分之一。

26、功率消耗達數(shù)萬瓦，并產(chǎn)生大量的熱。除了用水冷卻外，還可功率消耗達數(shù)萬瓦，并產(chǎn)生大量的熱。除了用水冷卻外，還可 使陽極高速旋轉(zhuǎn)。使陽極高速旋轉(zhuǎn)。 用聚焦的高能電子束或激光束轟擊金屬薄膜，使之蒸發(fā)成用聚焦的高能電子束或激光束轟擊金屬薄膜，使之蒸發(fā)成 為等離子體。超熱的金屬等離子體蒸汽將發(fā)射為等離子體。超熱的金屬等離子體蒸汽將發(fā)射 X 射線，波長為射線，波長為 0.8 10 nm 。 這種這種 X 射線源從激光到射線源從激光到 X 射線的轉(zhuǎn)換效率約為射線的轉(zhuǎn)換效率約為 10%，光強，光強 比較強，并有非常小的直徑，比較適合于光刻。比較強，并有非常小的直徑，比較適合于光刻。 X 射線射線 硅片硅片 電

27、子在同步加速器中作圓周運動，加速方向與其運動切線電子在同步加速器中作圓周運動，加速方向與其運動切線 方向相垂直，在沿運動方向的切線上發(fā)射出方向相垂直，在沿運動方向的切線上發(fā)射出 X 射線，電子在發(fā)射線，電子在發(fā) 射射 X 射線過程中損失的能量在射頻腔中得到補充射線過程中損失的能量在射頻腔中得到補充 。 這種這種 X 射線源的亮度最強，效率較高，一臺射線源的亮度最強，效率較高，一臺 X 射線源可以射線源可以 支持多達支持多達 16 臺曝光設備。臺曝光設備。 但這種但這種 X 射線源極其龐大昂貴，電子同步加速器的直徑可射線源極其龐大昂貴，電子同步加速器的直徑可 達達 5 米以上。限制來自磁場方面。

28、如果將來能獲得高臨界溫度米以上。限制來自磁場方面。如果將來能獲得高臨界溫度 的超導材料，則利用超導磁場可建立直徑約的超導材料，則利用超導磁場可建立直徑約 2 米的緊湊型電子米的緊湊型電子 同步加速器。此外，這種同步加速器。此外，這種 X 射線源還存在輻射安全問題。射線源還存在輻射安全問題。 靶靶 電子束電子束 X 射線射線 掩模版掩模版 硅片硅片 抽抽 氣氣 由于很難找到合適的材由于很難找到合適的材 料對料對 X 射線進行反射和折射，射線進行反射和折射， X 射線透鏡的制造是極其困射線透鏡的制造是極其困 難的，因此只能采用難的，因此只能采用 。為使由點光源發(fā)。為使由點光源發(fā) 射的射的 X 射線

29、盡量接近平行光，射線盡量接近平行光， 應使光源與掩模的距離盡量應使光源與掩模的距離盡量 遠。對于大規(guī)模集成電路的遠。對于大規(guī)模集成電路的 制造來說，由于受到掩模尺制造來說，由于受到掩模尺 寸的限制，只能采用寸的限制，只能采用 接近方式。接近方式。 光刻用的光刻用的 X 射線波長約為射線波長約為 1nm，可以忽略衍射效應。影響，可以忽略衍射效應。影響 X 射線分辨率的主要因素是由于射線分辨率的主要因素是由于 X 射線源不是嚴格的點光源而射線源不是嚴格的點光源而 引起的引起的 ，和由于，和由于 X 射線的發(fā)散性而引起的射線的發(fā)散性而引起的 。 , dd S SDD max max 2 , 2 WW

30、 S SDD 要使要使 和和 max 減小，應增大減小，應增大 D 或減小或減小 S 。但太大的。但太大的 D 值會值會 減小減小 X 射線的強度。另外，由于幾何畸變的影響要比半影畸變射線的強度。另外，由于幾何畸變的影響要比半影畸變 的大，可以采用步進的方法來減小每步曝光的視場尺寸的大，可以采用步進的方法來減小每步曝光的視場尺寸 W ，從，從 而減小幾何畸變而減小幾何畸變 max ，或在設計掩模版時進行補償。，或在設計掩模版時進行補償。 例如，若例如，若 d = 5 mm，D = 400 mm，S = 5 m ，則半影畸變，則半影畸變 = 0.06 m 。 硅片直徑要根據(jù)所允許的幾何畸變硅片直

31、徑要根據(jù)所允許的幾何畸變 max 來確定。如果允許來確定。如果允許 max = 0.1 m ，則，則 W 僅為僅為 16 mm 。反之，若。反之，若 W 為為 100 mm ， 則則 max 會高達會高達 0.6 m 。 正在研究中的正在研究中的 X 射線透鏡射線透鏡 1、掠射角金屬反射鏡、掠射角金屬反射鏡 2、Kumakhov 透鏡透鏡 3、多層反射鏡、多層反射鏡 X 射線光刻工藝最困難的地方之一就是掩模版的制造，對射線光刻工藝最困難的地方之一就是掩模版的制造，對 掩模版的基本要求是反差要大，但是對于掩模版的基本要求是反差要大，但是對于 X 射線，當波長小于射線，當波長小于 0.2 nm 時

32、，對絕大部分材料都能穿透；當波長大于時，對絕大部分材料都能穿透；當波長大于 4 nm 時，對時，對 絕大部分材料都將被吸收。只有在絕大部分材料都將被吸收。只有在 0.2 nm 4 nm 的范圍內(nèi)，可的范圍內(nèi)，可 以用低吸收的輕比重材料如以用低吸收的輕比重材料如 Si、Si3N4 、SiC、BN 等制作透光等制作透光 部分，厚度約部分，厚度約 2 10 m ；用重金屬材料如；用重金屬材料如 Au、Pt、W、Ta 等等 制作不透光部分，厚度約制作不透光部分，厚度約 0.2 0.5 m 。 表面摻硼表面摻硼背面氧化背面氧化 N - Si 背面光刻背面光刻正面蒸金正面蒸金 光刻金光刻金腐蝕硅腐蝕硅 由

33、于透光與不透光的材料之間存在較大的應力，使掩模版由于透光與不透光的材料之間存在較大的應力，使掩模版 的精度受到影響。正在開發(fā)楊氏模量較大的金剛石作為基片，的精度受到影響。正在開發(fā)楊氏模量較大的金剛石作為基片， 但價格昂貴，加工困難。由于不能采用縮小曝光，給制版造成但價格昂貴，加工困難。由于不能采用縮小曝光，給制版造成 困難。此外，掩模版的清洗和維修問題也沒有解決。因此至今困難。此外，掩模版的清洗和維修問題也沒有解決。因此至今 尚無商業(yè)化的尚無商業(yè)化的 X 射線掩模版的供應。射線掩模版的供應。 原來預計，對于原來預計，對于 0.5 m 以下的細線條，必須使用以下的細線條，必須使用 X 射線曝射線

34、曝 光。但是隨著移相掩模等光學曝光技術的新發(fā)展，使光學曝光光。但是隨著移相掩模等光學曝光技術的新發(fā)展，使光學曝光 技術的分辨率極限進入亞波長范圍，甚至達到技術的分辨率極限進入亞波長范圍，甚至達到 0.1 m 以下，從以下，從 而使而使 X 射線曝光在大規(guī)模集成電路制造中的實際大量應用將繼射線曝光在大規(guī)模集成電路制造中的實際大量應用將繼 續(xù)推遲。續(xù)推遲。 3、可穿透塵埃，對環(huán)境的凈化程度的要求稍低。、可穿透塵埃，對環(huán)境的凈化程度的要求稍低。 1、X 射線源射線源 2、X 射線難以偏轉(zhuǎn)與聚焦，本身無形成圖形的能力，只能射線難以偏轉(zhuǎn)與聚焦，本身無形成圖形的能力，只能 采用接近式曝光方式，存在半影畸變

35、與幾何畸變；采用接近式曝光方式，存在半影畸變與幾何畸變； 3、薄膜型掩模版的制造工藝復雜，使用不方便。掩模版本、薄膜型掩模版的制造工藝復雜，使用不方便。掩模版本 身仍需用傳統(tǒng)的光學或電子束方法制造；身仍需用傳統(tǒng)的光學或電子束方法制造； 接近式接近式 X 射線曝光的射線曝光的 1、可忽略衍射效應和駐波效應，分辨率較高；、可忽略衍射效應和駐波效應，分辨率較高； 2、曝光效率高；、曝光效率高； 4、對硅片有損傷。、對硅片有損傷。 深紫外光（深紫外光（DUV）曝光的波長下限是）曝光的波長下限是 170 nm ，這是因為，這是因為 當波長小于當波長小于 170 nm 時，在這一范圍內(nèi)唯一可用于掩模版透光

36、時，在這一范圍內(nèi)唯一可用于掩模版透光 部分的玻璃或石英材料會大量吸收光波能。因此即使在使用了部分的玻璃或石英材料會大量吸收光波能。因此即使在使用了 移相掩模等先進技術后，利用移相掩模等先進技術后，利用 DUV 折射成像曝光所能獲得的折射成像曝光所能獲得的 最細線寬只能到最細線寬只能到 0.1 m。另一方面，。另一方面，X 射線由于難以進行折射射線由于難以進行折射 和反射，只能采用和反射，只能采用 1:1 接近式曝光，掩模版的制作極為困難，接近式曝光，掩模版的制作極為困難， 掩模版與晶片之間縫隙的控制也很不容易。掩模版與晶片之間縫隙的控制也很不容易。 近年來，在能對波長較長的所謂近年來，在能對波

37、長較長的所謂 進行反射進行反射 的反射鏡的研制上取得了重要進展。出現(xiàn)一種采用波長為的反射鏡的研制上取得了重要進展。出現(xiàn)一種采用波長為 13 nm 的軟的軟 X 射線的射線的 4:1 全反射縮小投影曝光技術，獲得了全反射縮小投影曝光技術，獲得了 0.1 m 線寬的圖形。此技術后來被命名為線寬的圖形。此技術后來被命名為 （EUVL）。）。 要將要將 EUVL 概念轉(zhuǎn)化為概念轉(zhuǎn)化為 0.1 m 設計規(guī)則的技術，需要解決設計規(guī)則的技術，需要解決 以下多項關鍵技術難題。以下多項關鍵技術難題。 晶片晶片 多涂層多涂層 EUV 反射反射 成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) EUV 光束光束 多涂層多涂層 EUV 反射反射 聚

38、光系統(tǒng)聚光系統(tǒng) 高功率高功率 激光器激光器 激光激光 激發(fā)激發(fā) 等離等離 子體子體 掩模版掩模版 可選擇的可選擇的 EUV 光源有三種：電子碰撞光源有三種：電子碰撞 X 射線源、激光產(chǎn)生射線源、激光產(chǎn)生 的等離子體光源和電子同步加速器輻射源的等離子體光源和電子同步加速器輻射源 。從商業(yè)角度，目前。從商業(yè)角度，目前 最被看好的是激光產(chǎn)生的等離子體光源最被看好的是激光產(chǎn)生的等離子體光源 ，因為這種光源有豐富，因為這種光源有豐富 的軟的軟 X 射線。這種光源的開發(fā)需解決以下三個問題，射線。這種光源的開發(fā)需解決以下三個問題， 1、高平均功率激光器的開發(fā)；、高平均功率激光器的開發(fā)； 2、從激光到、從激光

39、到 EUV 輻射的轉(zhuǎn)換效率；輻射的轉(zhuǎn)換效率； 3、無殘碎片，以防止聚光系統(tǒng)被損傷或被涂復、無殘碎片，以防止聚光系統(tǒng)被損傷或被涂復 光學研究表明，采用疊片的方式可以獲得共振反射，從而光學研究表明，采用疊片的方式可以獲得共振反射，從而 得到很高的反射率得到很高的反射率 。光波波長。光波波長與疊片的等效周期與疊片的等效周期 D 以及入射以及入射 角角 之間應滿足之間應滿足 Bragg 方程方程 sin2D 當波長很短時當波長很短時 ，多層疊片可以用多層涂層來實現(xiàn)，多層疊片可以用多層涂層來實現(xiàn) 。EUV 光刻技術最大的單項突破就是開發(fā)出了精確的多層涂復技術，光刻技術最大的單項突破就是開發(fā)出了精確的多層

40、涂復技術， 使對使對 EUV 的反射率超過了的反射率超過了 60%。 常用涂層材料有常用涂層材料有 “Mo-Si” 系統(tǒng)與系統(tǒng)與 “Mo-Be” 系統(tǒng)。已經(jīng)系統(tǒng)。已經(jīng) 用用“ Mo-Si ” 涂層制成直徑為涂層制成直徑為 4 英寸的反射鏡，在波長為英寸的反射鏡，在波長為 13.4 nm 時的反射率為時的反射率為 65 0.5 % ，涂層周期為，涂層周期為 6.95 0.03 nm 。 EUV 涂層的技術必須滿足以下要求涂層的技術必須滿足以下要求 1、能做出具有高反射率的涂層；、能做出具有高反射率的涂層； 2、能在反射鏡表面各處均勻精確地控制多涂層的周期；、能在反射鏡表面各處均勻精確地控制多涂層

41、的周期； 3、能精確控制不同反射鏡的多涂層周期；、能精確控制不同反射鏡的多涂層周期； 4、能在掩模版上淀積無缺陷的多涂層；、能在掩模版上淀積無缺陷的多涂層； 5、涂層必須長期穩(wěn)定，能經(jīng)受住長時間、涂層必須長期穩(wěn)定，能經(jīng)受住長時間 EUV 輻射的損傷輻射的損傷 及熱效應的影響。及熱效應的影響。 縮小的光學成像系統(tǒng)的制造與計量是縮小的光學成像系統(tǒng)的制造與計量是 EUV 技術中最困難技術中最困難 的光學課題。光學系統(tǒng)的部件必須滿足的光學課題。光學系統(tǒng)的部件必須滿足 1、采用極低熱膨脹系數(shù)的材料制成；、采用極低熱膨脹系數(shù)的材料制成； 2、反射鏡的精度與表面光潔度均應達到、反射鏡的精度與表面光潔度均應達

42、到 0.1 nm 的水平。的水平。 反射鏡數(shù)量的選擇：為達到最佳成像質(zhì)量和最大像場，應反射鏡數(shù)量的選擇：為達到最佳成像質(zhì)量和最大像場，應 采用盡可能多的反射鏡，但受到光傳輸效率的限制，所以必須采用盡可能多的反射鏡，但受到光傳輸效率的限制，所以必須 在大象場的成像質(zhì)量和曝光效率之間作折中考慮。在大象場的成像質(zhì)量和曝光效率之間作折中考慮。 已報道了一種已報道了一種 4 鏡面的反射縮小系統(tǒng)，鏡面的反射縮小系統(tǒng)，NA = 0.08 ，像場，像場 縫寬為縫寬為 1 mm，圖形分辨率優(yōu)于，圖形分辨率優(yōu)于 0.1 m 。 對全反射系統(tǒng)來說，掩模版的對全反射系統(tǒng)來說，掩模版的 “ 透光透光 ” 部分為有多涂層

43、部分為有多涂層 的部分，的部分，“ 不透光不透光 ” 部分則是覆蓋在多涂層上的已制成所需部分則是覆蓋在多涂層上的已制成所需 圖形的金屬吸收層。襯底可用硅晶片來制作。圖形的金屬吸收層。襯底可用硅晶片來制作。EUV掩模版的制掩模版的制 作過程，是先在作為襯底的硅晶片上淀積多涂層反射層，接著作過程，是先在作為襯底的硅晶片上淀積多涂層反射層，接著 淀積一層保護性過渡薄層及一層金屬吸收層。然后通過電子束淀積一層保護性過渡薄層及一層金屬吸收層。然后通過電子束 光刻工藝在多涂層的上面刻蝕出所需的金屬吸收層圖形。光刻工藝在多涂層的上面刻蝕出所需的金屬吸收層圖形。 制作無缺陷的掩模版是制作無缺陷的掩模版是 EU

44、VL 技術中最具挑戰(zhàn)性的要求。技術中最具挑戰(zhàn)性的要求。 對普通掩模版的各種缺陷修復方法都無法用于多涂層掩模版，對普通掩模版的各種缺陷修復方法都無法用于多涂層掩模版， 唯一的途徑就是在大面積范圍內(nèi)實現(xiàn)無缺陷多涂層淀積。為了唯一的途徑就是在大面積范圍內(nèi)實現(xiàn)無缺陷多涂層淀積。為了 制作成品率大于制作成品率大于 90% 的掩模版的掩模版 ，要求多涂層淀積工藝的缺陷，要求多涂層淀積工藝的缺陷 密度小于密度小于 10 -3 個個/cm2 。 由于光刻膠對由于光刻膠對 EUV 的吸收深度很淺，只能在光刻膠的表的吸收深度很淺，只能在光刻膠的表 面成像，因此必須采用相應的表面成像工藝，例如表面層很薄面成像，因此

45、必須采用相應的表面成像工藝，例如表面層很薄 的雙層甚至三層光刻膠技術。的雙層甚至三層光刻膠技術。 此外，此外，EUV 光刻膠需要很高的靈敏度。為達到足夠的生產(chǎn)光刻膠需要很高的靈敏度。為達到足夠的生產(chǎn) 效率，效率， EUV 光刻膠的靈敏度應優(yōu)于光刻膠的靈敏度應優(yōu)于 5mJ/cm2 。 投影電子束曝光技術既有電子束曝光分辨率高的優(yōu)點，又投影電子束曝光技術既有電子束曝光分辨率高的優(yōu)點，又 有投影曝光所固有的生產(chǎn)效率高成本低的優(yōu)點，因而是目前正有投影曝光所固有的生產(chǎn)效率高成本低的優(yōu)點，因而是目前正 積極研究開發(fā)的一種技術。積極研究開發(fā)的一種技術。 原理：電子槍發(fā)射的電子原理：電子槍發(fā)射的電子 束經(jīng)聚焦

46、透鏡后形成準直電子束經(jīng)聚焦透鏡后形成準直電子 束流，照射到掩模版上，穿過束流，照射到掩模版上，穿過 掩模透明部分的電子束再經(jīng)過掩模透明部分的電子束再經(jīng)過 投影透鏡縮小后，在晶片上獲投影透鏡縮小后，在晶片上獲 得縮小的掩模轉(zhuǎn)印圖形。得縮小的掩模轉(zhuǎn)印圖形。 由于曝光視場不大（一般由于曝光視場不大（一般 為為 33 mm2 ），所以工件臺），所以工件臺 也需作步進移動。也需作步進移動。 電子槍電子槍 光閘光閘 聚焦透鏡聚焦透鏡 投影透鏡投影透鏡 掩模版掩模版 晶片晶片 電子束電子束 投影電子束曝光的投影電子束曝光的 1、波長短，分辨率高，線寬可小于、波長短，分辨率高，線寬可小于 0.1 m ； 2、

47、生產(chǎn)效率高；、生產(chǎn)效率高； 3、對電子束的控制簡單。、對電子束的控制簡單。 1、掩模版制造困難。、掩模版制造困難?！巴该魍该鳌?部分最好是空的。這是限部分最好是空的。這是限 制投影電子束曝光的實際應用的主要障礙；制投影電子束曝光的實際應用的主要障礙； 2、對準問題、對準問題 在投影電子束光刻中，最有希望的技術之一被稱為角度限在投影電子束光刻中，最有希望的技術之一被稱為角度限 制散射投影電子束光刻（制散射投影電子束光刻（Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithorgraphy, ），它是），它是 利用散射反差

48、的對比來產(chǎn)生圖形。掩模版的透明區(qū)用低利用散射反差的對比來產(chǎn)生圖形。掩模版的透明區(qū)用低 Z 材料材料 制成，不透明區(qū)用高制成，不透明區(qū)用高 Z 材料制成。不透明區(qū)不是吸收電子而是材料制成。不透明區(qū)不是吸收電子而是 以足夠大的角度散射電子，使之被光闌阻擋。這就允許使用極以足夠大的角度散射電子，使之被光闌阻擋。這就允許使用極 高的能量，從而使低高的能量，從而使低 Z 材料區(qū)幾乎完全透明。材料區(qū)幾乎完全透明。 掩模版的透明區(qū)通常是富硅的氮化硅，厚約掩模版的透明區(qū)通常是富硅的氮化硅，厚約 0.1 m 。不透。不透 明區(qū)可采用明區(qū)可采用 W/ /Cr，厚約，厚約 0.05 m 。 低電子流密度可獲低電子流

49、密度可獲 得極好的圖像質(zhì)量，而高電子流密度可獲得合理的生產(chǎn)效率。得極好的圖像質(zhì)量，而高電子流密度可獲得合理的生產(chǎn)效率。 當將離子束應用于曝光時，其加工方式有當將離子束應用于曝光時，其加工方式有 1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式、聚焦方式 （直寫方式、掃描方式）（直寫方式、掃描方式） 3、接近式、接近式 聚焦離子束光刻機的基本原理與直寫電子束光刻機大體相聚焦離子束光刻機的基本原理與直寫電子束光刻機大體相 同，不同之處有同，不同之處有 1、由、由 LMIS（單體或共晶合金）代替電子槍；（單體或共晶合金）代替電子槍； 2、必須使用質(zhì)量分析系統(tǒng)；、必須使用質(zhì)量分析系統(tǒng)； 3

50、、通常采用靜電透鏡和靜電偏轉(zhuǎn)器；、通常采用靜電透鏡和靜電偏轉(zhuǎn)器； 4、主高壓的范圍較寬，可以適用于曝光、刻蝕、注入等、主高壓的范圍較寬，可以適用于曝光、刻蝕、注入等 各種不同用途。各種不同用途。 1、離子的質(zhì)量大，因此波長更短，可完全忽略衍射效應；、離子的質(zhì)量大，因此波長更短，可完全忽略衍射效應； 2、離子的速度慢，穿透深度小，曝光靈敏度高。對于各種、離子的速度慢，穿透深度小，曝光靈敏度高。對于各種 電子束光刻膠，離子束的靈敏度均比電子束高近兩個數(shù)量級，電子束光刻膠，離子束的靈敏度均比電子束高近兩個數(shù)量級， 因此可縮短曝光時間，提高生產(chǎn)效率；因此可縮短曝光時間，提高生產(chǎn)效率； 3、離子的質(zhì)量大

51、，因此散射很小，由散射引起的鄰近效應、離子的質(zhì)量大，因此散射很小，由散射引起的鄰近效應 小，有利于提高分辨率；小，有利于提高分辨率； 4、當采用與、當采用與 X 射線類似的接近式曝光時，無半影畸變與射線類似的接近式曝光時，無半影畸變與 幾何畸變；幾何畸變； 5、可以利用、可以利用 FIB 技術直接在硅片上進行離子束刻蝕或離子技術直接在硅片上進行離子束刻蝕或離子 注入，而完全擺脫掩模版與光刻膠；注入，而完全擺脫掩模版與光刻膠； 6、有增強腐蝕作用、有增強腐蝕作用 被被 H+ 離子照射過的離子照射過的 SiO2 層，其腐蝕速率比未照射區(qū)的高層，其腐蝕速率比未照射區(qū)的高 約約 5 倍。這就有可能不用

52、光刻膠，在定域曝光后直接進行定域倍。這就有可能不用光刻膠，在定域曝光后直接進行定域 腐蝕。另一種可能的用途是，利用增強腐蝕作用把很薄的腐蝕。另一種可能的用途是，利用增強腐蝕作用把很薄的 SiO2 層作為無機正性光刻膠使用，并將其用作雙層膠的頂層膠。層作為無機正性光刻膠使用，并將其用作雙層膠的頂層膠。 離子束離子束 腐蝕腐蝕 SiO2 ， 相當于頂層相當于頂層 膠的顯影膠的顯影 1、對準問題。與電子束相比，離子束的穿透力小，不易穿、對準問題。與電子束相比，離子束的穿透力小，不易穿 過膠層達到晶片上的對準標記。另一方面，因離子束的散射也過膠層達到晶片上的對準標記。另一方面，因離子束的散射也 小，很

53、難獲得來自對準標記的信息；小，很難獲得來自對準標記的信息； 2、離子的質(zhì)量大，偏轉(zhuǎn)掃描的速度慢；、離子的質(zhì)量大，偏轉(zhuǎn)掃描的速度慢； 3、LMIS 能散度較大，給離子光學系統(tǒng)的設計帶來困難；能散度較大，給離子光學系統(tǒng)的設計帶來困難； 4、對于投影離子束曝光，掩模版是關鍵問題。由于離子的、對于投影離子束曝光，掩模版是關鍵問題。由于離子的 散射比電子小，從這個意義上說，離子束掩模版的制造難度比散射比電子小，從這個意義上說，離子束掩模版的制造難度比 電子束掩模版的要小一些。透光部分可采用電子束掩模版的要小一些。透光部分可采用 0.1 m 0.2 m 的的 Al2O3 薄膜，或薄膜，或 1 m 左右的單晶硅溝道掩模。左右的單晶硅溝道掩模。 各種光源的比較各種光源的比較 光譜光譜 波長波長 （nm) 曝光方式曝光方式 光刻光刻 膠膠 掩模材料掩模材料 分辨率分辨率 紫外光紫外光 365、 436 各種有掩各種有掩 模方式模方式 光致光致 玻璃玻璃/ /Cr 0.5 m 深紫外光深紫外光 193、 248 各種有掩各種有掩 模方式模方式 電子電子 石英石英/ /Cr、 石英石英/ /Al 0.2 m 極紫外光極紫外光 10 15 縮小全縮小全 反射反射 電子電子多涂層反射層多涂層反射層 / /金屬吸收層金屬吸收層 0.1 m