電子束曝光技術(shù)及其應(yīng)用綜述

引言在過去的幾年中，微電子技術(shù)已進(jìn)展到深亞微米階段，并正在向納米階段推動(dòng)。在此期間，與微電子領(lǐng)域/納加工技術(shù)得到了飛速進(jìn)展，如圖形曝光〔光刻〕技術(shù)、材料刻蝕技術(shù)、薄膜生成技術(shù)、離子注入技術(shù)和粘結(jié)互連技術(shù)等。在這些加工技術(shù)中，圖形曝光技術(shù)是微電子制造技術(shù)進(jìn)展的主要推動(dòng)者，正是由于曝光圖形的區(qū)分率和套刻精度的不斷提高，促使集成電路集成度不斷提高和制備本錢持續(xù)降低[1]。ICIC產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)展做出了巨大奉獻(xiàn)。通過一系列技術(shù)創(chuàng)，承受超紫外準(zhǔn)分子激光〔193/157nm〕的光學(xué)曝光機(jī)甚至已將器件尺寸進(jìn)一步推動(dòng)公司〕，NSR-203B〔Nikon公司〕和FPA-50公司[2～3]。四種電子束曝光系統(tǒng)〔極大類，其中掃描曝光系統(tǒng)是電子束在工件面上掃描直接產(chǎn)生圖形，區(qū)分率高，生產(chǎn)率低。投影曝光系統(tǒng)實(shí)為電子束圖形復(fù)印系統(tǒng)，它將掩模圖形產(chǎn)生的電子像按原尺寸或縮小后復(fù)印到工件上，因此不僅保持了高區(qū)分率，而且提高了生產(chǎn)率。基于改進(jìn)掃描電鏡〔SEM〕的電子束曝光系統(tǒng)SEM根底上改裝進(jìn)展起來的SEM改裝為曝光機(jī)的工作取得了重要進(jìn)展。如圖1所示，主要改裝工作是設(shè)計(jì)一個(gè)圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，并配備一臺(tái)PC機(jī)。PC機(jī)通過圖形發(fā)終在工件上描繪出所要求的圖形。通常承受矢量掃描方式描繪圖形，即在掃描場內(nèi)以矢量方式移動(dòng)電子束，在單元圖形內(nèi)以光柵掃描填充。SEM改裝系統(tǒng)的功能接近于專用電子束曝光機(jī)，但由于受到視場小、速度低及自動(dòng)化程1SEM改裝型電子束曝光系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。高斯電子束掃描系統(tǒng)矢量掃描方式到完成全部外表圖形的描繪。16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔DAC〕12DAC2所示。系統(tǒng)的1nm以下，但生產(chǎn)率遠(yuǎn)低于光學(xué)曝光系統(tǒng)，并隨著圖形密〔LSI〕生產(chǎn)線[7]2給出了幾種典型高斯掃描系統(tǒng)的型號(hào)和主要技術(shù)指標(biāo)。光柵掃描系統(tǒng)Etec400A/cm2的束電流密度，工XY的位置誤差。由于承受了工件臺(tái)連續(xù)移動(dòng)、大束斑快速充填、高亮度熱場致放射陰極等技術(shù)，極大地提高了掃描系統(tǒng)生產(chǎn)率，且生產(chǎn)率不受圖形密度的影響。成型電子束掃描系統(tǒng)成形電子束曝光系統(tǒng)按束斑性質(zhì)可分成固定和可變成形束系統(tǒng)。固定成形束系統(tǒng)在曝光時(shí)束斑外形和尺寸始終不變；可變成形束系統(tǒng)在曝光時(shí)束斑外形和尺寸可不斷變化。按掃描方式，成形電子束曝光系統(tǒng)又可3所示為一種尺寸可變的矩形束斑的形成原理，電子束經(jīng)上方光闌后形成一束方形電子束，再照耀到下方方孔光闌上。在偏轉(zhuǎn)器上加上不同的電壓，就能轉(zhuǎn)變穿過下方孔光闌的矩形束斑的尺寸，形成可變的矩形束斑；承受特別設(shè)計(jì)的成形光闌，還可形成三角形、梯形、圓形及多邊100nm，但曝光效率高，目前廣泛用于微米、亞微米及3中列出了幾種典型成型束系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商和主要技術(shù)指標(biāo)。投影電子束掃描系統(tǒng)0.2μm左右，難以制作納米級(jí)圖形。近年來研發(fā)的投影電子研制中的投影式電子束曝光系統(tǒng)主要有兩種。4SiNx薄膜構(gòu)成的掩膜上，薄膜SiNxW/Cr兩種原子序數(shù)不同的材料時(shí)，產(chǎn)生大小不同的散射角。在掩模下方縮小透鏡焦平面上設(shè)置大小肯定的光闌時(shí)，通過光闌孔的主要是小散射角的電子，而大散射角的電子則大多數(shù)被遮擋，于是在工件面上得到了縮小的掩模圖形。再經(jīng)過分布重復(fù)技術(shù)，將縮小圖形逐塊拼接成所要的圖形。近期承受散射型掩模取代了吸取型鏤空掩模，以及承受角度限制光闌技術(shù)使SCA0.1μm以下器件大規(guī)模生產(chǎn)的主要[8]。IBM公司合作爭論的下一代投影曝光技術(shù)——PREVAIL，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是承受可變軸浸沒透鏡，對(duì)以硅為支架的碳化硅薄膜進(jìn)展投影微縮曝光。由于將大量平行像素投影和掃描探測成形相[9]。通過這項(xiàng)技術(shù)可望研制出高區(qū)分率與高生100nm～50nm電子束曝光。四種電子束掃描系統(tǒng)比照分析與應(yīng)用見表4。幾項(xiàng)進(jìn)展中的電子束曝光技術(shù)基于DSP的型圖形發(fā)生器DSP芯片為主體，上位機(jī)通過增加并行接口〔EPP〕連接通信協(xié)議掌握器。DSP和計(jì)EPROM〔可編程只讀存儲(chǔ)器〕用來存放掌握DSPDSP內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至相換器的模擬量經(jīng)求和后送至偏轉(zhuǎn)放大器，由偏轉(zhuǎn)放大器掌握電子束在硅片上〔或掩模上〕掃描曝光圖形。VSXPGDSP處理器，高精度地實(shí)現(xiàn)了圓形、橢圓形、拋物線和雙曲線圖形的曝光。電子束直接光刻技術(shù)無掩模電子束直接光刻〔EBDW〕預(yù)先要制作晶片位置標(biāo)記和芯片套刻標(biāo)記及工件臺(tái)標(biāo)定，以確定晶片位EBDW存在生產(chǎn)率低的缺點(diǎn)限制了它在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。雙層抗蝕劑曝光工藝像就有了更多的要求，如更高的曝光區(qū)分率，更簡單、準(zhǔn)確的抗蝕劑層截面外形。此時(shí)，常規(guī)的單層抗蝕劑曝光工藝就難以滿足這些特別要求，這就需要承受更為簡單的雙層抗蝕劑的曝光顯影和刻蝕等復(fù)合工藝來完成。。歸結(jié)起來，用于光刻的多層抗蝕劑系統(tǒng)有以下方式：①利用相對(duì)分子質(zhì)量不同的兩種一樣成分抗蝕劑作雙層抗蝕劑系統(tǒng)，用同一種曝光方式曝光顯影，如圖5〔a〕所示；②利用兩種不同類型的抗蝕劑作雙層抗蝕5〔b〕；③用兩種不同類型的抗蝕劑組成雙層抗蝕劑系統(tǒng)，5〔c〕；④用幾種抗蝕劑聯(lián)合組成多層抗蝕劑系統(tǒng)，最頂層是靈敏抗蝕劑，用一種曝光方式曝光制圖，而下面的幾層分別用離子方法刻蝕。鄰近效應(yīng)修正技術(shù)直接使用電子束光刻技術(shù)難以得到接近其理論極限的納米尺度圖形[10]。[11]。依據(jù)不同幅員設(shè)計(jì)，有多種方法減小鄰近效應(yīng)；假設(shè)圖形密度和線寬都較全都，可以通過調(diào)整整體劑量曝光出適宜尺寸的圖形；選用高比照度膠也50～100kV甚至更高的加速電壓，也可以減小前散射電子，但有時(shí)會(huì)增加背散射電子?！睸PECTRE〕是目前常用的一種技術(shù)，通過同時(shí)對(duì)內(nèi)區(qū)各部位的顯影程度全都的目的。電子束曝光技術(shù)的應(yīng)用用于掩模版制造隨著器件的特征尺寸不斷縮小，在掩模版制造中普遍承受電子束曝光和激光光刻設(shè)備，在這兩類設(shè)備中，0.2μm左右，可以用來制特別是用于光學(xué)光刻中的鉻版制造。在掩模版制造中應(yīng)用電子束曝光機(jī)，由于不需要屢次套準(zhǔn)，只要用激光干預(yù)儀掌握就可以保證掩模制造所Y向的精度和旋轉(zhuǎn)正交性的基準(zhǔn)標(biāo)記永久地設(shè)置在工件臺(tái)邊緣成像平面上。在掩模版制造開頭過程中必需按規(guī)定常常返回基準(zhǔn)標(biāo)記位置進(jìn)展校正，才能保證精度。掩模版制6所示。用于微電子機(jī)械、電子器件制造IC工藝兼容的技術(shù)，例如光刻、刻蝕、淀積、集中、離子注入等，特別是對(duì)于制作象微電機(jī)、微泵等機(jī)械構(gòu)造及包括微傳感器、微執(zhí)行器和相關(guān)電路往往要承受屢次光刻，而電子束光刻具有易于修改，無需制作掩模的優(yōu)點(diǎn)，因此電子束光刻比常規(guī)工藝更有優(yōu)勢。隨著微機(jī)械尺寸進(jìn)入納米級(jí)范圍，ERDW系統(tǒng)及能形成大深寬比膠圖形的電子束投影曝光系統(tǒng)〔如SCALLIGAMEMS時(shí)，在形成特種、大深寬比構(gòu)造時(shí)使用的掩模版可以由電子束投影曝光制造。GaAsIC、光波導(dǎo)器件的小批量生產(chǎn)[12]，如肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管要求柵極很窄、柵極與源漏之間對(duì)準(zhǔn)嚴(yán)格。利用電子束刻蝕時(shí)，先作出柵極和源漏極圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，再用周密的電子束實(shí)以下柵的制備，從而保證極高的套刻精度。制作全息圖形電子束與光束一樣具有波動(dòng)性，利用電子的波動(dòng)性和干預(yù)原理能夠制作精細(xì)的全息圖形。其原理是：先借助近年來研制的高亮度熱場致放射〔TFE〕電子源產(chǎn)生的高能量電子束，再經(jīng)兩級(jí)透鏡會(huì)聚后，穿過電子〔100nm〕，假設(shè)再設(shè)置兩個(gè)正交的雙棱鏡