基于SEM的電子束光刻技術開發及研究

電子束光刻（e-beam lithography，EBL）是無掩膜光刻的一種，它利用波長極短的聚焦電子直接作用于對電子敏感的光刻膠（抗蝕劑）表面繪制形成與設計圖形相符的微納結構。電子束光刻系統有著超高分辨率（極限尺寸＜10nm的圖形轉?。┖挽`活作圖（可直寫無需掩模）的優點，但因曝光效率低，控制復雜，致使電子束光刻更多應用于制作光刻掩模板、先進的原理樣機和納米級的科學研究及開發。

基于電鏡的光刻技術

電子束用于光刻已有幾十年的歷史，幾乎所有現代電子或離子顯微鏡，包括掃描電鏡(SEM)、掃描透射電鏡(STEM)、聚焦離子束 (FIB) 和 SEM/FIB 雙束，都可以輕松的添加光刻系統。

電子束光刻已經有60多年的歷史了，幾乎是與光學曝光同步發展起來的，主要標志性的時間有下面幾條：1958年美國麻理工研究人員首次利用電子引起的碳污染形成刻蝕掩模，制作出高分辨率二維圖形結構；早在1965年就使用電子束曝光制作100nm的結構了；1968年PMMA被作為電子束光刻膠使用；1970年使用PMMA制作出0.15um聲表面波器件；1972年使用電子束光刻在硅表面做出橫截面為60X60nm鋁金屬線條。

現代電鏡能控制XY電子束位置，且都有配置電子束消隱器。多數情況下，標準的電鏡平臺都能通過數字接口進行控制，并用于光刻。非常重要的一點是，添加光刻系統并不會降低或限制電鏡在成像應用方面的功能或性能，因此，不需要對電鏡進行特殊定制?；陔婄R的EBL系統可以成為微米和納米制造方面非常通用的工具，也可用來觀察生成的結構。

SEM是光刻技術最常用的電鏡類型，雖然掃描隧道電鏡（STM）和原子力電鏡（AFM）光刻技術的研究工作已經完成，但這些電鏡尚未廣泛用于光刻。近年來，SEM-FIB雙束電鏡開始越來越多地用于光刻，利用雙束，光刻系統可以控制電子束或離子束，從而提供比單束系統更強的制造能力。

SEM的電子源

SEM中的電子源有兩種：

傳統電子源使用發夾鎢燈絲或六硼化鑭（LaB6）單晶尖端

場發射（FE）電子源——冷場或肖特基熱場

早期，由于成本較低，傳統電子源的電鏡一直是光刻技術中最廣泛使用的型號，然而，使用冷場或熱場發射電子源的SEM，不僅成像效果更好，而且光刻效果也更好。

在選擇用于光刻的兩種傳統電子源時，主要考慮成本、便利性、亮度和穩定性。鎢燈絲的使用壽命通常為40-200小時，而LaB6電子源的使用壽命通常要長得多。雖然鎢絲的更換成本低于LaB6電子源，但兩者的總體成本大致相同。在相同的束斑尺寸下，LaB6電子源的電流比鎢燈絲高出3到10倍，因此光刻速度更快；LaB6電子源的穩定性為每小時3%，而鎢絲的穩定性為每小時1%。這些電子源的極限光刻線寬基本相同；使用LaB6電子源的SEM更容易優化，因為亮度更高，可以使用更大的電子束電流，但鎢燈絲電子源的穩定性更好。

在選擇冷場電子源或熱場電子源作為光刻應用時，理由就相對簡單。熱場電子源在3-10小時內的穩定性通常為~1%，而冷場電子源本身不穩定，在幾分鐘內可能變化±5%，在一小時內可能變化±20%或更多。此外，冷場射源需要定期"閃爍"，電子束需要1-2小時才能相對穩定，通常會隨著電子槍中的真空度降低而變得越來越不穩定。雖然冷場電子源的成像分辨率可能優于熱場電子源，但對于光刻應用來說，冷場電子源的不穩定性是一個顯著的缺點（隨著技術的進步，冷場SEM的穩定性有了很大的提升）。即便如此，在沒有熱場SEM可用的情況下，使用冷場SEM 進行光刻仍然是值得的。

電子束光刻的關鍵參數

最小束直徑：直接影響曝光圖形的最小尺寸?？赏ㄟ^調整以下措施獲得更小的束斑直徑，①設置盡量高的加速電壓 ②采用較小尺寸的光闌孔徑 ③采用小的工作距離 ④設置小的掃描場 ⑤設置小的曝光步長

加速電壓：一般是10~100kv加速電壓越高，分辨率越高，曝光產生的鄰近效應越小，可曝光更厚的抗蝕劑。

電子束流：束流越大曝光速度越快，最大曝光速度受掃描頻率限制，大束流的束斑也會較大

掃描速度：掃描速度越快曝光速度越快，以頻率表示（如：50MHz）

掃描場大小：掃描場大，則曝光圖形大部分可在掃描場內曝光，避免掃描場拼接引起的誤差還有工作臺移動精度、套準精度、場拼接精度等。

利用傳統的電子束光刻加工技術實現的最細線寬通常在10~100 nm 之間（目前已可以實現＜10nm），其中電鏡是決定性能的主要因素。較小的線寬通常使用30 kV FE SEM、40 kV LaB6 SEM或 ≥100kv STEM 來實現，而低性能、低成本SEM的最小特征尺寸可能為50-100 nm。除了電鏡性能外，決定最終分辨率的主要因素還包括光刻膠和基底的類型、加速電壓和束流、寫入場大小以及用戶對電鏡的參數優化。

基于SEM的光刻系統

電子束光刻技術起源于掃描電鏡，是基于聚焦電子束掃描原理的圖形轉印技術。電子束光刻系統由電子槍、電子透鏡、電子偏轉器3個基本部件以及真空系統、工件臺控制系統等部件組成，電子槍用于產生能被控制和聚焦的電子。



圖1 電子束曝光系統

在以研究應用為主要用途的情況下，基于SEM的光刻系統與專用電子束寫入系統相比具有許多優勢，這些優勢包括成本、易用性、維護和多功能性。典型的SEM可產生從約 200 eV到30 kV 的加速電壓，并可根據不同應用的需要輕松更換。

4.1 電子束光刻模式：

矢量或光柵寫入（高斯與異形）

在SEM正常圖像采集過程中，電子束在整個圖像區域內從上到下進行光柵掃描，圖像中的每條線都是從左至右掃描的。如果電子束在掃描每條光柵線時都能根據需要進行消隱，就可以用類似的光柵進行光刻。然而，基于SEM的光刻系統使用的是矢量寫入方法，電子束在任意方向移動，只掃描需要曝光的區域。在完全實現矢量書寫的系統中，斜線和圓弧的電子束掃描方向是沿線或弧，填充區域不限于簡單的 XY 掃描。此外，為了實現最大的靈活性，基于SEM的光刻系統可以提供兩個獨立的曝光點間距參數，其中一個參數沿正在寫入的線或弧，而第二個參數沿垂直方向。



圖2 電子束光刻模式

對于基于SEM的光刻系統來說，使用矢量寫入模式可大大提高整體寫入速度，因為只需對曝光區域進行掃描。使用矢量寫入模式可以大大降低對電子束消隱器的要求，因為每個圖形元素只需要兩次電子束開啟/關閉事件。相比之下，光柵寫入模式需要非常精確的消隱，尤其是在寫入垂直于光柵線掃描方向的窄線時。

矢量寫入模式的一個獨特功能是，即使SEM沒有任何消隱器，也能完成圖案寫入，因為光刻系統可以在圖案元素之間快速跳轉電子束，因此在跳轉過程中，電子束路徑上的劑量微乎其微。下面將詳細討論不使用電子束消隱器的光刻技術。

光柵掃描采用高斯圓形束，電子束在整個掃描場里作連續逐點掃描，通過控制快門（束閘）的通斷來進行圖形的曝光。光柵掃描的優點是控制簡單，不需對偏轉系統進行控制。缺點是生產效率低。由于掃描場的范圍較小，必須配合工件臺的移動來完成曝光。

矢量掃描的優點是曝光效率高，只在有圖形區域進行掃描曝光，減少了鏡頭在非圖形區域所花費的時間的，而且可采用可變矩形束。缺點是控制系統復雜，因為矢量掃描必須對偏轉器進行控制，不像光柵掃描那樣采用固定的偏轉方式。 電子束光刻按電子束形狀可分為高斯束（圓形束）和變形電子束（矩形束），高斯束電子束通過單點的方式掃描實現曝光，曝光速度慢；而變形束通過不同形狀的光闌組合形成特定圖形的面束斑，一次曝光較大的面，使得曝光效率大大提高。



圖3 電子束光刻模式：高斯束與變形束

矢量掃描模式下，圖形的曝光時間與束斑投射次數有關，在固定高斯束（圓形束）斑模式下，需要進行24次投射。為了加快曝光速率，圖形可分解為最小基本圖形的組合，以最小基本圖形作為電子束斑的形狀。在這種修正束斑模式下只需要6次投射就可以了。但是在實際生產過程中圖形不是一成不變的，需要經常重設基本束斑形狀，因此需要一種更加靈活的投射方式。在可變束斑模式下，電子束斑可根據具體的圖形進行調整，改變束斑的基本形狀，投射次數減少到3次。



圖4 高壓高斯電子束極小尺度極高精度的加工能力

4.2 書寫速度

從根本上說，任何直接寫入系統的總體寫入速度都取決于電子束電流、光刻膠的靈敏度以及電子束在曝光區域移動的最大速度。對于大多數SEM來說，電子束電流可在10 pA~10 nA或更大范圍內變化，必須根據SEM的特性來選擇使用的電流。例如，有些SEM可以用1 nA的電流刻出50 nm的線，而另一些則可能需要用小于50 pA的電流才能達到相同的線寬。

大多數商用SEM光刻系統的電子束最大步頻為3MHz或更高。然而，典型的SEM電路可能被限制在較低的頻率。一般來說，如果光刻系統的速度比SEM掃描線圈快，那么最終的寫入速度將受材料、曝光條件和SEM的限制，而不是光刻系統的限制。如果掃描線圈 "跟不上"光刻系統的速度而導致圖案失真，解決辦法是減小電子束電流，從而使用較慢的書寫速度來提供所需的劑量。

4.3校準

先進的電鏡光刻系統提供手動和全自動對準功能。對準是通過對寫入區域內的選定區域進行成像，然后將光刻坐標系與樣品上的標記進行對準。一般來說，根據對準結果計算出2 × 2 變換矩陣和XY偏移。計算出這些參數后，就可以對曝光進行轉換，從而將曝光的圖案元素與樣品上的標記進行套準。典型的對準精度范圍為書寫區域的1:1,000 ~1:5,000，精度可低至20 nm。

當基于SEM的光刻系統包含強大的自動對準功能時，系統可以使用標準的自動電鏡平臺接近所需的位置，然后通過掃描套準標記自動對準到更高的精度。這樣，只需使用大多數SEM上的標準自動平臺，就能在每個區域進行數十、數百甚至數千個區域的全自動對準，從而實現 "步進-重復"曝光處理。

圖像信號與電子束消隱

幾乎每臺SEM都有圖像信號輸出，可用于光刻系統的圖像采集。雖然基本圖案書寫不需要圖像信號，但當光刻系統用于對準樣品上的現有標記時，則需要圖像信號。

理想情況下，SEM會配備一個具有快速重復率、快速上升/下降時間和最小開/關傳播延遲的電子束消隱器。用于前束光刻的靜電消隱器的典型參數是：重復頻率大于 1 MHz，上升/下降時間小于50 ns，傳播延遲小于100 ns；不過，速度較慢的消隱器也能派上用場。

雖然快速電子束消隱器對于光刻技術來說無疑是理想的，但在使用矢量寫入系統時，根本不需要任何消隱器。在沒有消隱器的情況下，光刻系統可以在圖案元素之間快速跳轉電子束，以至于在圖案元素之間的電子束路徑上接收到的劑量可以忽略不計。

但是，如果不使用消隱器，就會出現兩個主要問題。其一，在圖案位置之間，電子束總是會射向樣品。因此，在移動平臺時，必須小心考慮電子束擊中的位置。另一個問題是，當電子束在圖案元素之間跳轉時，掃描線圈需要一些時間才能在長時間跳轉后穩定在正確的位置上。如果電子束跳躍了很遠的距離，這可能會導致每個圖案元素起點的圖案失真。

在大多數SEM中，電子束跳躍3-10微米后幾乎不會出現變形，但跳躍時間較長時可能會出現明顯的變形。精心設計的光刻系統可以讓用戶通過定義電子束沉降的位置來最大限度地減少失真，從而最大限度地減少跳轉到所需圖案元素的長度。

當電鏡只有慢速電子束消隱器時，慢速消隱器可在曝光區域之間的平臺移動過程中使用。