（仪器科学与技术专业论文）一种低精度光刻扫描器的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 由于技术上的成熟以及广泛地应用，有掩模光刻技术一直都是占据着主导地 位，而以电子束扫描刻蚀为代表的无掩模刻蚀技术只是应用在特殊的领域，比如 高分辨率的少量的特殊器件、光刻掩模版的制造等。在某些领域，这种基于扫描 刻蚀的方法就表现出了相对的优势，因为不用考虑商业制造领域所需要的重要因 素，但目前这种无掩模刻蚀方法却并未得到很好地应用，所以本文的目的便是要 开展这方面的初步研究和探索。 本文首先对目前典型的光刻技术进行了介绍，分析了各种光刻技术的应用以 及技术特点，并着重从有无掩模方面进行比较，说明了无掩模刻蚀技术所表现出 的优势。电子束扫描刻蚀在无掩模刻蚀原理上有很多值得借鉴，所以对电子束刻 蚀系统中采用的典型扫描方式进行了彻底的剖析，目的是为获得一个适合本课题 的扫描方式。 本课题是要尝试利用光学光斑扫描的方法来实现无掩模光学刻蚀，所以采用 了电子束刻蚀技术中的光栅式的扫描曝光方式，由于本系统中采用的特殊实现方 法使得刻蚀精度，难以达到一般光学刻蚀能达到的高精度。为了能达到微型化、 高扫描频率的设计要求，在总体设计方案上提出了几种比较可行的硬件设计方案， 并最终选择尝试利用弹簧振子结构实现扫描运动的方案。 完整的弹簧振子扫描器中最关键的是弹簧振子和动力源，该方法能否实现就 取决于这两个关键部件的具体设计。通过建立数学模型分析弹簧振子结构的扫描 运动规律，同时为动力源的设计提供了指导，但从动力源的设计中可以发现这个 方法存在的不足之处。在系统建立与运行实验中指出了这些不足之处，并提出了 可能的改进方向。 关键词：有掩模刻蚀，无掩模刻蚀，电子束刻蚀，光栅式扫描，弹簧振子，动力源 重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t t e c h n i c a lp r o g r e s sa n dw i d ea p p l i c a t i o nh a v ea l w a y sb e e nk e e p i n gt h em a s k b a s e d o p t i c a ll i t h o g r a p h yi nd o m i n a n tp o s i t i o n w h i l et h er e p r e s e n t a t i v em a s k l e s sl i t h o g r a p h y b a s e do nd i r e c ts c a n n i n gl i k et h et y p i c a le l e c t r o n i c - b e a m ( e b ) l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y i sj u s ta p p l i e df o rs p e c i a lp u r p o s es u c ha st h ef a b r i c a t i o no fs p e c i a ld e v i c e sw i t l lh i 曲 r e s o l u t i o ni ns m a l lq u a n t i t ya n dm a s k sf o rp h o t o l i t h o g r a p h y h o w e v e r , i ns o m e c i r c u m s t a n c e s ，m a s k l e s sl i t h o g r a p h ys h o w si t ss o m ea d v a n t a g e sd u et ot h en e g l e c to f s o m ef a c t o r sw h i c ho nt h ec o n t r a r ya r ev e r yi m p o r t a n ti nd o m a i no fi n d u s t r y b u ta t p r e s e n tt h i sk i n do fm a s k l e s sl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yh a sn o tb e e nt a k e ni n t ow i d e a p p l i c a t i o n s ot h ep u r p o s eo ft h i st h e s i s i st of o c u so nt h er e s e a r c ho fm a s k l e s s l i t h o g r a p h yb a s e do nd i r e c ts c a n n i n g f i r s to fa l lt h i st h e s i si n t r o d u c e st h et y p i c a ll i t h o g r a p h yt e c h n o l o g i e sa n di l l u s t r a t e s t h e i rt e c h n i c a lf e a t u r e s a f t e rc o m p a r i n gd i f f e r e n c e sb e t w e e nm a s k l e s sl i t h o g r a p h ya n d m a s k - b a s e dl i t h o g r a p h y , t h ea d v a n t a g e so fm a s k l e s sl i t h o g r a p h ya r ee m p h a s i z e d t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fe bl i t h o g r a p h ya sat y p i c a lm a s k , l e s sl i t h o g r a p h yi sw o r t hu s i n g s ot h em a i ns c a n n i n gm e t h o d so f e bl i t h o g r a p h ys y s t e ma r et h o r o u g h l yi l l u s t r a t e d i nt h i st h e s i sw et r yt ou t i l i z es c a n n i n go fo p t i c a lf o c u s e ds p e c k l et oa c h i e v e p h o t o l i t h o g r a p h yw i mn om a s ka ta 1 1 s ow ea d o p tr a s t e r - s c a n n i n gm e t h o du s e di ne b l i t h o g r a p h ys y s t e m t h eo n l yd i f f e r e n c ei ss c a n n i n gi sa c h i e v e di nam e c h a n i c a lw a y t h ep r e c i s i o no fs y s t e mb a s e do nm e c h a n i c a ls c a n n i n gi sm u c hl o w e rt h a nt h a to f m a s k b a s e dl i t h o g r a p h ys y s t e m f o rt h es a k eo f m i e r o m a t i o n 、h i g hs c a n n i n gf r e q u e n c y , w eb r i n gf o r w a r daf e wf e a s i b l ed e s i g ns c h e m e sa n df i n a l l yw ew a n tt ot r yt om a k eu s e o f s p r i n g - b a s e dv i b r a t i o ns t r u c t u r et oa c h i e v es c a n n i n g s p r i n g - b a s e dv i b r a t i o ns t r u c t u r ea n de x t r i n s i cm o t i v a t i o na r em o s ti m p o r t a n tt w o p a r t si na ni n t e g r a t e ds c a n n i n gs y s t e ma n df e a s i b i l i t yo ft h i ss c a n n i n gs y s t e md e p e n d s o nt h ed e s i g no ft h e s et w op a r t s t h e nam a t hm o d e li sb u i l tf o rs p r i n g b a s e dv i b r a t i o n s t r u c t u r et oa n a l y z ei t sf e a t u r e sw h i c hw i l lg u i d et h ed e s i g no fe x t r i n s i cm o t i v a t i o n a s s t a t e di n t h i st h e s i s ，m a n yp r o b l e m sa r ef o u n dw h i c hm a yc a u s et h eo p e r a t i o no ft h i s d e s i g nu n s t a b l e i nt h ee n dis u m m a r i z em ya d v i c e sf o ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：m a s k - b a s e dl i t h o g r a p h y , m a s k l e s s l i t h o g r a p h y , e bl i t h o g r a p h y , r a s t e r - s c a n n i n g , s p r i n g - b a s e dv i b r a t i o ns t r u c t u r e , e x t r i n s i cm o t i v a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 邓大7 签字日期：妒7 年f 月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：邓大名 签字日期：岬年月印日 导师签名：织f 勃多 签字日期：伽哆年6 月e t 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 光刻技术是现代集成电路制造工艺的基础，它是若干工艺步骤中最为关键的 一步，光刻是生产线上成品率最低的一个工艺，同时它也是影响集成电路发展的 标志，每一次光刻技术的提高，都会给集成电路的发展带来质的飞跃，主要表现 在器件尺寸的进一步的减小和更高的功能密度，功耗的进一步降低和运算速度的 成倍提高，所以在集成电路制造的若干工艺中，光刻技术是主要的研究对象，注 意力都放在了如何提高光刻技术的性能以及探索新的光刻方法上。根据应用面的 不同，往往会采用不同的光刻方法。下面将说明一下光刻工艺以及典型的光刻技 术。 1 1 1 光刻工艺 光刻技术主要是负责在半导体材料上制作所需要的器件图形。比如有一块半 导体材料，希望在其特定的位置上掺杂来制作某种器件，首先会在这种材料的表 面涂上一层很薄的光刻胶，经过一定的处理后就可以进行光刻蚀，通过一定的方 法可以对表面特定的位置的光刻胶进行曝光，曝光后的光刻胶下一步就是要进行 显影，这样需要掺杂的位置的光刻胶就会被去除掉，之后就可以进入下一步工艺 比如掺杂或是进行金属淀积等，从图1 1 中可以清晰的看到这个工艺步骤。制作图 形的尺寸大小就是由光刻工艺这一步决定的，制作图形的大小一般是用最小线宽 来评定的，以下将介绍几种典型的刻蚀技术。 “淦属淀积 一基f 负型光刻胶 鼍圈囫囫 图1 1 光刻蚀以及相关工艺 f i 9 1 1l i t h o g r a p h ya n dr e l a t e dp r o c e s s 离平洼入 1 1 2 接触式光刻技术 光刻制作图形常采用的工艺技术是复制工艺技术。首先图形是用掩模来产生 重庆大学硕士论文 1 绪论 的，掩模通常是敷在玻璃版上的照相乳胶膜或者是铬膜。这种掩模版是压触在半 导体晶片上或者与半导体晶片十分紧密得靠近，而晶片上涂有光刻胶，当用一定 波长的光照射掩模版的时候，光线就会透过掩模版上透光的部分照射到光刻胶层 上以使选定的区域得到曝光，曝光后的光刻胶发生了变化，这样宏观上的效果就 是掩模版上的图形被完全复制到光刻胶层上，下一步就是进行显影，光刻胶的开 口区域就确定了基片上的裸露区域，以便进行诸如金属淀积、腐蚀等下道工序的 加工。从这种图形复制技术的原理上看，掩模版上原始图形的线宽大小直接决定 了制作出的图形的线宽尺寸，假使掩模图形的线条比较宽的话，例如几个微米， 那么在光刻胶以及其后晶片上将会相当精确地再现出掩模版上的图形。但是，当 要求分辨率更高，即线宽减小到与曝光所用光源的波长相比拟的时候，掩模窗口 的衍射效应和光刻胶层内的反射效应就会降低掩模复制图形的质量。 光刻胶层 基片 掩模版 图1 2 接触式光刻中存在的衍射以及层内反射效应 f i 9 1 2e f f e c to f d t f f r a c t i o na n dr e f l e c t t o ne x i s t i n gi nc o n t a c tp r i n t i i 培 图1 2 中可以帮助理解这种原理，当透光部分尺寸减小到一定程度的时候，照 射光在开口区域会发生衍射现象，使得实际曝光后的区域要比掩模版上设计尺寸 要大些，而且掩模版与基片上的光刻胶层离的越远，这种尺寸偏离会更大，展宽 的区域尺寸更大，除了衍射外，照射光在光刻胶层与掩模版之间的层内多次反射 也会使曝光区域尺寸变宽。所以实际操作中要将掩模版与光刻胶层靠得很近甚至 是贴在上面，以减小这种展宽造成的误差。 接触式光刻技术要求将掩模版贴近或压触在光刻胶层上，这样光刻胶表面的 不平整性将会对掩模版表面造成伤害，当再次使用同样的掩模版的时候，就对下 一次图形曝光造成缺陷，制作图形质量下降，使用的次数越多就会造成下次图形 曝光的缺陷越多，因此这种情况下掩模版的使用次数是要受到限制的。 1 1 3 投影式光刻技术 采用投影式的光刻技术是解决接触式曝光所存在问题的方法之一【1 4 】【”j 。投影 光刻技术与接触式光刻的主要区别是：不同于接触式光刻所采用的将掩模版与光 2 重庆大学硕士论文 1 绪论 刻胶层接近或者接触的方法进行图形复制，投影式光刻是利用一定的光学系统将 掩模版上的图形投影在涂有光刻胶的晶片上使之曝光，这时掩模版上的图形就成 为光学系统的物，投影到光刻胶层上的像可以是1 ：1 的或者是1 0 ：l 的缩小的像。 很清楚，与接触式曝光相比，投影光刻技术可以大大地提高分辨率，即最小线宽， 而且由于掩模版与光刻胶之间没有了接触，这样也大大提高了掩模版的使用率和 生产成品率。但投影光刻技术也会因为光学系统的影响也限制了其分辨率。图1 3 显示了其大致的工作原理。 磁弦茏妒 图1 3 投影式光刻原理示意图 f i 9 1 3p r i n c i p l eo f p r o j e c t i o np r i n t i n g 台 1 1 4 电子束刻蚀技术 电子束刻蚀技术采用了一种新的手段，它是一种与光学刻蚀技术根本不同的 新的刻蚀工艺，它不受影响光刻蚀的那些物理极限的支配，当然电子束工艺也有 一些基本的极限，但是其分辨率的极限相当的小，最小线宽至少提高个数量级。 图1 4 是用来说明这种刻蚀技术的示意图【1 】。这种工艺技术的实质就是将电子 束经过精确的聚焦，并且在计算机的控制下使电子束既能在基片上偏转，同时又 能实现接通和断开。电子束使光刻胶曝光，下一步可以进入显影工序。电子束只 能在一个扫描场的范围内对光刻胶进行曝光( 一般为l 4 0 删n 2 ) 【2 3 】。对于给定的 分辨率的较大面积的曝光，可以通过使工件台在精确控制下步进运动和重复电子 束形成的图形的方式来实现。电子束扫描一次即可曝光出一条线条，这种曝光方 式是可能的，但要求将束斑或束形调节到与所要求的线宽相一致。更典型的曝光 方法是，曝光宽的线条要使用小束径束扫描几次。这种扫描方式可以获得更好的 重庆大学硕士论文 i 绪论 边缘清晰度。 消隐装置 被曝光图形 电子枪 聚焦装置 x - y 束偏转装置 x _ y 工件台 图i 4 电子束刻蚀的原理 f i 9 1 4p r i n c i p l eo f e - bl i t h o g r a p h y 电子束刻蚀技术主要有两种不同的使用方式，如图1 5 所示，就是制造供光学 复制用的掩模或者直接制造特殊器件，利用电子束刻蚀技术的直接描画曝光的方 式制作特殊器件具有灵活性和迅速改变设计的能力，这些优点是很重要的【2 1 。 1 2 无掩模光刻技术 所谓的无掩模光刻是相对于用掩模进行图形复制转移的一种新的光刻方法。 传统的图形制作方法都是利用掩模版上的图形进行转移复制，比如上面已经介绍 过的接近或接触式光刻和投影式光刻技术就是采用的图形复制的技术。但随着电 子电路要求的线宽越来越小，电路集成度越来越高，进行图形复制的掩模版的图 形分辨率也是越来越高，这种光掩模版的实际制作难度就越来越大，掩模版的设 计制作费用也是日益的增长【1 8 】，如果能去除掩模版，那么这笔费用可以大大削减， 正是在这个前提下，人们便开始对无掩模光刻技术展开了研究，但目前工业界对 无掩模光刻技术的普遍看法是：它是降低光掩模成本不断上升的一个潜在解决方 案，是一个很有前途的光刻候选技术，但近期它还只能是一个细分的光刻技术， 还不能完全地替代主流的光刻技术【”】。 1 2 1 研究现状 电子束扫描刻蚀技术是比较具有代表性的无掩模刻蚀技术，所以很多研究机 构和学者都多以电子束刻蚀技术为主要研究对象，而且都是以研制商业设备为目 4 重庆大学硕士论文 1 绪论 的【2 4 】，商业设备的一个主要特点就是注重制造分辨率的提高上，这种注重分辨率 提高的技术发展可以称之为光刻技术的纵向发展，所以对技术细节的研究，其热 点都是放在如何制造出能具有高产能高分辨率的无掩模刻蚀设备。当然除此之外， 技术的发展也会考虑横向的应用发展即应用领域的扩展，但这方面的发展所带来 的吸引力远不如注重提高制造分辨率的技术的发展。然而对新的无掩模刻蚀方法 做的新的探索也在不断进行着，比如采用激光干涉的方法进行无掩模刻蚀i l 。 缺陷密度低 大量生产的器 件 图1 5 电子束刻蚀技术的几种用途 f i 9 1 5t y p i c a la p p l i c a t i o no f e - bl i t h o g r a p h y 1 2 2 研究意义 无掩模刻蚀相比于光学图形复制技术有两大优势： 没有了掩模版，在一定程度上大大降低了费用了并简化了设计步骤。 能根据要求迅速改变和修改设计的能力，无需重新设计掩模版，只需更改 计算机内部的数据资料即可。 而电子束刻蚀技术一个用途就是利用其直接描画式的曝光功能直接制作试验 性器件和少量特别的器件，这一优点非常符合实验室领域的要求，即制作出少量 的试验性器件，而且在实验室内会经常要求更改设计，所以正好能发挥电子束刻 蚀技术采用的直接描画式曝光功能的特长。希望能有这种基于无掩模扫描刻蚀技 术的低成本简单小型设备，可以用于一般教学科研用即可，所以这种设备在精度 上可以适当的放宽，比如设计加工在o 1 m m l m m 尺寸范围的图形，大于0 1 m m 的加工已属于传统的精加工的范围，所以这种低精度范围的小型光刻设备不同于 现有的要求微米级的高分辨率光刻设备。 重庆大学硕士论文 1 绪论 但目前仍然还是以基于图形复制技术的设备居多，采用无掩模光刻技术的简 单低精度小型设备几乎很少，所以在很大程度上来说，这种应用于教学科研用的 无掩模光刻小型设备仍然还是空白，这种小型设备具有非常实用的价值。 1 3 无掩模光刻系统的总体框架 一台能投入实际使用的光刻系统是比较复杂的，其中含有的子系统是比较多 的，但主要包括四大部分【”1 ：光学系统，机械系统，计算机数字控制 系统，辅助系统。比如典型的电子束无掩模刻蚀设备就包括有以上的四个大的 子系统，只是具体的系统结构不一样。以电子束刻蚀设备为例，可以简单说明一 下各个子系统负责的主要功能。首先会将设计好的c a d 芯片图形存储入计算机的 存储系统，并经过软件转化为芯片数据和控制信号，这些数据和控制信号会分别 进入电子束控制系统和放置被加工芯片的工件台机械系统，以控制电子束的通断 和接通以及电子束在控制范围内的偏转，工件台机械系统会控制芯片相对于电子 束扫描场的空间位置，用以实现电子束对被加工芯片上相对区域的加工，辅助系 统包括真空泵和系统电源。 要设计出能真正投入使用的无掩模光刻系统，首先要解决的是光学系统和机 械系统两个大的部分，它们是整个系统的基础，要基本上能很好的实现无掩模光 刻的具体技术要求，所以研究的初步就是针对光学系统和机械系统。 1 4 本文的研究内容 本课题研究主要对象是无掩模光刻系统中的机械扫描系统，它属于光学系统 中的一个部分，是负责将经过准确聚焦后的光源头利用机械扫描的方式，带动聚 焦光斑在空间实现二维的机械扫描，用以实现对芯片的曝光。由于采用的机械扫 描，在精度上，目标是实现大于0 1 m m 范围的图形加工。扫描的方式拟采用电子柬 刻蚀技术的直接描画式的电子束曝光方式。所以研究的内容会首先以电子束曝光 系统的扫描原理为对象，借用电子束系统中合适的扫描方式，提出适合本系统的 扫描方案，并以此扫描方式为基础提出自己的机械扫描系统的设计。此设计是对 提出的扫描方案的一种验证，论证这种设计的可行性，以上研究是对研制低精度 的小型无掩模光刻设备的一种初步探索。 6 重庆大学硕士论文2 曝光原理与扫描方式 2 曝光原理与扫描方式 2 1 引言 曝光原理决定了整体系统工作的方式，是系统设计的基础。采用不同的曝光 原理的系统在结构上是有差别的，在提出扫描器结构设计方案之前，应该首先确 定系统在曝光原理上采用何种方法。由于本系统在设计上是以典型的电子束刻蚀 技术为借鉴对象，所以首先详细了解一下电子束刻蚀技术在曝光原理上有哪些方 式是有必要的，最后以此为出发点，提出本系统比较合适的扫描方式，进而为后 面扫描器硬件结构的设计打下基础。除此之外，还将对系统的套准方法进行讨论。 2 2 电子束刻蚀曝光原理 电子束刻蚀系统采用的曝光方式在无掩模光刻技术中很具有代表性，其曝光 扫描方式在无掩模光刻系统设计中很有借鉴意义。以下将对电子束刻蚀技术采用 的典型曝光扫描方式进行详细的介绍。 r l 层光圈形区域 ， | 、 一 图2 1 矢量扫描即电子束仅对需要曝光的图形进行扫描 f i 9 2 1v e c t o rs c a n n i n g 2 2 1 图形曝光方式 电子束刻蚀技术对图形进行曝光主要有三种方式2 1 。如图2 1 那样，电子束的 扫描是沿着这样的路线进行的，即先曝光图形中的某个矩形，而后又去曝光下一 个矩形。这种技术通常称之为矢量扫描，它的主要特点是仅仅对需要曝光的图形 进行扫描。曝光的面积总是基片面积的一部分。在普通的矢量扫描法中，可以采 7 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 用若干种偏转方式来填充每个特征尺寸，如图2 2 所示。例如，电子束可以画出 特征尺寸的外框轮廓，然后继续以螺旋方式前进直到中心( 图2 2 a ) 或者它可以 画出特征尺寸外框轮廓，然后按照光栅式或s 形线路来曝光中心区域( 图2 2 b ) 特征尺寸也可以在没有任何外框轮廓扫描的情况下，采用小的光栅扫描或者s 形 扫描来进行曝光( 图2 2 c ) 外框轮廓扫描方式具有优越性，如果束斑尺寸能够迅 速变化且不发生位移的话，外框轮廓以内的面积就可以采用较粗的束斑来填充( 图 2 2 d 和e ) 。 广画 、画 l 7 一 b ) 轮廓壤旋式 _ jl 二 厂譬 b 一7_ j ( b 轮廓号t 栅式 厂 l - 兰：， - i l l 一一二f = = = = = = = j c ) 光橱式 t d 轮廓光橱式 ( 2 ) 轮廓螺旋式 图2 2 电子束系统中矢量扫描所用的不同的扫描方式 f i 9 2 2d i f f e r e n tm o d e so f v e c t o rs c a n n i n g 第二种方法称为光栅扫描法，即以电视扫描的方式对扫描场的整个面积进行 扫描，而当束斑处于应该曝光的位置时电子束被接通，如图2 3 所示。光栅扫描法 的特点是其扫描运动呈现出周期性，束斑运动的轨迹较为简单，而不像矢量扫描 法那样在扫描特征尺寸图形时，扫描运动的轨迹可能是比较复杂的。但光栅扫描 法的一个缺点是如果需要曝光的图形面积占整个扫描区域的比例不高时，扫描曝 光的效率会比较低，而不像矢量扫描那样只扫描需要曝光的区域，一旦这个曝光 图形面积比例比较高的时候比如占整个扫描区域的7 0 及以上时，这时光栅式扫 描才表现出其优越性来。 第三种曝光图形的方法则是采用可变成形束【2 0 1 。倘若能够迅速地改变聚焦电 子束的横截面很好地适合图形特征尺寸的形状，那么曝光速度就能大大增加，因 8 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 为一次就可以同时曝光出较大的面积。 l i i i 图2 3 光栅扫描，像电视那样进行扫描但在要曝光的图形面积上才将电子束接通 f 1 9 2 3r a s t e rs c a n n i n g 2 2 2 各种方法比较 通过上面的介绍，已经了解到电子束曝光技术采用的典型的三种方式，每种 方式各有特点，总结如下： 矢量扫描 优点：由于只对扫描区域进行曝光，扫描效率高，扫描时间大大缩短。 缺点：矢量扫描采用的几种曝光方式对束斑的二维运动轨迹控制要求较高，对束 斑运动控制相对复杂些。 光栅扫描 优点：束斑运动是明显的周期运动，运动轨迹简单，控制手段较为简便。 缺点：运动轨迹控制不灵活，曝光比较费时，曝光区域占整个基片面积比例不高 时，曝光效率比较低。 可变成形束扫描 优点：由于可以改变聚焦电子束的横截面积以适应图形的特征形状，同样的曝光 面积，相比于前两种曝光的速度更快了。 缺点：由于要求能随时改变电子束的横截面积，对电子束光学系统的设计提出了 更高的要求，硬件系统较为复杂。 9 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 2 3 扫描系统的总体方案 2 3 1 拟采用的扫描方式 通过上一节的讨论，了解了电子束刻蚀技术采用的典型的无掩模刻蚀扫描方 式，三种方式各有优缺点，同时考虑到是采用的机械式的扫描，光栅式的扫描方 式更加适合本系统的硬件设计，因为光栅扫描的特点对于机械式的扫描来说，实 现方法上较为简易，所以扫描器系统选定的扫描方式是光栅式的扫描。 2 3 2 扫描系统结构 鉴于光栅式扫描的特点，光斑的运动轨迹是需要在x 方向做高速扫描的同时， 在y 方向上做慢速地步进运动，光斑运动后覆盖的区域就是一个矩形的面积，在 这个矩形区域中，在需要曝光的位置上才接通光源，这样在矩形区域中就可以曝 光得到任意的图形形状，具体的细节会在后面的一节中讲述。 在硬件结构上可以让光源头作高速的横向扫描，而承载基片的工件台作慢速 的纵向运动，或者是基片不动，让光源头在作高速横向扫描的同时也作纵向的慢 速运动，两种方法都可以实现光斑在空间上相对于基片的二维扫描，以前者为例， 如图2 4 所示，说明了这种扫描运动的硬件结构方案。 纵向运动所需要满足的条件是实现光斑达到一定精度的步进距，步进距的大 小取决于横向扫描实现的最小线宽大小，所以横向的扫描运动相对来说就比较关 键，要求在实现一定直线精度的前提下尽可能地提高扫描的频率。但同样是横向 的高速扫描运动，由于是采用的机械式的扫描运动，扫描运动的频率不会像电子 束那样高，按照现有技术条件，比如用微型直线驱动器带动光源头作高频扫描的 方法则频率不会太高，具体的扫描频率值取决于所选用的驱动器驱动力大小和扫 描运动部件的负载大小。所以首要解决地是如何实现横向的高速扫描。 2 3 3 横向高速扫描运动的实现方法 实现机械扫描运动的方法较多，下面将对几种可行的方法进行详细的讨论。 由于设计要求是微型化的扫描系统，整个扫描装置在体积上要做的尽可能的 小，所以要从两个方面考虑：第一个就是采用小型的驱动器和机械部件。第二就 是在装置的设计上要做的紧凑。 第一种可行的方案是选用直线电机加直线导轨的方法1 3 】【4 】，之所以选择直线电 机就是因为它们可以直接与负载连接，省去了中间传动结构，简化了结构设计， 符合系统微型化的目标。同时系统要求是高速的扫描，驱动器则需有高频往复运 动的能力，在众多的直线驱动器中，以音圈电机和超声波电机最具有代表性。下 面将就这两种微型直线驱动器进行介绍。 1 0 重庆大学硕士论文2 曝光原理与扫描方式 扫 曝光图形区域 f 纵向步进运动 图2 4 实现光斑空间二_ 维扫描运动的结构方案 f i 9 2 4s c h e m eo f a c h i e v i n gt w od i m e n s i o n a ls c a n n i n g 高速扫描 基片 音圈电机是永磁式直线直流电机的一种，永磁式直线直流电机分为动圈式和 动磁式两种。动圈式电机为磁场固定，电枢线圈可动，其结构与工作原理与扬声 器相同，因此才被称作音圈电机。音圈电机的原理图如下图2 5 所示，它包括定子 和动子两个主要的部件，属于管型直线电机的形式，定子内镶嵌有永磁体，在其 与内部的铁心的气隙之间产生高密度磁场。动子只是一个线圈，当在线圈内通过 一定大小的电流时，就会与磁场相互作用产生电磁力，推动线圈运动。动子的惯 量非常的小，所以音圈电机的动态特性非常的好，常用于磁盘定位系统中。 图2 5 音圈电机结构原理图 f i 9 2 5s t r u c t u r eo f v o i c ec o t la c t u a t o r 如果选用音圈电机做扫描系统的驱动部件，则设计的系统在结构上就要复杂 些，主要表现在以下几个方面：首先音圈电机的特殊结构决定了它不能简单的将 其固定就可以了，标准的音圈电机只是一个由相互独立的电枢绕组和永磁体组成 的零件，也就是绕组和永磁体之间只是简单的组合，之间并没有通过任何的机械 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 结构连接在一起，要形成两者的相对运动，必须分别进行支撑将两者沿运动方向 对齐，保证绕组线圈部分恰好位于永磁体的气隙中间，两者之间在整个行程中最 好不要有机械接触。既然要对电机进行支撑和对准，就少不了轴承和导轨这样的 机械部件，同时由于整个系统必须是闭环的控制系统，安装位置和速度传感器也 是必不可少的，这样势必增大了结构上的复杂性。图2 6 所示的是音圈电机没有带 负载情况下的扫描运动的简易系统结构图，如果带有负载的话，根据负载的不同， 整个系统的结构会有所不同，而且在体积上更加庞大了。 超声波电机是近年来研究非常广泛，发展也非常之快的压电陶瓷类电机，超 声电机简称u s m ( u r r a s o n i cm o t o r ) 早在上世纪6 0 年代就已经提出，自8 0 年代研究 取得突破性的进展后各国对超声电机的研究越发的重视，9 0 年代后得到了迅速的 发展，近2 0 年来成为机电控制领域的一个研究热点。目前u s m 的产业化和实用 化得到了蓬勃的发展，在定程度上开始取代小型的电磁式的马达。在国外从世 纪9 0 年代开始u s m 就开始进入实际的商品化阶段，比如日本将超声行波环形马 达就用于数码相机的自动聚焦系统当中，此外目前的传真机和高级的打印机的办 公设备中出现的平板振子输送纸机构以及自动定位装置中都采用的是超声马达， 可以预见超声马达的应用前景非常的广阔。 图2 6 音圈电机的简易扫描运动系统 f i 9 2 6s c a n n i n gs y s t e mb a s e d0 1 1v o i c ec o i la c t u a t o r 超声马达的主要材料也是p z t 、p v d f 等压电类材料，但其工作原理与压电陶 瓷微位移驱动器有所不同。超声马达有驻波和行波之分，但工作的原理是大致相 同的，比如超声行波马达是利用换能器在压电陶瓷材料中激发出沿自由表面传播 的表面波，材料表面的任一质点的振动的轨迹是一个椭圆形，如果在该材料的表 1 2 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 面有一个运动块，在一定预紧力作用下接触良好，那么换能器在陶瓷材料表面激 发的表面波就会在运动块与陶瓷材料接触的面上产生摩擦力，从而推动运动块产 生运动。 从上面介绍的工作原理看，超声马达与传统的电磁式马达利用磁场将电能转 化为机械能的原理是不同的，所以超声马达具备了以下几个特点：低速时的输出 推力或力矩大，响应速度快( u s 级) ，定位精度高( u r n 或亚a m 级) ，体积小，功 率密度大，无电磁于扰，结构简单等。 不同于电磁式的电机，基于超声电机的系统在结构上要简单许多，首先我们了 解一下其工作原理： 该扫描台是由三部分组成：底座、线形导轨和超声马达。该系统最关键的就 是带有三角形压电陶瓷的电机和安装在导轨滑块上的一层摩擦材料，它们是系统 的动力的来源；底座用于将导轨与电机进行精确的定位和支撑。在信号的驱动下， 压电陶瓷头作高频的振动，从而在摩擦力的作用下带动滑块左右高频的运动，如 图2 7 所示。 从上面分析可以看到超声电机扫描台的特点是结构简单，不同于电磁式电机， 系统减少了额外的传动连接件，所以整个系统非常的紧凑，同时由于超声电机本 身工作机理的特点，没有了繁杂的线圈以及磁极等，相同的行程，超声电机做的 系统有最小的尺寸。其次由于没有传动连接件，排除了传动环节引入的各种误差。 图2 7 基于超声波电机的扫描运动平台 f i 9 2 7s c a n n i n gs y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i cm o t o r 现将两种电机的特点总结如下： 音圈电机方案特点如下： 优点：定位精度高，高精密的反馈装置可以使系统的定位精度提高。 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 推力大，可以带动大惯量负载。 动态特性好，适宜做高速运动和频繁的启停动作。 调速范围宽，既可低速移动又可高速运动。 缺点：只能做成闭环系统，控制方法烦琐。 系统结构复杂。 发热大，需要考虑散热问题。 超声电机方案特点如下： 优点：既可开环控制也可闭环控制，系统稳定性好。 系统结构简单。 就电机性能而言，定位精度比电磁式的高很多，能达到纳米级精度。 电机响应性能好，加速度和速度非常的高，适合高频的扫描运动。 停止时，具有自锁能力。 不受电磁干扰，也不产生电磁干扰。 工作寿命长。 缺点：电机的输出效率不是很高，负载能力有限，只适合小负载场合。 为使电机工作可靠，不适合在恶劣环境中工作。 第二种可行的方案是利用弹簧振子的原理，理论上也可以实现高频扫描运动， 这种方案较第一种方案在技术成本上要低很多，因为系统设计中少了价格昂贵的 直线电机以及相关的运动控制系统，同时扫描频率可以做的较高。虽然较第一种 方案会有些不足之处，但只要能达到设计要求的功能，这种创新性的新方法也非 常值得尝试。 弹簧振子的大致原理是利用弹簧加振动质量块的振荡原理，实现高速的振荡 扫描运动，由于存在摩擦阻尼，系统的振幅是逐渐衰减的，所以同时系统中需要 有能量补充的器件，另外微型光栅尺也是系统中非常关键的一个部件，它的主要 作用是为作为振动质量块一个部分的扫描光源头提供位置信号，当光源头在扫描 运动过程中到达某个位置时，光源头会根据光栅尺的位置信号来进行光源的接通 与断开的处理，从而实现对特定图形的曝光工作。 从上面的简单阐述中，可以了解到弹簧振子的原理也能实现简单扫描运动， 但与基于微型直线驱动器的方案相比，主要有以下一些不足之处： 扫描运动呈现正弦规律，运动速度不够平稳均匀 中间运动过程无法得到控制，即不能实现在中间某个位置的定位，扫描运 动不够灵活。 由于中间运动过程无法得到控制，所以可靠性不如基于微型直线驱动器的 方案。 1 4 重庆大学硕士论文 2 曝光原理与扫描方式 系统中的振动问题会较严重。 另外值得说明的是无论采用哪种方法，系统中必不可少的关键机械部件是微 型直线导轨。以下对直线导轨加以简要的说明。 导轨在机械系统中主要发挥着为运动部件提供支撑和导向的作用，其负载能 力和导向精度也是非常关键的，在本系统中可以说，扫描运动形成的直线的直线 度误差很大程度上就是由组成系统的直线导轨的导向精度决定的。 导轨是由承导件和运动件组成，承导件为运动件提供导向作用，导轨按照应 用场合的不同，种类也非常的繁多，分类的方法也不一样。按照运动轨迹的不同， 导轨可以分为直线运动导轨和圆导轨，这里主要讨论的是直线导轨。在机械系统 中，导轨应满足以下几个要求： 1 ) 导向精度 导向精度是指运动件按给定方向运动的精确度。导向精度高低主要取决于导轨的 结构类型、几何精度以及导轨的刚度和热变形。 2 ) 刚度 不同的载荷情况，对导轨的刚度要求是不同的。 3 ) 运动的灵活性和平稳性 对于一些高速高精度的设备，导轨应具有灵活性和平稳性，使得运动轻便省力， 高速时平稳，低速时不出现爬行现象。影响灵活性和平稳性的主要因素是：配合 间隙、导轨表面粗糙度和几何形状精度、动静摩擦系数差的大小。 4 ) 耐磨性 由于导轨道是长期处于工作中，应该具有一定的耐磨性，以保证工作精度和寿命。 5 ) 对温度变化的敏感性 导轨的应该有一定抵抗温度变形的能力，以保证导向精度。 按照导轨接触面的摩擦性质不同，导轨又可分为：滑动导轨、滚动导轨和静 压导轨三大类。按结构分又可分为力封式和自封式两种，前者又称为开式，是利 用外力保证承导件和运动件之间的接触；而后者又可称为闭式，是利用自身的结 构来保证承导件和运动件之问的紧密接触。 滑动导轨是面与面的接触，所以其优点是结构简单，制造容易，承载力强， 刚性好，缺点是摩擦力大，磨损快，动静摩擦系数差太大，低速时容易出现爬行 现象，高速时发热严重。 滚动导轨是在承导件和运动件的配合面之间加入滚动体如滚珠和滚柱，使摩 擦性质变为滚动摩擦，可想而知这种导轨的摩擦阻力要小，动静摩擦系数差小， 低速时不会出现爬行现象，具有一定的耐磨性，对温度变化敏感性低，高速时轻 便灵活。但它也有不足之处，由于是点或线接触，负载能力有限，抗振性也不是 重庆大学硕十论文2 曝光原理与扫描方式 太好，滚动体的加入使得结构复杂，制造成本较高。 静压导轨是在导轨的配合面之间形成一层流体如空气和油膜等，这样接触面 之间的摩擦几乎可以降到零，根掘负载情况的不同可以调整这一层流体的压力， 同时这层流体也起到了抗振的作用，所以静压导轨非常适用于高速高精度的场合， 主要用在光刻机、刻线机等半导体制造设备和其他一些精密仪器中。其最主要的 不足之处在于其抵抗污染的能力差，需要一套供压装置，使得整个系统的结构和 成本大大增加。 按照应用场合的不同，可以采用相应的导轨类型，比如就微型扫描光源系统， 导轨的基本要求是方向精度要高，摩擦力要比较小，耐磨性要好，对温度的敏感 性要低，低载荷即可，同时运动件的惯量要尽量的小，也就是要选用小尺寸的导 轨。从下面的表格中看，闭式滚珠导轨比较符合这种要求。 表2 1 不同类型的导轨的比较【9 】 导轨类型方向精度摩擦力温度敏感性承载能力耐磨性成本 滑动一股大一般很强 差 低 开式滚珠高小不敏感较弱较好较高 闭式滚珠较高较小不敏感较弱较好高 滚动轴承 较高小 不敏感 强好较高 静压很高很小不敏感较强很好很高 2 3 4 扫描图形的处理与精度分析 要在基片的特定大小的区域上曝光扫描制作所希望的图形，就是要利用计算 机控制系统控制光源头在特定位置上的接通和断开用以实现特定图形的曝光，这 部分工作就要借助于计算机辅助设计( c a d ) 技术，先将预制作的图形数据输入 计算机系统中，然后对这些数据进行处理用以控制光学系统和机械系统。 如图2 8 所示，要曝光制作这样的图形，首先将预曝光的图形借助c a d 软件 输入计算机，根据曝光地址的大小，按照光栅扫描运动轨迹的特点将曝光图形进 行行列分割，分割后得到的最小矩形区域就是曝光地址，它的大小是由光学系统 所能提供的最小光斑大小决定的，光斑的能量要能让这个曝光地址内光刻胶层充 分的曝光，这样一个连续的曝光图形面积就被曝光地址离散成独立的区域，当实 际图形与曝光地址有5 0 以上面积重合时就对这个地址进行曝光并用数字信号1 代替，否则相应的地址就不进行曝光并且用数字信号0 代替。这样实际的曝光图 形就被分成了许多的行的“l ”和0 的数字信号线，按照扫描运动的轨迹将这些数字 信号一行行地取出，并存储于系统中的存储器中，从第一行开始，将数字信号 1 6 重庆大学硕士论文 2 曝光