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微纳研究中心超净室系列讲座 电子束曝光系统 EBL 张亮亮2011年10月14日 电子束曝光概述电子束曝光系统的结构与原理CABL9000C电子束曝光系统及关键参数电子束曝光的工艺程序电子束曝光的极限分辨率多层刻蚀工艺 1 1电子束曝光是什么 电子束曝光 electronbeamlithography 指利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的 是光刻技术的延伸 1 电子束曝光概述 紫外光 普通光刻 电子束曝光 电子束 光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响 使用的光波长越短 光刻能够达到的精度越高 紫外光波长 常用200 400nm之间根据德布罗意的物质波理论 电子是一种波长极短的波 加速电压为50kV 波长为0 0053nm 这样 电子束曝光的精度可以达到纳米量级 从而为制作纳米结构提供了很有用的工具 1 2电子束曝光有什么用 电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形 利用最高级的电子束曝光设备和特殊显影工艺 能够写出10nm以下的精细结构 纳米器件的微结构集成光学器件 如光栅 光子晶体NEMS结构小尺寸光刻掩模板 离子泵 离子泵 限制膜孔 电子探测器 工作台 分子泵 场发射电子枪 电子枪准直系统 电磁透镜 消像散器 偏转器 样品交换室 机械泵 物镜 2 电子束曝光系统的结构与原理 电子枪 场发射电极ZrO W电场强度 108N C 钨丝2700K 六硼化镧1800K 0 5um 电子束曝光的电子能量通常在10 100keV 2 1电子束曝光系统的结构 电子枪准直系统 整个电子光柱由各部分电子光学元件组装起来 装配高度达1m左右 任何微小的加工或装配误差都可能导致电子枪的阴极尖端与最后一级的透镜膜孔不在同一轴线上 因此需要装一个准直系统 必要时对电子枪发出的电子束进行较直 它与光学聚光透镜的原理相同 能够聚焦电子束的束径 使电子最大限度的到达曝光表面 电磁透镜 消像散器 由于加工误差 电磁透镜的x y方向的聚焦不一致 造成电子束斑椭圆化 消像散器由多级透镜组成 能从不同方向对电子束进行校正 偏转器用来实现电子束的偏转扫描 偏转器 物镜 将电子束进一步聚焦缩小 形成最后到达曝光表面的电子束斑 除以上部分外 电子束曝光系统还包括束流检测系统 反射电子检测系统 工作台 真空系统 图形发生器等 最小束直径 直接影响电子束直写的最小线宽 加速电压 一般10 100keV 电压越高 分辨率越高 邻近效应越小 同时可曝光较厚的抗蚀剂层 电子束流 束流大 曝光速度快 但是束斑尺寸大 分辨率低 3 CABL9000C电子束曝光系统及关键参数 日本CRESTEC公司生产的CABL9000C 2nm 最小尺寸20nm 30keV 常用 25 100pA 扫描场大小 扫描场大 大部分图形可在场内完成 可避免多场拼接 扫描场小 精度高 拼接精度 图像较大 需要多个场拼接 60 600um 20 50nm 4 电子束曝光的工艺程序 4 1抗蚀剂工艺 PMMA优点 分辨率高 10nm 对比度大 利于剥离技术 价格低缺点 灵敏度较低 耐刻蚀能力差HSQ 负胶 极高的分辨率 10nm 邻近效应小 灵敏度很低ZEP 520优点 分辨率高 20nm 灵敏度较高 耐刻蚀缺点 去胶较难 稀释剂 ZEP A 苯甲醚 绘制曝光图案样品传入 样品为导体或半导体 选择束电流低倍聚焦选定曝光位置在Au颗粒处调整像散高倍聚焦 调节waferZ 0 激光定位参数设定 位置 剂量 图案数量等 样品曝光样品取出显影 ZEP N50 1min 曝光图案观察 4 2电子束曝光工艺 电子束入射到抗蚀剂后 与抗蚀剂材料中的原子发生碰撞 产生散射 4 3电子束曝光中的邻近效应 邻近效应 如果两个图形离得很近 散射的电子能量会延伸到相邻的图形中 使图案发生畸变 单个图形的边界也会由于邻近效应而扩展 邻近效应的校正 剂量校正 由于电子束散射 同一图形在同一剂量下曝光的能量分布式不同的 需要人为的改变曝光剂量 将图形进行几何分割 计算每一部分能量的分布 每一点能量的分布符合双高斯函数 按照不同的区域分配曝光剂量 缺点 计算复杂 需要CAPROX等专业软件 计算假设每一图形内部剂量一致 误差存在 图形尺寸校正 通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变 邻近效应的校正 缺点 校正的动态范围小 1 稳定的工作环境 温度变化范围 0 2 振动2um以下 磁场变化在0 2uT以下 2 高的电子束能量 高能量电子束产生的电子散射小 色差与空间电荷效应抵消 且有利于曝光厚的抗蚀剂层 高档次的电子束曝光机一般都在100keV 3 低束流 低束流可以减小空间电荷误差 有利于获得更小的束斑 束流低会增加曝光时间 会使聚焦标记成像亮度降低 使对焦困难 4 小扫描场 电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关 高分辨率应尽量使用小扫描场 5 电子束曝光的极限分辨率 电子束曝光100nm的微细图形很容易制出 但是小于50nm的图形却不是轻易能够实现的 电子束的极限分辨率与多个因素有关 5 低灵敏度抗蚀剂 20nm以下的电子束曝光全部使用低灵敏度的抗蚀剂 例如PMMA等 6 薄抗蚀剂层 减小抗蚀剂层可以减小散射 降低临近效应 7 低密度图形 可以比较容易实现20nm的单一线条图形 却无法或很难实现20nm等