光刻技术探究

1、电子束光刻技术探究电子束光刻技术探究报告人：刘聪报告人：刘聪学学 号：号：201201032201201032内容提纲绪论绪论电子束曝光机原理及系统电子束曝光机原理及系统电子束光刻技术应用电子束光刻技术应用2.2.3.3.4.4.1.1.电子束光刻技术瓶颈电子束光刻技术瓶颈第一章第一章 绪论绪论1.3电子束光刻种类1.2电子束光刻技术定义1.1光刻技术发展概况摩尔定律摩尔定律高分辨率高分辨率直写式直写式1.1光刻技术发展概况 在摩尔定律的指引下，半导体工业每两至三年就跨上一个新的台阶，即所谓的半导体技术发展线图(ITRS)。预计2004年进入90nm节点器件的批量生产，到2011年，英特尔公司

2、已研发出7nm工艺器件。然而这一切变化的关键是光刻技术，所以人们统称光刻技术光刻技术是半导体工业的“领头羊领头羊”。200320072012年年2003年年ITRS最新技术进程最新技术进程200420052006200820092010100908070655524147nm光源波长的发展光源波长的发展 光刻技术是利用光学复制的方法把超微细图形刻印到半导体衬底上来光刻技术是利用光学复制的方法把超微细图形刻印到半导体衬底上来制作复杂电路的技术制作复杂电路的技术, ,光的应用是整个光刻技术的关键光的应用是整个光刻技术的关键, ,因此光刻技术的因此光刻技术的展开是围绕光的波长进行的，展开是围绕光的波

3、长进行的，光源波长的发展光源波长的发展也是也是光刻技术发展光刻技术发展的的写照。写照。193nm(ArF)193nm(ArF)01.-10nm(EUV)01.-10nm(EUV)0.01nm(0.01nm(电子束）电子束）436nm(g436nm(g线）线）365nm365nm（i i线）线）248nm(KrF)248nm(KrF)1.2电子束光刻定义电子束光刻机原理图 利用电子束在涂有电子利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的技画或投影复印图形的技术。术。 1.3电子束光刻分为两大类： 一、一、直写式直写式 直写式就是直接将汇聚的电子束斑打在表面直写式

4、就是直接将汇聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上，不需要光学光刻工艺涂有光刻胶的衬底上，不需要光学光刻工艺中最昂贵和制备费时的掩膜中最昂贵和制备费时的掩膜 二、投影式二、投影式 投影式则是通过高精度的透镜系统将电子投影式则是通过高精度的透镜系统将电子束通过掩膜板图形平行地缩小投影到表面涂束通过掩膜板图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上。有光刻胶的衬底上。 具体又可以细分为：传统电子束光刻、低能电子束具体又可以细分为：传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射投影电子束光刻光刻、限角度散射投影电子束光刻(SCALPEL)和扫描探针电子束光刻技术和扫描探针电子束光刻技术(SPL)第二章第二

5、章 电子束曝光机原理及系统电子束曝光机原理及系统 直写式曝光机的工作原直写式曝光机的工作原理是将精确聚焦的电子理是将精确聚焦的电子束斑逐点地在样品台上束斑逐点地在样品台上移动，而移动方式可以移动，而移动方式可以分为逐行扫描模式和矢分为逐行扫描模式和矢量扫描模式。量扫描模式。 其镜筒系统组成主要其镜筒系统组成主要包括：电子束光源、偏包括：电子束光源、偏转系统、开关挡板和精转系统、开关挡板和精确定位的样品台，如图确定位的样品台，如图1 1所示所示 图图12.1 2.1 直写式曝光机原理直写式曝光机原理电子束光源有两种电子束光源有两种：热电子源热电子源场发射源场发射源 将灯丝加热到足够高的温度，使电

6、子有足将灯丝加热到足够高的温度，使电子有足够的能量越过电子枪金属功函数的势垒发够的能量越过电子枪金属功函数的势垒发射出来形成电子源。射出来形成电子源。场发射源是利用足够强的电场场发射源是利用足够强的电场电子隧穿势垒形成电子源。电子隧穿势垒形成电子源。 一个好的电一个好的电子源应该满子源应该满足：亮度足：亮度 高、源斑小、能高、源斑小、能量发散小、量发散小、稳定性强和稳定性强和时间长的使时间长的使用寿命用寿命 表表l l为不同电子束源主要特性的比较。一般直写为不同电子束源主要特性的比较。一般直写式曝光机主要使用的是热场发射源式曝光机主要使用的是热场发射源( (表面镀表面镀ZrO的钨的钨金属针尖金

7、属针尖) )，工作温度在，工作温度在1800K1800K，和冷场发射源相比可，和冷场发射源相比可以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。表一表一 电子束曝光中常用的几种电子束特性电子束曝光中常用的几种电子束特性2.2 几种常见的电子束曝光系统几种常见的电子束曝光系统 目前实验室常用的电子束曝光系统主要来自日本目前实验室常用的电子束曝光系统主要来自日本JEOLJEOL公司、德国公司、德国LeicaLeica公司和德国公司和德国RaithRaith公司。表公司。表2 2给出了各家公司代表性的小型电子给出了各家公司代表性的小型电子束曝光机的性能指标。束曝光机的

8、性能指标。表二几种电子束曝光系统的性能表二几种电子束曝光系统的性能曝光系统对比具有光斑可调 的电子束光源及步进式样品台，能够作为制备砷化 镓场效应管、x射线掩模及硅器件的电子束曝光设 备；也可应用于极限尺寸的新器件(包括量子效应器 件)的研究与制备常规的微电子技术，前沿的纳米光刻和高精度项目。 它使用大电流密度的发射枪，能够提供大范围的纳米 光刻研发系统最优化的拼接精度和产出能力可以完成多种材料的前沿课题，包括硅、混合半导体、光电子、 微晶体管、纳米光刻、微光学和掩模制备 特殊纳米结构的制备、模版制作与检 测、多维形貌学和纳米工程。通过添加一定的附件，还可以完成包括电子束辅助气相沉积、纳米操纵

9、、电学测量和x射线分析等功能。高精度与高分辨率，很有希望用于场发射阴极管的制备与修复。很 多材料都可以利用这项技术沉积，例如金、铜n 碳n 、钨等。利用电子束辅助气相沉积可以制备良好的Pt导电接触日本日本JEOL德国德国Leica德国德国Reith德国德国Reith150Reith150主要特征：主要特征： 电子枪：高分辨率的热电子枪：高分辨率的热(Schottky)(Schottky)发射源发射源( (尺寸：尺寸：20nm)20nm) 束能量可调：束能量可调：200eV-30keV200eV-30keV 图形直写图形直写(0.5m) (0.5m) ：最小线宽分：最小线宽分辨率辨率20nm20

10、nm 写场可调：写场可调： 0.5m-1000m0.5m-1000m 图形快速生成：图形快速生成：10MHz 10MHz 描写速度描写速度 晶片支架：晶片支架：1cm1cm2 2样片样片6inch6inch晶片晶片 水平控制：三点压电接触水平控制：三点压电接触( (自动自动) )或或6” 6” 激光干涉平台激光干涉平台( (手动手动) ) 双双PCPC机控制系统：曝光与机控制系统：曝光与SEMSEM测量测量 图形编辑：图形编辑：GDSIIGDSII格式，剂量可调格式，剂量可调主要用途：主要用途： 量子纳米器件的微结构：如纳米电子量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件器件 集成光学器件：光子晶体集

11、成光学器件：光子晶体, 光栅光栅 NEMS 结构结构 小尺寸的光刻板，如小尺寸的光刻板，如11cm2 对应版图进行对应版图进行SEM观察观察电子束曝光及其相关工艺设备电子束曝光及其相关工艺设备 第三章电子束光刻瓶颈难题一难题一难题二难题二电子束光刻效率低电子束光刻效率低电子束光刻邻近效应电子束光刻邻近效应例如例如1mm2面积采用面积采用100pA的电子束流的电子束流, 灵敏度为灵敏度为50LC/ cm2的抗蚀剂就要曝的抗蚀剂就要曝48h 问题一解决方案 纳米级电纳米级电子束光刻子束光刻的版图设的版图设计必须尽计必须尽量遵从如量遵从如右原则右原则图形结构尽可能简单图形结构尽可能简单, , 回避复

12、杂回避复杂 图形尺寸尽可能单一图形尺寸尽可能单一, , 回避把不同回避把不同尺寸图形设计到一起尺寸图形设计到一起, , 尤其不能把尤其不能把微米级图形和纳米级图形设计到一微米级图形和纳米级图形设计到一起起; ; 尽可能不要把点、线、面的图尽可能不要把点、线、面的图形设计到一起形设计到一起 措施一措施一措施二措施二对电子束光刻邻近效应应该采取的措施对电子束光刻邻近效应应该采取的措施一种方法是通过优化曝光一种方法是通过优化曝光- -显影工艺条件和有效的工显影工艺条件和有效的工艺措施抑制邻近效应的产生或降低其影响程度。艺措施抑制邻近效应的产生或降低其影响程度。如使用高入射束能、薄胶层、薄衬底和采用高

13、原子序数如使用高入射束能、薄胶层、薄衬底和采用高原子序数材料作夹层或采用多层胶工艺等材料作夹层或采用多层胶工艺等另一种方法是采取各种修正措施另一种方法是采取各种修正措施 主要通过波前工程实施几何图形尺寸调整或实施曝光剂量调制或将二者相结合主要通过波前工程实施几何图形尺寸调整或实施曝光剂量调制或将二者相结合来修正邻近效应。对于孤立的线条或简单的器件来修正邻近效应。对于孤立的线条或简单的器件, , 可以采用补偿邻近效应影响可以采用补偿邻近效应影响的措施的措施, , 如线曝光技术和对邻近效应敏感部位进行补偿曝光或改变几何图形形如线曝光技术和对邻近效应敏感部位进行补偿曝光或改变几何图形形状的方法进行修

14、正状的方法进行修正, , 在版图设计中尽可能避免邻近效应比较敏感的结构图形等在版图设计中尽可能避免邻近效应比较敏感的结构图形等第四章电子束光刻应用举例第四章电子束光刻应用举例4.14.1纳米加工：纳米加工：利用电子束光刻制备间隔小于利用电子束光刻制备间隔小于10nm10nm的电极对的电极对 纳米电极对是测量纳米结构和单分子运输特性的重要手段，纳米电极对是测量纳米结构和单分子运输特性的重要手段，已有文献报道，通过控制电子束曝光位置和剂量，可制备小于已有文献报道，通过控制电子束曝光位置和剂量，可制备小于10nm10nm的电极对。的电极对。制备过程：制备过程： 将浓度为将浓度为5%5%的光刻胶以的光

15、刻胶以30003000转每分钟旋转速度涂在衬底转每分钟旋转速度涂在衬底上，形成上，形成140nm140nm的光刻胶层，然后的光刻胶层，然后170170烘烤烘烤90min90min；再利用电；再利用电子束矢量曝光机（光斑子束矢量曝光机（光斑30nm30nm）进行曝光，曝光后放入温度为）进行曝光，曝光后放入温度为21.221.20.20.2的的1:31:3的的MIBKMIBK和异丙醇合剂中显影，接着在图形和异丙醇合剂中显影，接着在图形上利用电子束分别蒸发厚度为上利用电子束分别蒸发厚度为5nm5nm的的TiTi和厚度和厚度25nm25nm的的AuAu，最后，最后通过剥离工艺得到纳米电极。在制备过程中

16、，通过控制电子通过剥离工艺得到纳米电极。在制备过程中，通过控制电子束的曝光剂量和显影时间，可以控制最后形成的电极间距。束的曝光剂量和显影时间，可以控制最后形成的电极间距。 如图如图a a所示，当曝光剂量为所示，当曝光剂量为210mC/cm210mC/cm2 2变到变到230mC/cm230mC/cm2 2时，时，得到的电极间隔从得到的电极间隔从15nm15nm降到降到12nm12nm, ,当保持曝光剂量当保持曝光剂量230230不不变时，增长显影时间，从变时，增长显影时间，从80s80s增加到增加到120s120s和和180s180s，这时得，这时得到的电极间隔为从到的电极间隔为从11nm11

17、nm陆续陆续减小到减小到9nm9nm和和7nm7nm，如图，如图b b所示，所示，使用这种方法制备电极的成使用这种方法制备电极的成品率可以达到品率可以达到100%100%，3nm-4nm3nm-4nm电极为电极为15%15%，。此外，这种方，。此外，这种方法制备的电极对具有良好的法制备的电极对具有良好的绝缘性，漏电阻高达绝缘性，漏电阻高达10101212欧姆欧姆-10-101313欧姆，可应用于多种纳欧姆，可应用于多种纳米电子学器件的研究。米电子学器件的研究。制备结果制备结果纳米电极对的扫描电镜图纳米电极对的扫描电镜图4.2 其他方面的应用其他方面的应用单电子器件的制备，量子电导原子开关等方面制备单电子器件的制备，量子电导原子开关等方面制备4.3 结束语结束语 随着纳米科技和微电子技术的发展，人们对高分辨微纳加随着纳米科技和微电子技术的发展，人们对高分辨微纳加工的要求越来越高，电子束光刻技术以其分辨率高、性能稳定、工的要求越来越高，电子束光刻技术以其分辨率高、性能稳定、功能强大、价格相对低廉而成为最为关注的下一代光刻技术之功能强大、价格相对低廉而成为最为关注的下一代光刻技术之一。许多研究成果已表明一。许多研究成果已表明直写式电子束光刻直写式电子束光刻技术在制备技术在制备小小于于10nm10nm特征尺寸