[科普中国]-NBL电子束曝光系统

电子束曝光技术是光刻技术的延伸，是指利用某些有机聚合物对电子敏感的特性，将其加工成精细掩模图形的曝光技术。它是近些年才发展起来的集电子光学，精密机械，超高真空，计算机自动控制技术于一体的新兴技术。

NBL 电子束曝光系统，是基于SEM电子束曝光系统的，它主要由主机、逻辑电路、高压电柜、触摸控制四个部分组成。

电子束曝光的原理和优缺点原理电子枪的阴极发射电子经加速极，栅极共同作用后，在阳极孔附近由于电磁透镜径向场的向轴作用力汇聚成极细的电子束，再由物镜将它投射到工件表面上，计算机将微型电子器件上复杂而精细的图形，转换成数据并传输到图形发生器，由图形发生器控制束偏转器和束流的通断在工件上曝光出图形。

优缺点（1）电子束曝光的分辨率高，电子束曝光在较高的加速电压情况下，可以得到较小的束班，取得较高的分辨率，较高的分辨率可以提高器件的性能和可靠性。

（2）与传统的光刻曝光相比较，曝光图形精度优良，电子束的焦深很深，不受工作样品的表面光洁度的影响，可以制造出光学曝光不能制造的器件。

（3）电子束曝光设备的资金投入小，曝光的图形容易改变和修整，非常适合小批量，高性能，图形复杂的器件的研发。

（4）电子束曝光会产生较严重的邻近效应，一定程度上会影响图形的分辨率和图形的精度。

（5）生产率较低，为了提高生产率，人们做出了巨大的努力，使电子束曝光的生产率有了很大的提高，但相对而言，它的生产率还远远低于光学曝光。

电子束曝光系统的种类基于SEM的电子束曝光系统由于改进扫描电镜（ SEM） 的工作方式与电子束曝光机十分相近，最初的电子束曝光机是在 SEM 的基础上改装发展起来的。扫描电镜光学系统一般是由电子枪、对中线圈、聚光镜、物镜光阑、物镜线圈、扫描线圈、消像散器等构成，这种电子束曝光系统是电子从电子枪发射出来，通过聚光镜和物镜的聚焦获得极细电子束；聚焦电子束受到电磁线圈的控制，使电子束能够通过聚光镜、物镜光阑和物镜等部件最后达到样品表面的曝光系统。

高斯电子束曝光系统高斯电子束扫描系统分为矢量扫描方式和光栅扫描方式。矢量扫描方式曝光是先将曝光图形分割成不同的场，在扫描场内，以矢量方式从一个单元图形跳到另一个单元图形，逐个对单元图形进行扫描，完成一个扫描场描绘后，移动工件台再以同样的方式进行第二个场的扫描，直到完成全部图形的曝光。光栅扫描方式采用高速扫描方式对整个图形场进行扫描，利用快速束闸，实现选择性曝光。

成型电子束曝光系统成形电子束曝光系统按束斑性质可分成固定和可变成形束系统。固定成形束系统是指采用特殊设计的成形光阑，在成型光阑的作用下形成三角形、梯形、圆形及多边形等在曝光时尺寸始终不变的束斑形状。成型束的最小分辨率比其它曝光系统的分辨率要低些且有束斑尺寸整数倍时会产生重叠区，但曝光效率高，目前广泛用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域如用于掩模版制作和小批量器件生产等。可变成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。电子束经第一方光阑后形成一束方形电子束，再照射到第二方光阑上。该像由成型偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方光阑的束斑的尺寸和位置，形成可变的成形束斑。

投影电子束曝光系统现有电子曝光系统虽能得到极高的分辨率，但相对于光学曝光，其生产率仍比较低，为了进一步提高生产率，近年来正在研发投影电子束曝光系统。它通过由特殊薄膜构成的掩模，经过不同的光阑孔，形成需要曝光的图形角度，再利用分布重复技术，形成所要求的图形。既能使曝光分辨率达到纳米量级，又能大大提高生产率，且不会产生邻近效应。

NBL电子束曝光系统组成NBL 电子束曝光机是一款基于 SEM 电子束曝光系统的直写设备，如图 1所示，它主要由主机、逻辑电路、高压电柜、触摸控制四个部分组成。

NBL 的电子光学曝光部分如图 2所示，主要包括电子枪、聚光镜、电子偏转部分。它采用的是热场发射电子枪，它由灯丝、发射尖端、栅极三个主要部分组成，电子枪是一切电子光学仪器的关键部分，发射尖端位于灯丝上，它决定高压的性能，作用是产生一个强度足够大的，并且在一定范围内可调的电子流，考虑了相对论效应修正后，由电子束波长公式： 可知电子束的束斑直径与电压的关系，对于BL 来说，加速电压为 80 kV，其波长仅为 0.0043 nm，得到较高的分辨率。聚光镜部分由三级透镜组成，用来汇聚电子枪发出的电子束，当电子束偏离第一级透镜的焦点时，穿过光阑，束流中心周围的电子被屏蔽，束流变窄变细，经过第二级透镜和物镜进一步将束斑缩小，电子束经过聚光镜部分使束斑直径非常小。

电子偏转部分，通过图形发生器和数模转换电器去驱动 SEM 的扫描线圈，每个 SEM 线圈都包含 4个绕组，通过计算机送出的数字量转换成相应的模拟量，通过线圈电流的大小变化来控制电子束向 X和Y轴两个不同方向的偏转，从而使电子束偏转。一方面使束流进入最后一级透镜时损失最小，另一方面使电子束在子场内不同区域完成曝光1。

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学