[科普中国]-电子束曝光

电子束曝光（electron beam lithography）指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。

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。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米线提供了很有用的工具。电子束曝光需要的时间长是它的一个主要缺点。为了解决这个问题，纳米压印术应运而生。

电子束曝光在半导体工业中被广泛使用于研究下一代超大规模集成电路。

基本结构电子束曝光的基本结构，从上往下依次为：电子枪、电子枪准直系统、电磁透镜、消像散器、偏转器、物镜、光阑（Aperture）、电子探测器、工作台（stage）以及真空泵（离子泵、分子泵、机械泵）。

电子枪：高分辨率的热场发射，配有高压，电子束的能量通常在10~100KeV。

电子枪准直系统：对电子枪发出的电子束进行较直。

电磁透镜：与光学透镜类似，聚焦电子束。

消像散器：调节聚焦像散，减少误差。

光阑：改变电子束流。

电子束曝光系统电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术，它的特点是分辨率高（极限分辨率可达到3～8μm）、图形产生与修改容易、制作周期短。它可分为扫描曝光和投影曝光两大类，其中扫描曝光系统是电子束在工件面上扫描直接产生图形，分辨率高，生产率低。投影曝光系统实为电子束图形复印系统，它将掩模图形产生的电子像按原尺寸或缩小后复印到工件上，因此不仅保持了高分辨率，而且提高了生产率。

（1）基于改进扫描电镜的电子束曝光系统由于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从SEM基础上改装发展起来的，近年来随着计算机技术的飞速发展，将SEM改装为曝光机的工作取得了重要进展。

主要改装工作是设计一个图形发生器和数模转换电路，并配备一台PC机。PC机通过图形发生器和数模转换电器去驱动SEM的扫描线圈，从而使电子束偏转。同时通过图形发生器控制束闸的通断，最终在工件上描绘出所要求的图形。通常采用矢量扫描方式描绘图形，即在扫描场内以矢量方式移动电子束，在单元图形内以光栅扫描填充。

对SEM进行改装时，应考虑SEM偏转系统的带宽以及工作台移动精度等对曝光图形误差和图形畸变的影响。目前，高档SEM改装系统的功能接近于专用电子束曝光机，但由于受到视场小、速度低及自动化程度低等限制，在生产率上不可能与专用电子束曝光系统相比。

（2）高斯电子束扫描系统矢量扫描方式：

曝光时，先将单元图形分割成场，工件台停止时电子束在扫描场内逐个对单元图形进行扫描，并以矢量方式从一个单元图形移到另一个单元图形；完成一个扫描场描绘后，移动工件台再进行第二个场的描绘，直到完成全部表面图形的描绘。

由于只对需曝光的图形进行扫描，没有图形部分快速移动，故扫描速度较高。同时为了提高速度和便于场畸变修正，有部分系统将扫描场分成若干子场，电子束偏转分成两部分：先由16位数模转换器（DAC）将电子束偏转到某子场边缘，再由高速12位DAC 在子场内偏转电子束扫描曝光，如图2所示。系统的特点是采用高精度激光控制台面，分辨率可达1nm以下，但生产率远低于光学曝光系统，并随着图形密度增加而显著降低，因此难以进入大规模集成电路（LSI）生产线 。

光栅扫描系统：

采用高速扫描方式对整个图形场扫描,利用快速束闸控制电子束通断,实现选择性曝光。例如美国Etec公司生产的MEBES系统采用高亮度热场致发射阴极,在掩模版上可获得400 的束电流密度，工件台在X方向作连续移动时，电子束在Y 方向作短距离重复扫描，从而形成一条光栅扫描图形带。随后工件台在 Y方向步进，再描绘相邻的图形带。激光干涉仪对工件台位置进行实时监测并补偿行进中的工件台的位置误差。由于采用了工件台连续移动、大束斑快速充填、高亮度热场致发射阴极等技术，极大地提高了扫描系统生产率，且生产率不受图形密度的影响1。

（3）成型电子束扫描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。固定成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸始终不变；可变成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。按扫描方式，成形电子束曝光系统又可分为矢量扫描型和光栅扫描型。一种尺寸可变的矩形束斑的形成原理是电子束经上方光阑后形成一束方形电子束，再照射到下方方孔光阑上。在偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方孔光阑的矩形束斑的尺寸，形成可变的矩形束斑；采用特殊设计的成形光阑，还可形成三角形、梯形、圆形及多边形等成形电子束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，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。

般大于100nm，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

（4）投影电子束扫描系统扫描式电子束曝光系统可以得到极高的分辨率，但其生产率较低，不能满足大规模生产的需要。成形束系统生产率固然有所提高，但其分辨率一般在0.2μm左右，难以制作纳米级图形。近年来研发的投影电子束来曝光系统，既能使曝光分辨率达到纳米量级，又能大大提高生产率，且不需要邻近效应校正。目前在研制中的投影式电子束曝光系统主要有两种。

一种是Lucent公司的SCALPEL系统，平行电子束照射到SiNx薄膜构成的掩模上，薄膜上的图形层材料为W/Cr。当电子穿透SiNx和W/Cr两种原子序数不同的材料时，产生大小不同的散射角。在掩模下方缩小透镜焦平面上设置大小一定的光阑时，通过光阑孔的主要是小散射角的电子，而大散射角的电子则大多数被遮挡，于是在工件面上得到了缩小的掩模图形。再经过分布重复技术，将缩小图形逐块拼接成所要的图形。近期采用散射型掩模取代了吸收型镂空掩模，以及采用角度限制光阑技术使SCALPEL技术得到迅速的发展，故投影电子束扫描系统极可能成为本世纪0.1μm以下器件大规模生产的主要光刻手段。

另一种是Nikon公司和IBM公司合作研究的下一代投影曝光技术—PREVAIL，其技术实质是采用可变轴浸没透镜，对以硅为支架的碳化硅薄膜进行投影微缩曝光。由于将大量平行像素投影和扫描探测成形相结合，从而得到较高的曝光效率，并对像差进行实时校正。通过这项技术可望研制出高分辨率与高生产率统一的电子束步进机，用于 100nm～50nm电子束曝光。

|| || 四种电子束扫描系统的主要性能特点

相关工艺**光刻：**衬底→甩胶→电子束曝光→显影→定影→镀膜→去胶→SEM观察

抗蚀剂：

PMMA：正胶。分辨率高，对比度大，利于剥离，价格低；灵敏度低，耐刻蚀能力较差。

HSQ：负胶。分辨率高，邻近效应小，灵敏度低。

对正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反。

特点电子束曝光是用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。

这种曝光方式分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限大，而且生产效率高，但由于电子束在光刻胶膜内的散射，使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响（即临近效应），造成的结果是，显影后，线宽有所变化或图形畸变。虽然如此，限角度投影式电子束光刻仍是目前最具前景的非光学光刻。2

电子束曝光有投影（又称为电子束面曝光）和扫描（又称为电子束线曝光）两种工作方式。

电子束投影方式与光刻过程类似，是将掩模版上的图形转换成衬底表面介质的图形的过程。

操作写场校准写场的校准是电子束曝光工艺中的关键一步，写场校准决定了曝光图像的精确度。

对写场的调节本质上是使系统电子束的偏转与样品曝光位置相匹配。即，图形拼接与样品台移动相匹配
曝光起点与写场中心相一致。

写场调节应先进行粗调，选择大范围，远离样品的曝光位置。再进行细调即可。

纳米套刻纳米套刻是将模板图形准确无误的套刻在要曝光的位置。因此需要找到3个精确的位置并定标，使样品台与样品的坐标相匹配。

本词条内容贡献者为:

韩拯 - 研究员 - 中国科学院金属研究所