电子束光刻充电效应及其解决方法?

当我们使用电子束光刻做pattern时,有时候会发现在一些特殊情况下,无法获得完美的图形(图形变形、断线等),这种情况极有可能是因为电子束光刻的充电效应(荷电效应)导致的,下面我们将分为几个部分介绍一下基础知识,充电效应的形成,怎样来避免充电效应?

充电效应机理

1.电子束与固体材料的相互作用

a.散射:电子穿过光阻,部分电子发生小角度散射,光阻越薄、电子加速电压越大,前散射越小。

b.背散射:穿过光阻的电子到达衬底,并发生大角度的散射,背散射电子参与曝光,并使曝光区域展宽。

c.二次电子:失去能量的电子减速产生一连串的低能电子叫做二次电子,参与曝光,但影响区域很小(光阻中影响区域几纳米)。

图1 电子束与固体材料相互作用

2.电子作用范围

a.阻厚度:光阻厚度越小,前散射的作用区域越小。

b.电子加速电压:电子加速电压越大,前散射越小,背散射影响区域越大。

c.衬底材料:材料的原子序数越大,背散射影响区域越小。

图2. 电子在不同材料中的散射轨迹
图3. 不同能量电子在不同材料中轨迹范围
图4. 不同能量电子在材料中的散射轨迹

充电效应产生的原因和现象

1.产生的原因

a.绝缘衬底:穿过光阻的电子到达衬底上不能被及时导走富集在曝光区域形成不均匀电场,从而对后续曝光中的电子束产生排斥力,从而导致很难实现纳米尺度图形制作。常见的绝缘衬底有:半导体工艺材料(SiO2、Si3N4)、光电子材料(GaN、蓝宝石、石英玻璃等)。

b.低能厚胶:导体或者半导体材料通常不会产生充电效应,但是对于厚的光阻(光阻一般不导电),或者低能电子束曝光(电子穿透深度有限)的情况下同样会存在充电效应。

图5. 充电效应示意图

2.充电效应现象

充电效应产生的现象常常有:图形变形、断线、线条不直、很难获得高分辨率图形等

图6. 绝缘衬底上电子束曝光应用(B引入导电层)
图7. 充电效应导致图形变形(B引入导电层)

充电效应解决方法

消除充电效应的方法可以通过从设备到工艺上的优化创新来实现绝缘衬底上实现需要的纳米尺度图形,目前有消除充电效应的常见方法有以下几种(其中前三类是工艺上的改变,后两种属于设备工艺实现):

(1)金属导电层

引入金属导电层是解决充电效应最直接的方法,通常是在光阻的上层或者下层蒸发或者溅射一层薄薄(10nm)的导电金属(如Au、Au-Pd合金、Ni-Cr合金、Cr、Al、Cu等),由于导电金属的存在将富集在光阻或衬底上电子迅速导走,避免形成充电效应。常见的金属层的工艺分为以下两种:

  • a.上层金属层:在光阻上层蒸镀一层薄薄的金属导电层,电子束曝光后采用湿法将金属层溶解掉后在进行后续光阻的显影工艺。需要注意的是上层金属工艺中镀金属必须采用热蒸发的方式进行,因为,电子束蒸发设备在镀金属时会产生X射线,常见的电子束光阻对X射线敏感,会将光阻曝光。
  • b.底层金属层:在光阻底层镀上一层薄薄的导电金属也有着同样的效果,其优点是对镀膜的方式没有限制,曝光完成后可直接进行显影工艺,再进行湿法去除裸露出的金属,以便进行后续工艺。
图8. 引入金属导电层的工艺流程图(a.上层金属层  b.底层金属层)

引入导电层可以有效解决绝缘衬底的充电效应,但是导电层的引入也使工艺变得更加复杂、金属导电层的去除必然引入腐蚀液、同时带来环境污染样品污染等问题。

(2)导电聚合物

引入导电聚合物的原理与导电金属层一样,由于导电聚合物是水溶性的,可采用与光阻相同的旋涂工艺实现,导电聚合物对电子束不敏感,曝光后直接用去离子水去除导电聚合物,即可进行后续显影等步骤。相比于导电金属层具有使用方便、工艺简单、不会引入污染物等优点。目前市面上有商品化的导电胶,如德国AllresistAR-PC 5090系列产品和日本Espacer等产品。

图9. 引入导电聚合物的工艺流程图(a.上层金属层  b.底层金属层)
图9 石英衬底上100nm银点阵
图10 石英衬底上利用HSQ和导电聚合物AR-PC 5090.02制作20nm线条

(3)引入其他导电物质

  • a.Mo氧化物/金属层双层膜工艺:这种工艺是引入水溶性导电物质和导电金属层工艺的一种组合,利用Mo的氧化物易溶于水的特点(20nm/min)来去除导电层。其优点是不需要引入腐蚀性溶液,避免对衬底的损伤和污染,但相比于导电聚合物,其工艺较复杂。
  • b.导电物质(碳粉、石墨烯、C60等)掺杂光刻胶:这种工艺是将导电的颗粒均匀掺杂在光刻胶中,曝光是利用在电子轰击下,在光刻胶表面形成均匀的电场不免形成不均匀的电场而产生的横向排斥力,从而消除不均匀的充电效应产生的问题。其缺点是:需要均匀的导电颗粒,且导电颗粒的尺寸小于电子束曝光的特征尺寸。目前有用户采用石墨烯作为导电物质来消除充电效应。
图 12. 引入Mo氧化物和金属双层工艺流程图(a.上层金属层  b.底层金属层)

(4)变电压电子束曝光系统

变压电子束曝光系统利用变压扫描电镜的电荷平衡机制,仰制曝光过程中在绝缘衬底上充电效应的发生。该曝光系统是在变压扫描电子显微镜上加上图形发生器实现的,通过在样品室内引入易被电子束辅照离化的低压气体(典型的气体有水蒸气、N、Ar、He),使带正电的气体离子迁移到带负电的光阻表面,从而达到电荷的平衡,消除充电效应。研究表明采用水蒸气作为低压气体的变压电子束曝光中引入气体与电子束发生的散射对设备的曝光分辨率基本没有影响,可实现的曝光分辨率小于20 nm 。这种方法可以用于不同的绝缘衬底及光阻系统上制作纳米尺度的图形,不受衬底及光阻的限制。但它需要特殊的压差抽气电子光柱体及精确的气体传送系统,因此在应用上受到很大的限制。

图13. 电荷平衡机制
图14. VP-SEM images of 15nm Au/Pd film patterned on a glass substrate with a 30keV primary beam energy under:(a)high vacuum (b)0.4 Torr (water vapor pressure) (c)1 Torr

(5)临界能量法

在电子束曝光系统中总的电子产额(σ)等于二次电子产额(δ)与背散射电于产额(η)之和,并随着加速电压而变化。

引起充电效应的多余电荷为:

图15. 总电子产额与电子束能量关系曲线

对于高的加速电压绝缘衬底上带负电荷(σ<1); 但对于低能电子束,当大量的电子从表面被散射或逃逸出来,而不是储存在绝缘体内时,那么样品的表面就可能带正电荷(σ>1);在临界能量下电子产额会达到平衡,因此通过控制电子的能量可以减小充电效应,从而在绝缘衬底上实现纳米尺度图形的制作。

  • 临界能量的获取方法是变化放大倍率;
  • 适用于不同的衬底及光阻;
  • 低电子能量:光阻厚度受限;
  • 低电子能量:前散射大、分辨率受限;
  • E2随光阻种类、光阻厚度、衬底类型变化;
  • 对于不可变电压电子束曝光系统不适用。
图16. SEM images of 5nm thick Au after lift-off. The minimum feature size was 60nm with an area dose 10μC/cm2.

综上所述,如果在做电子束光刻过程遇到衬底导电性不佳,或者胶厚非常厚的情况下,我们就必须考虑到有可能发生充电效应,如果遇到充电效应,也不用担心,我们可以根据自己的实验要求合理选择应对措施,其中导电聚合物是最快捷有效的解决办法,但是如果您的曝光线宽小于20nm,那么导电胶的引入有可能很难获得20nm的结构,这个时候金属导电层也是比较好的选择方案。

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