电子束光刻 – 概述

半导体是近年来国内的热门话题,围绕着半导体最核心的设备和耗材是光刻机和光刻胶。我们经常会听到ASML的极紫外光刻机以及日本的高端光刻胶。确实这些都是当前制作10nm以下集成电路的必要手段,那么我们有没有其他的手段来制作10nm以下的结构?实际情况是,我们有其他的手段获得10nm以下的结构,但是只是这种手段目前速度比较有限无法实现集成电路芯片的制造。但是他确实推动我们当前新材料、前沿物理研究、半导体、微电子、光子、量子研究领域的重要手段之一。这就是今天我们需要介绍的电子束光刻机。

我们前面介绍过很多关于紫外光刻的原理和工艺过程。但是大家可能会问,我们已经有可以做10nm量产的的光刻机了,但是为什么还要用速度慢的电子束光刻?甚至为什么要用电子束作为光源?电子束光刻的过程与紫外光刻有什么异同?电子束光刻所使用的的光刻胶与紫外光刻胶有什么异同?市场上有哪些种类的电子束光刻系统?电子束光刻的生产厂商有哪些?电子束光刻的应用有哪些?下面我们就带着这些问题先概要介绍一下:

电子束光刻的定义

利用聚焦电子束对某些高分子聚合物(电子束光刻胶)进行曝光并通过显影获得图形的过程。产生聚焦电子束并让聚焦电子束按照设定的图形扫描的设备就叫做电子束光刻机。

发展历史

通过上述的定义我们不难发现其实电子束光刻系统的核心是聚焦电子束。而聚焦电子束的应用从20世纪初期就开始了,最早期的应用就是阴极射线管在显示器中的应用,然后在20世纪60年代出现的扫描电子显微镜的出现,扫描电子显微镜的结构已经与电子束曝光机无本质区别了。但是利用聚焦电子束曝光产生精细图形是伴随着电子束光刻胶(也叫抗蚀剂)的出现开始的。电子束光刻的发展已经有50多年的历史了,他几乎是与光学曝光同步发展起来的,主要标志性的时间有下面几条:

  • 早在1965年就使用电子束曝光制作100nm的结构了
  • 1968年PMMA被作为电子束光刻胶使用
  • 1970年使用PMMA制作出0.15um声表面波器件
  • 1972年使用电子束光刻在硅表面做出横截面为60X60nm铝金属线条

80年代,当时人们普遍认为光学曝光已经走到了尽头,电子束光刻是最有前景的替代手段,然而,30多年过去了,电子束光刻依然无法替代光学曝光。在两种光刻技术的发展方面逐渐形成了相互补充的格局,相信这种格局依旧会长期保持。

理论基础

我们知道,光刻就是利用光辐照聚合物产生的变化形成图形,光学曝光的分辨率受光波长的限制,为了提高光学曝光的分辨率,光波的选择经历了从G线到I线,深紫外,极紫外不断缩短的发展过程。我们也知道,电子束本质上是带电粒子,但是从波粒二象性可知它也是一种光,其波长为:

由此,可知电子束的波长与电子束的加速电压的平方根呈反比关系,因此加速电压约高,电子束的波长越小,这跟我们市面上常见的电子束曝光系统的高电压系统和低电压系统直接相关。因此100KV的加速电压系统下的电子波长为0.12nm。这也是其高分辨率的基础保证。传统的电子束光刻使用直写模式,这也是目前电子束光刻效率比较低的重要因素,但是其优点是直写无需掩膜版,简单灵活。

电子束与紫外光一样能使一些聚合物产生解链或者交联反应,从而在显影过程中形成对应的图形,且一些紫外光刻胶本身就能当做电子束光刻胶使用,所以二者在本质上没有太大区别,为了区分,我们有时候也将电子束光刻胶叫做抗蚀剂。但是由于电子束在于物质的响作用时产生的散射会导致其作用过程比紫外光刻复杂的多。

至此我们已经回答了为什么要使用电子束光刻。以及电子束光刻的特点是高分辨率和灵活性,其光刻胶的机理与紫外光刻胶基本一致。但是电子束与固体物质的相互作用又决定了在深层次的作用方式的差异。

电子束曝光系统

我们刚才介绍过,电子束曝光系统是产生聚焦电子束和控制电子束按照设计的版图直写的设备,在基本原理上,他和扫描电子显微镜是类似的。包括光柱(产生聚焦电子束和控制电子束偏转和有无)、电子束检测系统(检测到达样品表面电子束流大小)、反射电子检测系统(观察样品表面对准标记)、工作台系统(放置和精确移动样品)、真空系统(获得高真空环境)、高压电压和计算机图形发生系统(将设计图形数据准换成控制偏转器的电信号),如下图所示。

图1 电子束曝光系统结构简图

电子束曝光系统按照曝光方式分为失量扫描和光栅扫描两种;按照束形可分为高斯束和变形束;按照工作方式可分为直接曝光和投影曝光。

电子束曝光系统的重要参数包括以下几个方面:

  • 最小束直径,直接影响曝光的图形的自小尺寸
  • 加速电压,加速电压高,分辨率越高,曝光产生的临近效应小,可曝光较厚的光刻胶
  • 电子束流,束流大曝光速度快,当然最大曝光速度受扫描频率限制,大束流的束斑也会较大
  • 扫描速度,扫描速度快曝光速度快,以频率表示
  • 写场大小,写场大则写场内图形无拼接误差
  • 其他还有控制台精度、拼接精度、套刻精度等

当前市面上电子束光刻机(曝光机)厂商主要有主要集中在欧洲和日本,我们经常听到的品牌有以下几个:
欧洲:
Vistec
Raith
Mapper
nanobeam
日本:
JEOL
Elionix
advantest
Crestec
美国
KLA
Applied Material
ABM
JC napity
等(排名不分先后)
其中,Vistec主要从事变形束电子束系统设计和生产,mapper从事多电子束光刻系统设计和生产、advantest推出了字符投影式光刻系统、其他几乎均为高斯束电子束系统
另外,需要指出的是JC napity(NPGS)生产图形发生器作为SEM附件实现电子束系统。Raith既有成套电子束曝光系统,也有图形发生器附件。

应用

电子束曝光系统的应用比较丰富,因为他是可控获得纳米级图形的重要工具,因而被广泛应用于以新材料(如超材料、表面工程)、前沿物理研究(如超导、量子)、仿生(功能性表面)、光子(微纳光学、光波导、光子晶体)、生物(DNA测试、纳流控)、微电子等研究领域。随着近年来科技市场发展,电子束也被应用于3D结构光器件的加工、光子芯片加工、高功率芯片加工领域,还有掩膜版制作这个传统领域等。

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2 Comments

  1. Mike

    电子束光刻,由于电子散射电子束会被展宽,因此显影后的图形是上窄下宽的下切结构。想请教一下,为什么光学光刻得到的图形是上切结构?一直没搞明白。谢谢

    1. 管理员

      紫紫外光刻中topcut的形成跟接触式光刻有关,由于图形边缘的光强分布导致边缘靠近光刻胶顶面会被部分曝光,而随着深度方向的增加,光强越来越小,这样就形成了topcut结构,负胶相反

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