1、微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室微纳研究中心超净室系列讲座微纳研究中心超净室系列讲座电子束曝光系统（电子束曝光系统（EBLEBL）张亮亮张亮亮2011年年10月月14日日1第1页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Mic
2、ro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室电子束曝光概述电子束曝光概述电子束曝光系统的结构与原理电子束曝光系统的结构与原理CABL9000C电子束曝光系统及关键参数电子束曝光系统及关键参数电子束曝光的工艺程序电子束曝光的工艺程序电子束曝光的极限分辨率电子束曝光的极限分辨率多层刻蚀
3、工艺多层刻蚀工艺2第2页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室1.1 电子束曝光是什么？电子束曝光是什么？电子束曝光电子束曝光（electron beam lithography）指利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图
4、形的，是光刻技术的延伸。1.电子束曝光概述紫外光紫外光普通光刻普通光刻电子束曝光电子束曝光电子束电子束3第3页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室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
5、的精度越高。紫外光波长:常用200400nm之间根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。4第4页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程
6、国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室1.2 电子束曝光有什么用？电子束曝光有什么用？电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用最高级的电子束曝光设备和特殊显影工艺，能够写出10nm以下的精细结构。纳米器件的微结构集成光学器件，如光栅，光子晶体NEMS结构小尺寸光刻掩模板5第5页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS E
7、NGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室离子泵离子泵限制膜孔电子探测器工作台分子泵场发射电子枪电子枪准直系统电磁透镜消像散器偏转器样品交换室机械泵物镜2.电子束曝光系统的结构与原理6第6页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKL
8、MS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室电子枪场发射电极 ZrO/W电场强度:108N/C 钨丝2700K六硼化镧1800K0.5um电子束曝光的电子能量通常在10100keV2.1 电子束曝光系统的结构电子束曝光系统的结构7第7页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS
9、SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室电子枪准直系统整个电子光柱由各部分电子光学元件组装起来，装配高度达1m左右。任何微小的加工或装配误差都可能导致电子枪的阴极尖端与最后一级的透镜膜孔不在同一轴线上。因此需要装一个准直系统，必要时对电子枪发出的电子束进行较直。8第8页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYS
10、TEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大限度的到达曝光表面电磁透镜消像散器由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正9第9页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR
11、 MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室偏转器用来实现电子束的偏转扫描。偏转器物镜将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表面的电子束斑。除以上部分外，电子束曝光系统还包括束流检测系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、图形发生器等。10第10页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LAB
12、ORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室最小束直径：直接影响电子束直写的最小线宽。加速电压：一般10100keV，电压越高，分辨率越高，邻近效应越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂层。电子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数日本CRESTEC 公司生产的CABL9000C2nm，最小尺寸20nm30keV常用：25100pA11第11页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano
13、 Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可避免多场拼接；扫描场小，精度高。拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。60600um2050nm12第12页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Rese
14、arch Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室生产公司生产公司美国美国Vistec日本日本Crestec型号型号VB300CABL9000C最大电子束能量最大电子束能量/keV10030扫描速度扫描速度/MHz501最小曝光图案最小曝光图案/nm1020扫描场尺寸扫描场尺寸164um1.2mm60um600um价格价格/USD69 Mi
15、llion1Million评价评价商业用，性能高，价格高商业用，性能高，价格高电子束曝光与电镜两用，电子束曝光与电镜两用，价格低价格低13第13页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室4.电子束曝光的工艺程序14第14页，共
16、24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室4.1抗蚀剂工艺PMMA优点：分辨率高（优点：分辨率高（10nm），对比度大，利于剥离技术，价格低），对比度大，利于剥离技术，价格低 缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能力差缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能
17、力差HSQ：负胶，极高的分辨率（：负胶，极高的分辨率（10nm），邻近效应小，灵敏度很低），邻近效应小，灵敏度很低ZEP-520优点：分辨率高（优点：分辨率高（20nm），灵敏度较高，耐刻蚀），灵敏度较高，耐刻蚀 缺点：去胶较难缺点：去胶较难稀释剂：稀释剂：ZEP-A（苯甲醚）（苯甲醚）15第15页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYST
18、EMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室绘制曝光图案绘制曝光图案样品传入（样品为导体或半导体）样品传入（样品为导体或半导体）选择束电流选择束电流低倍聚焦低倍聚焦选定曝光位置选定曝光位置在在Au颗粒处调整像散颗粒处调整像散高倍聚焦，调节高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位，激光定位参数设定（位置、剂量、图案数量等）参数设定（位置、剂量、图案数量等）样品曝光样品曝光样品取出显影（样品取出显影（ZEP-N50，1min）曝光图案观察曝光图案观察4.2电子束曝光工艺16第16页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心
19、Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生碰撞，产生散射。4.3电子束曝光中的邻近效应17第17页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
20、Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室邻近效应邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个图形的边界也会由于邻近效应而扩展。18第18页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technol
21、ogy Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室邻近效应的校正剂量校正剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量下曝光的由于电子束散射，同一图形在同一剂量下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光剂量。能量分布式不同的，需要人为的改变曝光剂量。将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布（每一点能量将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布（每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同的区域分配曝光剂量。
22、的分布符合双高斯函数），按照不同的区域分配曝光剂量。缺点：计算复杂，需要缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件；等专业软件；计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在19第19页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
23、机械制造系统工程国家重点实验室图形尺寸校正图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。邻近效应的校正缺点：校正的动态范围小缺点：校正的动态范围小20第20页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验
24、室机械制造系统工程国家重点实验室1）稳定的工作环境）稳定的工作环境：温度变化范围0.2，振动2um以下，磁场变化在0.2uT以下。2）高的电子束能量）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一般都在100keV。3）低束流）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。4）小扫描场）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨率应尽量使用小扫描场。5.电子束曝光的极限分辨率电子束曝光电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于的
25、微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形却不是的图形却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：21第21页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室5）低灵敏度抗
26、蚀剂）低灵敏度抗蚀剂：20nm以下的电子束曝光全部使用低灵敏度的抗蚀剂，例如PMMA等。6）薄抗蚀剂层）薄抗蚀剂层：减小抗蚀剂层可以减小散射，降低临近效应。7）低密度图形）低密度图形：可以比较容易实现20nm的单一线条图形，却无法或很难实现20nm等间距的线条图形。8）低密度、高导电性衬底材料）低密度、高导电性衬底材料：高密度的衬底材料产生的散射电子多，临近效应强；衬底导电性不好会产生电荷积累效应，影响曝光图形的精度。电子束散射示意图200nm41nm台阶77nm多边形22第22页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research
27、 Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室中灵敏度抗蚀剂高灵敏度抗蚀剂低灵敏度抗蚀剂电子束曝光电子束曝光金属镀膜金属镀膜溶脱剥离溶脱剥离6.多层抗蚀剂工艺23第23页，共24页。微米纳米研究中心微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center Micro and Nano Technology Research Center STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERINGSKLMS SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室机械制造系统工程国家重点实验室谢谢！24第24页，共24页。
