电子束曝光
集成技术中心技术报告
电子束曝光技术
中国科学院半导体研究所 半导体集成技术工程研究中心
韩伟华
Email: weihua@https://www.360docs.net/doc/264034408.html,
提
要
? 设备的组成、性能及相关工艺设备 ? 电子束曝光设备的操作程序 ? 电子束曝光的关键技术
?
? ? ? ? ? ?
曝光模板的设计 电子束光刻胶的厚度控制 电子束的聚焦 坐标系的建立与写场对准 纳米套刻技术 电子束扫描方式与曝光 电子束剂量的比较与技术参数
? 高分辨率的纳米曝光图形的实现 ? 电子束光刻用户的培训
设备的组成与性能
德国EBL Raith150
主要用途
? 量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件，AB环 ? 集成光学器件：光子晶体, 光栅, 弯曲波导 ? NEMS 结构 ? 小尺寸的光刻板，如1×1 cm2 ? 对应版图进行SEM观察
主要特征
? 电子枪：高分辨率的热场(Schottky)发射源 (尺寸: 20nm) ? 束能量可调：200eV-30keV ? 图形直写(<0.5μm) ：最小线宽分辨率20nm ? 写场可调： 0.5μm-1000μm ? 图形快速生成：10MHz 描写速度 ? 晶片支架：1cm2 样片~ 6inch晶片 ? 水平控制：三点压电接触(自动)或6”激光干涉平台(手动) ? 双PC机控制系统：曝光与SEM测量 ? 图形编辑：GDSII格式，剂量可调
设备的组成
电子束曝光及其相关工艺设备
光刻
衬底
甩胶
衬底 电子束曝光 微米工艺 + 纳米工艺
电子束套刻 ICP刻蚀
衬底
显影
等离子体
衬底 图形转移
金属 衬底 衬底
金属蒸发
去胶 SEM 观察
电子束曝光设备的操作程序
? 设备启动
? 样品传入 ? 低倍聚焦 ? 定义坐标 ? 高倍聚焦
100nm
? 写场对准 ? 测束电流 ? 参数设定 ? 样品曝光 ? 样品取出
曝光精度: 10nm
曝光模板的设计
单层模板 套刻模板
Pattern Transfer Metal
Semiconductor wafer
电子束光刻胶的厚度控制
Spin speed vs film thickness for PMMA 950K C resist 2% in Chlorobenzene
1400 1300
PMMA 950K C2 (n=1.486) Spin time: 30s Sub: Si (n=3.850) Baking: 185°C, 90s
Resist Film Thickness (?)
1200 1100 1000 900 800 700 600 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
SUSS Coating System
Spin Speed (rpm)
电子束的聚焦
Filament Anode Beam-blanker Aperture
V0<2.5keV V0 >2.5keV V0 >20keV
坐标系的建立与写场对准
坐标系的建立 Global变换:样品(U,V) ? 样品台(x,y)
移动和倾角修正
Design (u, v) U V y
套刻图形坐标系的建立 Local变换: 版图 (u,v) ? 样品(U,V)
三点调整
rotation shift x
VU
写场的对准 图形拼接 ? 样品台移动 曝光起点(U,V) ? 写场中心
V
缩放因子和 倾角的修正
write field
曝光
U
写场对准
Self-Calibrtion
Sample (U,V) Beam (zoom, shift, rotation)
Beam movement Stage movement by laser interferometer WF Area: 100μm
(U,V) particle
纳米套刻技术
套刻模板图形(u,v)
E-Beam
v V O U u 整体坐标系
? 克服电子束套刻的对准误差 1. 样品台移动带来的写场拼接误差； 2. 电子束偏转带来的读取误差； 使电子束准确套刻范围局限在0.04mm2
? 套刻范围问题的解决 改变写场对准方式，局部套刻 范围提高到4mm2，增大了100 倍，对准误差小于40nm。
电子束扫描方式与曝光
Gaussian beam, vector scan, fixed stage Area exposure
Dose =
I beam ? Tdwell [μAs/cm2] 2 s
Ibeam = beam current Tdwell = dwell time
s = step size
Write field stitching→Chip Exposure
电子束剂量的比较
Positive Resist
E-Beam | | | | | | | C-C-C-C-C-C-C | | | | | | | | | | | C-C-C-C | | | | | | | C-C-C | | |
(a) 300 μC/cm2
Forward Scattering →Exposure
PMMA&ZEP
(b) 360 μC/cm2
Si
Backscattering
(c) 480 μC/cm2
邻近效应（Proximity Effet)
技术参数
z
电子束电压与图形剂量关系（曝光PMMA 950K正胶）
EHT Area Line Dot
z
10 kV 100 μC/cm2 300 pC/cm 0.1 fC
20 kV 200 μC/cm2 600 pC/cm 0.2 fC
30 kV 300 μC/cm2 900 pC/cm 0.3 fC
工艺方法
显影液 MIBK:IPA=1:3, 显影时间 10s-30s 定影液 IPA, 定影时间 10s-30s
高分辨率的纳米曝光图形的实现
验收曝光分辨率 控制曝光参数 ?甩胶厚度 ?电子束高压 ?光阑孔径 线条宽度: 53.5nm ?束斑聚焦 ?曝光剂量 ?显影时间 线条宽度: 10.5nm 极限曝光分辨率
圆孔直径: 85.6nm
圆孔直径: 22.4nm
ICP刻蚀的纳米线和纳米点图形
? 纳米结构胶掩膜：既要保证图形的纳米尺寸，又要保证掩膜的抗蚀能力 ? 控制胶厚度、曝光参数、显影时间和刻蚀气氛、功率和时间
ICP刻蚀
Plasma
PMMA substrate
20nm
43nm
40nm
边缘粗糙
50nm
65nm
各向异性湿法腐蚀的硅纳米线结构
Silicon nanowire by wet etching
w
Nanowire Mask
(a) w=150nm
(b) w=130nm
(c) w=40nm
Nanowire shrinkage by wet etching on silicon and SOI
Crystal facets of round mask
Silicon substrate
SOI substrate
光滑金属纳米线电极的制作
? 目的：解决纳米器件集成互联中纳米金属电极连线问题 金属
PMMA
substrate
154.8nm
单层胶的金属剥离工艺 粗糙、易断 金属
PMMA Copolymer
substrate 双层胶的金属剥离工艺 光滑、均匀
32.15nm 135.7nm
高光刻精度光刻版的制作技术
电子束曝光 E-beam PMMA 200nm Cr 145nm Glass 化学腐蚀铬版 PMMA Cr Glass 电导台阶版图
?MA6光刻机精度：线宽 0.5μm 光刻胶图形
接触电极版图
电子束曝光
集成技术中心技术报告
电子束曝光技术
中国科学院半导体研究所 半导体集成技术工程研究中心
韩伟华
Email: weihua@https://www.360docs.net/doc/264034408.html,
提
要
? 设备的组成、性能及相关工艺设备 ? 电子束曝光设备的操作程序 ? 电子束曝光的关键技术
?
? ? ? ? ? ?
曝光模板的设计 电子束光刻胶的厚度控制 电子束的聚焦 坐标系的建立与写场对准 纳米套刻技术 电子束扫描方式与曝光 电子束剂量的比较与技术参数
? 高分辨率的纳米曝光图形的实现 ? 电子束光刻用户的培训
设备的组成与性能
德国EBL Raith150
主要用途
? 量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件，AB环 ? 集成光学器件：光子晶体, 光栅, 弯曲波导 ? NEMS 结构 ? 小尺寸的光刻板，如1×1 cm2 ? 对应版图进行SEM观察
主要特征
? 电子枪：高分辨率的热场(Schottky)发射源 (尺寸: 20nm) ? 束能量可调：200eV-30keV ? 图形直写(<0.5μm) ：最小线宽分辨率20nm ? 写场可调： 0.5μm-1000μm ? 图形快速生成：10MHz 描写速度 ? 晶片支架：1cm2 样片~ 6inch晶片 ? 水平控制：三点压电接触(自动)或6”激光干涉平台(手动) ? 双PC机控制系统：曝光与SEM测量 ? 图形编辑：GDSII格式，剂量可调
设备的组成
电子束曝光及其相关工艺设备
光刻
衬底
甩胶
衬底 电子束曝光 微米工艺 + 纳米工艺
电子束套刻 ICP刻蚀
衬底
显影
等离子体
衬底 图形转移
金属 衬底 衬底
金属蒸发
去胶 SEM 观察
电子束光刻技术研究
电子束光刻技术研究 摘要：介绍了纳米加工领域的关键技术——电子束光刻技术及其最新进展。简要介绍了电子束光刻技术和目前这种技术所存在的技术缺陷和最新的研究成果和解决办法，如：关于邻近效应的解决，关于电子束高精度扫描成像曝光效率很低的问题，如电子束与其他光学曝光系统的匹配和混合光刻等问题，以及关于抗蚀剂工艺的最新进展等。 关键词：电子束光刻技术邻近效应电子束高精度扫描成像电子束与其他光学曝光系统的匹配混合光刻抗蚀剂工艺 Abstract: This paper introduces the key technology——electron beam lithography technology and the latest developments in the field of nanofabrication. A brief introduction and electron beam lithography technology currently exists drawback of this technology and the latest research results and solutions, such as: the effect on neighboring settlement, on the low-precision electron beam exposure scanning imaging efficiency issues, such as electron beam mixing and matching and other optical lithography exposure system and other issues, as well as the latest developments on the resist process and the like. 一：概述 电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)加工不同，其设备如图1所示，它是利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的技术。电子束光刻机与SEM(扫描电子显微镜)的原理基本相同，电子束被电磁场聚焦成微细束照到电子抗蚀剂(感光胶) 上，由于电子束可以方便地 由电磁场进行偏转扫描，复 杂的图形可以直接写到感 光胶上而无需使用掩模版。 与其他光刻技术相比，电子 束光刻的优点非常明显：首 先，电子束光刻分辨率高， 可达0．1 m，如直接进行刻 蚀可达到几个纳米。用电子图1
电子束 曝光
提
要
设备的组成、性能及相关工艺设备 电子束曝光设备的操作程序 电子束曝光的关键技术
曝光模板的设计 电子束光刻胶的厚度控制 电子束的聚焦 坐标系的建立与写场对准 纳米套刻技术 电子束扫描方式与曝光 电子束剂量的比较与技术参数
高分辨率的纳米曝光图形的实现 电子束光刻用户的培训
设备的组成与性能
德国EBL Raith150
主要用途
? 量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件，AB环 ? 集成光学器件：光子晶体, 光栅, 弯曲波导 ? NEMS 结构 ? 小尺寸的光刻板，如1×1 cm2 ? 对应版图进行SEM观察
主要特征
? 电子枪：高分辨率的热场(Schottky)发射源 (尺寸: 20nm) ? 束能量可调：200eV-30keV ? 图形直写(<0.5μm) ：最小线宽分辨率20nm ? 写场可调： 0.5μm-1000μm ? 图形快速生成：10MHz 描写速度 ? 晶片支架：1cm2 样片~ 6inch晶片 ? 水平控制：三点压电接触(自动)或6”激光干涉平台(手动) ? 双PC机控制系统：曝光与SEM测量 ? 图形编辑：GDSII格式，剂量可调
设备的组成
电子束曝光及其相关工艺设备
光刻
衬底
甩胶
衬底 电子束曝光 微米工艺 + 纳米工艺
电子束套刻 ICP刻蚀
衬底
显影
等离子体
衬底 图形转移
金属 衬底 衬底
金属蒸发
去胶 SEM 观察
电子束曝光技术及其应用综述
1 引言 在过去的几年中，微电子技术已发展到深亚微米阶段，并正在向纳米阶段推进。在此期间，与微电子领域相关的微/纳加工技术得到了飞速发展，如图形曝光（光刻）技术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等。在这些加工技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要推动者，正是由于曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和制备成本持续降低[1]。 几十年来，在半导体器件和IC生产上一直占主导地位的光学曝光工艺为IC产业链的发展做出了巨大贡献。通过一系列技术创新，采用超紫外准分子激光（193 /157nm）的光学曝光机甚至已将器件尺寸进一步推进到0.15～0.13μm，例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-50 00ESI/ASI（Canon公司）。但是，随着器件尺寸向0.1μm以下逼近，光学曝光技术将面临严峻的挑战，例如分辨率的提高使生产设备价格大幅攀升、超紫外光焦深缩短引起的材料吸收问题等，使光学曝光能否突破0.1μm成为业界普遍关注的问题[2～3]。 2 四种电子束曝光系统 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[4，5]。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。 2.1 基于改进扫描电镜（SEM）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[6]。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。 如图1所示，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。
电子束曝光机说明书
VOYAGER 普通用户操作说明和高级用户维护细则（20171212 整理） 一、普通用户进入： Raith service administer 和Voyager 的工作界面是常开的。用户不再细分，统一用管理员指定电压/光阑组合进行操作。 50KeV 对于A2 950K/200K的PMMA Area Dose 最佳值342.5μC/cm2, 500也可以。 1.找样品和设置基本条件 (a)检查样品室内有无样品，若有则unload sample（耗时8分钟，界面不 能有其它操作）。 进样：更换新乳胶手套，使用塑料镊子和标配样品盒，将样品夹到1-6号夹子下方，然后连带holder放入导轨，放下样品盖。然后点击load（通过机柜或voyager工作界面均可），直至自检结束。 (b)在XYZ坐标系，Z栏输入18, 单位mm，absolute状态，然后点击go. (c)File/open sample holder map/150 mm USH holder. (d)加高压：在Column control状态栏中选择EHT/Mode（LC，MC，HMC，HC） /Apr搭配组合，点击状态栏上方激活按钮。 (e)开CCV：在Column control状态栏下方右键CCV，选择open. 2.检查样品上方各区的聚焦/像散情况 (a)Height control/sample/USH (b)Stage Control/position/Align Foc/stigmator/go (c)打开Voyager的工作界面上方扫描按钮，调节joystick的Z轴（调样品台 高度）初步聚焦。
电子束曝光技术及其应用综述
电子束曝光技术及其应 用综述 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289- 在过去的儿年中，微电子技术已发展到深亚微米阶段，并正在向纳米阶段推进。在此期间，与微电子领域相关的微/纳加工技术得到了飞速发展，如图形曝光（光刻）技
1 引言术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等。在这些加工技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要推动者，正是由于曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和制备成本持续降低［1］。 儿十年来，在半导体器件和IC生产上一直占主导地位的光学曝光工艺为 IC产业链的发展做出了巨大贡献。通过一系列技术创新，釆用超紫外准分子激光（193/157nm）的光学曝光机其至已将器件尺寸进一步推进到0. 15?0.13 Pm,例如 PAS5500/950B （ASML 公司）,NSR-203B （Nikon 公司）和FPA-5000ESI/ASI （Canon公司）。但是，随着器件尺寸向0.1 Um 以下逼近，光学曝光技术将面临严峻的挑战，例如分辨率的提高使生产设备价格大幅攀升、超紫外光焦深缩短引起的材料吸收问题等，使光学曝光能否突破0. lum成为业界普遍关注的问题［2?3］ o 2四种电子束曝光系统 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?Sum）.图形产生与修改容易、制作周期短［4, 5］。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。 2.1基于改进扫描电镜(SEM)的电子束曝光系统