基于扫描电镜的电子束曝光系统Raith
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-5000ESI/ASI（Ca non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。
电子束曝光技术
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@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¾¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾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 MetalSemiconductor wafer电子束光刻胶的厚度控制Spin speed vs film thickness for PMMA 950K C resist 2% in Chlorobenzene1400 1300PMMA 950K C2 (n=1.486) Spin time: 30s Sub: Si (n=3.850) Baking: 185°C, 90sResist Film Thickness (Å)1200 1100 1000 900 800 700 600 50010001500200025003000350040004500SUSS Coating SystemSpin Speed (rpm)电子束的聚焦Filament Anode Beam-blanker ApertureV0<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 xVU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-CalibrtionSample (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-Beamv 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0.04mm2¾ 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。
电子束曝光工作原理
电子束曝光工作原理电子束曝光技术是一种在电子器件制造和半导体工业中广泛应用的曝光技术。
它利用电子束对物质进行精确曝光，用于制作微型电子元件，如集成电路芯片。
本文将详细介绍电子束曝光的工作原理和应用。
一、电子束曝光的概述电子束曝光是一种非接触式的曝光技术，相比于传统的光刻技术，具有更高的分辨率和更好的制作精度。
其原理基于电子束的物质相互作用和聚焦控制。
二、电子束的发射与聚焦电子束曝光系统中的电子束由电子枪发射产生。
电子枪利用热电子发射原理，通过加热阴极将电子释放出来。
通过施加电场，将发射出的电子加速，形成高速电子束。
为了实现曝光的精度和分辨率，电子束需要进行聚焦。
聚焦系统通常由一组电磁透镜组成，通过对电子束施加不同的磁场来实现对电子束的聚焦控制。
聚焦系统的设计和优化，是实现高分辨率和高精度曝光的关键。
三、电子束控制系统为了实现高精度的曝光，电子束曝光系统需要配备一套精密的电子束控制系统。
该系统通常由计算机和控制软件组成，用来控制电子束的位置、运动速度、加速电压等参数。
电子束控制系统通过电磁偏转来控制电子束的位置和路径。
通常采用的方式是，通过施加电磁场对电子束进行转向和偏转，使得电子束按照预定的轨迹进行运动。
四、电子束与物质的相互作用电子束在物质中的相互作用是电子束曝光的核心原理。
当电子束照射到物质表面时，会产生电子-物质相互作用，其中包括电子散射、电子损失、电子激发等过程。
电子束曝光系统通常会采用正交扫描方式，即电子束从一个方向扫描到另一个方向，通过对待曝光的物质进行扫描，实现对物质的精确曝光。
五、电子束曝光的应用电子束曝光技术在半导体工业和集成电路制造中有着广泛的应用。
它可以用于制作微型电子元件、微电子器件等。
相对于传统的光刻技术，电子束曝光具有更高的分辨率和更好的制作精度，可以满足现代电子器件对于微小尺寸和高精度的要求。
此外，电子束曝光技术还可以应用于光刻模板的制造、纳米制造领域等。
随着科技的不断进步，电子束曝光技术在微纳加工领域的应用前景将更加广阔。
基于扫描电镜的电子束曝光系统Raith(课堂PPT)
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1
主要内容
• 扫描电子显微镜介绍 • Raith电子束曝光系统 • 电子束曝光图形制作 • 曝光参数 • 对准操作 • 纳米器件制作的主要步骤
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2
XL 30 S FEG (a top performing field emission SEM)
X-rays Auger e–
Cathodaluminescence Secondary e–
Inelastically Scattered e–
Elastically Scattered e–
Unscattered e–
.
10
二次电子的形成
MORE secondary e–
escape
FEWER secondary e–
Acceleration voltage:200 V 30kV Resolution:1.5nm at >10kV, 2.5nm at 1kV Electron spot ~ 1nm, Resolution ~ 1nm STEM within SEM!! + CL detector
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3
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4
电子发射枪
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50
基片准备和样品分散
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51
定位和曝光图形设计
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52
镀膜和剥离
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53
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54
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5
电子透镜原理
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6
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7
• Electron gun produces beam of monochromatic electrons.
• First condenser lens forms beam and limits current ("coarse knob").
常见电子束曝光和rie刻蚀工艺流程
常见电子束曝光和rie刻蚀工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于扫描电镜的电子束曝光机对准系统的研制
!9 引言
芯片 性能 和集 成 度 的 不 断 提高 ，促使 芯 片 的 特 征尺 寸不 断缩 小，这 样对 曝 光 刻 写 精 度 提出 了 更 高 的 要求 ，它一 方面 依赖 于工 艺技 术，而 更为 重要 的是 依赖于光刻设备对准系统的设计。近 "# 年来，开始 出现一种用 C’ 机和图形发生器（C2）控制扫描电 镜（ D/%）进行曝光的电子束曝光系统［= ］，这种基于 扫描 电镜 的电 子束 曝 光 机 由 于 具有 操 作 方 便、价 格 便宜 、用 途广 泛等 特点 ，越来 越引 起各 国科 研工 作者 的关注。D/% 的固有特点致使此类曝光机 对准系 统与 商用 电子 束曝 光 机 的 对 准系 统 在 控 制 原 理、校 正方 式等 方面 有很 大不 同。 本文 在介 绍了 基于 扫描 电镜 的电 子束 曝光 机 对 准 原 理 的基 础 上 ，详 细 分 析 了 此曝光 机硬 件和 软 件 的 设 计 方 案，并 进行 了 曝 光 实 验。
（$）接收 %& 机发送 来的曝光 单元图形，控制 !" 主扫 描 数模 转 换 器（ +,& ）输 出 模 拟量，驱动 ’() 的扫描线圈进行图形曝光；
（-）控制 !" 主扫描 +,& 输出矢量扫描信号， 驱动 ’() 进行扫描场扫描；
（!）控制图形采集 ,+& 采集 ’( . /’( 检测器传 来的图像信息，并将其传给 %& 机；
"9 对准原理
对准 是进 行电 子 束 扫 描 场 拼 接和 套 刻 的 前 提。 商用曝光机的测量和校正完全是自动化的［ "］，而由 D/% 加 C2 构成的曝光机对准系统则是采用图像方 式完 成。 本文 所讨 论的 对准 主要 是指 对扫 描场 的校 正，使校正后的扫描场能够成为理想的正 形。
电子束曝光系统
2.1 电子束曝光系统的结构 电子枪
0.5um
钨丝2700K
六硼化镧1800K
场发射电极 ZrO/W 电场强度:108N/C
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
邻近效应的校正
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。
缺点：校正的动态范围小
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENG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
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
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。
紫外光波长:常用200~400nm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。
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
电子束光刻系统(EBL)市场调研报告-主要企业、市场规模、份额及发展趋势
电子束光刻系统(EBL)市场报告主要研究：电子束光刻系统(EBL)市场规模：产能、产量、销售、产值、价格、成本、利润等电子束光刻系统(EBL)行业竞争分析：原材料、市场应用、产品种类、市场需求、市场供给，下游市场分析、供应链分析、主要企业情况、市场份额、并购、扩张等电子束曝光（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。
电子束光刻系统(EBL)即用于实现电子束曝光的系统。
2023年全球电子束光刻系统(EBL)市场规模大约为13亿元（人民币），预计2030年将达到22亿元，2024-2030期间年复合增长率（CAGR）为6.9%。
全球电子束光刻系统（Electron Beam Lithography System (EBL)）的主要参与者包括Raith、Vistec、JEOL、Elionix 和Crestec。
全球前三大制造商的份额超过70%。
日本是最大的市场，占有率约为48%，其次是欧洲和北美，占有率分别约为34%和12%。
就产品而言，高斯光束EBL系统是最大的细分市场，占有率超过70%。
在应用方面，应用最多的是工业领域，其次是学术领域。
（Win Market Research）辰宇信息报告分析电子束光刻系统(EBL)行业竞争格局，包括全球市场主要厂商竞争格局和中国本土市场主要厂商竞争格局，重点分析全球主要厂商电子束光刻系统(EBL)产能、销量、收入、价格和市场份额，全球电子束光刻系统(EBL)产地分布情况、中国电子束光刻系统(EBL)进出口情况以及行业并购情况等。
如果您有兴趣了解详情，薇joie ：chenyu-joie 同时了解更多前沿报告及报价。
针对电子束光刻系统(EBL)行业产品分类、应用、行业政策、产业链、生产模式、销售模式、行业发展有利因素、不利因素和进入壁垒也做了详细分析。
全球及中国主要厂商包括：RaithJEOLElionixVistecCrestecNanoBeam按照不同产品类型，包括如下几个类别：高斯光束EBL系统赋形波束EBL系统按照不同应用，主要包括如下几个方面：学术领域工业领域其他领域报告包含的主要地区和国家：北美（美国和加拿大）欧洲（德国、英国、法国、意大利和其他欧洲国家）亚太（中国、日本、韩国、中国台湾地区、东南亚、印度等）拉美（墨西哥和巴西等）中东及非洲地区（土耳其和沙特等）报告正文共11章，各章节主要内容如下：第1章：报告统计范围、产品细分、下游应用领域，以及行业发展总体概况、有利和不利因素、进入壁垒等；第2章：全球市场供需情况、中国地区供需情况，包括主要地区电子束光刻系统(EBL)产量、销量、收入、价格及市场份额等；第3章：全球主要地区和国家，电子束光刻系统(EBL)销量和销售收入，2019-2023，及预测2024到2030；第4章：行业竞争格局分析，包括全球市场企业排名及市场份额、中国市场企业排名和份额、主要厂商电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格和市场份额等；第5章：全球市场不同类型电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格及份额等；第6章：全球市场不同应用电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格及份额等；第7章：行业发展环境分析，包括政策、增长驱动因素、技术趋势、营销等；第8章：行业供应链分析，包括产业链、主要原料供应情况、下游应用情况、行业采购模式、生产模式、销售模式及销售渠道等；第9章：全球市场电子束光刻系统(EBL)主要厂商基本情况介绍，包括公司简介、电子束光刻系统(EBL)产品规格型号、销量、价格、收入及公司最新动态等；第10章：中国市场电子束光刻系统(EBL)进出口情况分析；第11章：中国市场电子束光刻系统(EBL)主要生产和消费地区分布。
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• Second condenser lens forms thinner, coherent beam ("fine knob" ).
• Objective aperture (usu. userselectable) further eliminates high-angle electrons from
X-rays Auger e–
Cathodaluminescence Secondary e–
Inelastically Scattered e–
Elastically Scattered e–
Unscattered e–
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二次电子的形成
MORE secondary e–
escape
FEWER secondary e–
基于扫描电镜的电子束曝光系统 Raith GmbH Elphy plus
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主要内容
• 扫描电子显微镜介绍 • Raith电子束曝光系统 • 电子束曝光图形制作 • 曝光参数 • 对准操作 • 纳米器件制作的主要步骤
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XL 30 S FEG (a top performing field emission
incident e- beam
beam location
emitted e-
secondary edetector
signal intensity
~精+品12文,0档00 V
Raith电子束曝光系统
曝光精度 < 30 nm , 器件套刻精度~ 50精n品m文档
控制系统界面
Beam blanker Amplifier
• Detector counts electrons at given location and displays intensity.
• Process repeated until scan
is finished (usu. 30
frames/sec).
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电子相互作用
Incident e– Backscattered e–
escape
• Caused by iபைடு நூலகம்cident electron passing "near" sample atom and ionizing an electron (inelastic process).
• Ionized electron leaves sample with very small kinetic energy (5eV) and is called "secondary electron". (Each incident electron can produce several secondary electrons.)
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beam.
• Beam "scanned" by deflection coils to form image.
• Final objective lens focuses beam onto specimen.
• Beam interacts with sample and outgoing electrons are detected.
SEM)
Acceleration voltage:200 V 30kV Resolution:1.5nm at >10kV, 2.5nm at 1kV Electron spot ~ 1nm, Resolution ~ 1nm STEM within SEM!! + CL detector
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电子发射枪
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电子透镜原理
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• Electron gun produces beam of monochromatic electrons.
• First condenser lens forms beam and limits current ("coarse knob").
• Production of seco精n品d文a档ry electrons is topography related. Only secondaries near surface (<10 nm) exit sample.
如何生成二次电子像
• Secondary electrons are generated by the interaction of the incident electron beam and the sample. The secondary electrons emerge at all angles. These electrons gathered by electrostatically attracting them to the detector. Knowing both the intensity of secondary electrons emitted and position of the beam, an image is constructed electronically.
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图形发生器
Beam blanker
Beam blanking
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Faraday圆筒——测电流
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工作方式 －高斯束、矢量扫描、固定工作台
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Elphy plus主控制界面
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曝光图形的制作
曝光之前，必须先知道曝什么！
图形格式：.CSF或者.GDS 常用软件：elphy plus －GDSII database
L－edit AutoCAD 等等
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增 加 图 层
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选 定 图 层
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选 定 图 层
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显 示 绘 图 格 点
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改 变 绘 图 格 点 间 距
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选 用 画 笔
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曝光图形设计注意事项
• 最小尺寸：线宽、间距（考虑临近效应） • 对准标记要适合（多用十字） • 需要曝光的图形要远离对准标记 • 两层之间的对准要留容错 • 注意曝光的顺序 • 注意图形交叠，特别是场拼接处的图形