电子束曝光EBL培训ppt课件
电子束曝光技术
微纳光刻技术
传统光学曝光技术 X射线曝光技术 极紫外曝光技术 离子束曝光技术 电子束曝光技术
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7
传统光学曝光技术
传统光学曝光是最早用于半导体集成电路的微细加工技 术，是超大规模集成电路生产的主要方法。 光学曝光是一种平面工艺，器件的三维结构是从衬底片 平面开始一层一层做上去的，而不是传统机械加工的直 接三维成型。 通常的工艺流程是通过掩模制作工艺将二维图形刻录到 掩模版上，再由光学曝光把掩模版上的图形转移到光刻 胶上。经过曝光显影之后，光刻胶上就再现了掩模版上 的图形。然后，再用光刻胶做掩模将图形转移到下一层 衬底材料上。 传统光学曝光可基本分为接触式曝光、接近式曝光和投 影式曝光。
1.226 e nm V
电子束抗蚀剂 类型 分辨率(nm) 灵敏度(uC/cm^2)
PMMA
ZEP520 HSQ
正型
正型 负型
10
10 6
100
30 100
ma-N2400
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负型
80
60
24
正抗蚀剂
入射粒子将聚合物链打断
正抗蚀剂：入射粒子将聚合物链打断，曝光的区域 变得更容易溶解，显影完毕后，曝光图形阴影部分 的胶都溶解了。
s = step size
Write field stitching→Chip Exposure
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山东大学：Raith150
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第二节：电子束抗蚀剂
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电子束抗蚀剂
电子束曝光是利用高分子聚合物对电子敏感反应而形成曝光图 形的。电子束对抗蚀剂的曝光与光学曝光本质上是一样的，但 电子束可以获得非常高的分辨率，这主要是因为高能量的电子 具有极端的波长，如100eV的电子波长仅为0.12nm.
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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电子束曝光操作概要
电子束曝光操作概要（EBL，Electron Beam Lithography）1、扫描电子束曝光系统简介Zeiss SUPRA 55 扫描电子显微镜●热场发射电子枪：ZrO/W灯丝；高分辨率：0.8nm@15kV，1.6nm@1k；●放大倍数：12~1,000,000×；加速电压：0.02 ~30kV；EBL Raith ELPHY Quantum图形发生器●样片尺寸：最大为20×20 mm；写场范围：0.5μm~1000μm；●图形编辑：GDSII CAD编辑模块，DXF、ASCII、CIF等图形格式可读；●高斯型圆形束斑，矢量扫描，剂量可调；2、EBL样品台型号1-MD195，通用样品台，如图1所示；Faraday Cup，法拉第杯，用于测定电子束流；Chessy为一精工细作的微纳加工网格，用于对写场进行精细校准；可放置样品尺寸最大为20×20mm；图1 Universal Lithography Sample Holder3、曝光图形编辑在EBL电脑上打开ELPHY Quantum软件，在右侧GDSII Database点击，新建XXX.csf数据库文件，在下方空白处右键单击，选择，新建图形文件； 从主菜单栏View处调出Toolbox，进行图形编辑，编辑工具包含点、线、面、矩形、多边形、圆形、文字等，选择所绘制图形，右键Properties进行图形坐标点编辑；编辑完成后保存图形，关闭软件。
4、样片传入及EBL系统连接将准备好的样片置于EBL专用样品台上，传入扫描电镜样品室。
注意：衬底为绝缘体或导电性差时需要先进行喷金镀膜；SEM side：确认外部控制器调到ELPHY档位，确认内部通信软件RemCon32-COM2通道正常通信；EBL side：打开ELPHY Quantum软件，确认软件右下角为OK 状态，调出曝光图形。
5、定义坐标系，高倍聚焦SEM side：●设定Z值40mm，加速电压EHT=10kV（0-30kV可选），光阑尺寸10μm（7-120μm，7孔可选），Beam Shift 归零，EHT on；●从主菜单栏View处调出Crosshairs米字格，将样片右上角定点位置聚焦、居中。
电子束曝光培训ppt课件
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
1.电子束曝光概述
1.1ห้องสมุดไป่ตู้电子束曝光是什么？
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
电磁透镜
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
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
物镜
样品交换室
机械泵
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
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
电子束曝光概述 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 电子束曝光的工艺程序 电子束曝光的极限分辨率 多层刻蚀工艺
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54页)
负抗蚀剂
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
化学放大抗蚀剂
优势：高灵敏度、高分辨率和对比度， 抗干法刻蚀能力强
缺点：对后烘条件要求苛刻，正抗蚀剂 的表面易受空气中的化学物质污染。
m m
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
利用某些高分子聚合物对电子束敏感形成曝光图形
光学曝光分辨率受光波长的限制
G线
I线
DUV
EUV
436nm
365nm
248,193nmnm
分辨率限制：主要来自电子散射
与电子能量有关 100eV电子， 波长0.12nm
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
曝光技术分类
• 传统光学曝光技术 • 电子束曝光技术 • 离子束曝光技术 • X射线曝光技术 • 极紫外曝光技术 • 纳米压印术
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
Conclusion on Lithography techniques
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
灵敏度和对比度电子束光刻基本理论培训课件(PPT54页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
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高对比度
• 侧壁更陡 • 工艺宽容度更大 • 分辨率更高（不一定总是） • 对临近效应更不敏感
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
电子束光刻基本理论培训课件(PPT54 页)
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–
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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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基片准备和样品分散
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定位和曝光图形设计
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镀膜和剥离
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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").
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0.04mm2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。
电子束曝光技术在半导体芯片加工中应用
电子束曝光技术在半导体芯片加工中应用电子束曝光技术（Electron Beam Lithography，简称EBL）作为一种非常精密的微纳米加工技术，在半导体芯片的制造过程中扮演着重要的角色。
通过集成电路的微小结构，电子束曝光技术能够实现精确的图案定义和芯片制造，推动了半导体工业的发展。
电子束曝光技术的工作原理是利用加速的电子束通过聚焦系统，将电子束小到纳米级别，然后将其照射在感光电子束阻挡剂上，形成所需的图形和图案。
在半导体芯片加工中，EBL扮演着关键的制造技术，能够实现微小结构和高精度的芯片制造，满足不同应用领域对于高性能芯片的需求。
半导体芯片的制造过程中，EBL通常用于制造芯片上的掩膜，即用于遮挡光掩膜的光学或电子元件。
掩膜在芯片的加工过程中起到了关键作用，用于定义和实现芯片各个层次的结构。
具体而言，EBL可以用于实现芯片上的导线、晶体管、电容器等微小结构的制造。
首先，EBL能够实现高精度的线性结构的制造。
在电子束曝光技术中，电子束的尺寸通常在纳米级别，因此，可以实现非常细小的线骨架和线形结构。
这对于芯片电路的互连和信号传输非常关键，能够提高芯片的性能和可靠性。
其次，EBL还可以实现三维结构的制造。
芯片中的某些部分需要比普通的二维图案更加复杂和多层次。
传统的制作方法往往无法很好地满足这种需求，而EBL可以通过多次曝光和对准操作，实现精确的多层次结构加工，为芯片提供更多的功能和性能。
此外，EBL具备高分辨率和良好的尺寸控制能力。
电子束的直接制造能力使得EBL可以实现微米级别的分辨率，满足了当今半导体行业不断缩小器件尺寸的需求。
同时，EBL还能够对芯片进行精确的尺寸控制，以满足不同芯片工艺对尺寸的要求。
然而，电子束曝光技术也面临着一些挑战。
首先，EBL的制造速度相对较慢，导致芯片的制造成本较高。
其次，EBL的设备和工艺复杂度也较高，需要高水平的技术人才来操作和维护设备。
此外，EBL还受到电子束的散射和辐射效应的影响，对芯片制造的精度和稳定性产生一定的限制。
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1.2 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
2.电子束曝光系统的结构与原理
离子泵 离子泵
限制膜孔 电子探测器
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4.电子束曝光的工艺程序
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4.1抗蚀剂工艺
PMMA优点：分辨率高（10nm），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
HSQ ：负胶，极高的分辨率（<10nm），邻近效应小，灵敏度很低 ZEP-520优点：分辨率高（~20nm），灵敏度较高，耐刻蚀
缺点：去胶较难
4）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。
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5）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：减小抗蚀剂层可以减小散射，降低临近效应。
7）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。
用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的 ，是光刻技术的延伸。
紫外 光
电子 束
普通光 刻
电子束 曝光
3
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。
微纳研究中心超净室系列讲座
——电子束曝光系统（EBL）
1
电子束曝光概述 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 电子束曝光的工艺程序 电子束曝光的极限分辨率 多层刻蚀工艺
2
11..电1 电子子束束曝曝光光是什概么述？
电子束曝光（electron beam lithography）指利
16
4.3电子束曝光中的邻近效应
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。
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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。
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邻近效应的校正
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 （每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同 的区域分配曝光剂量。
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。
30ke 电子V束流：束流大，曝光速度快
，但是束斑尺寸大，分辨率低。
常用： 25~100pA
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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。
60~600um 拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。 20~50n
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
物镜
样品交换室
机械泵
6
2.1 电子束曝光系统的结构 电子枪
钨丝 2700K
六硼化镧 1800K
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
0.5um
场发射电极 ZrO/W
电场强
度:108N/C
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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
电磁透镜
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
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
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偏转器
偏转器用来实现电子束的偏转扫描。
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。
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3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数
日本CRESTEC直 写的最小线宽。
2nm，最小尺寸 加20速n电m压：一般10~100keV，
1）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 。
缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件； 计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在
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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
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5. 电子束曝光的极限分辨率
电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm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：
稀释剂：ZEP-A（苯 甲醚）
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4.2电子束曝光工艺
绘制曝光图案 样品传入（样品为导体或半导体） 选择束电流 低倍聚焦 选定曝光位置 在Au颗粒处调整像散 高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位 参数设定（位置、剂量、图案数量等） 样品曝光 样品取出显影（ZEP-N50，1min） 曝光图案观察
m
12
生产公司
型号 最大电子束能量/keV 扫描速度/MHz 最小曝光图案/nm 扫描场尺寸 价格/USD 评价
美国Vistec
日本Crestec
VB300
CABL9000C
100
30
50
1
<10
20
164um~1.2mm
60um~600um
6~9 Million
1Million
商业用，性能高，价格高 电子束曝光与电镜两用， 价格低