1、1 引言 在過去的幾年中，微電子技術已發(fā)展到深亞微米階段，并正在向納米階段推進。在此期間，與微電子領域相關的微/納加工技術得到了飛速發(fā)展，如圖形曝光（光刻）技術、材料刻蝕技術、薄膜生成技術、離子注入技術和粘結互連技術等。在這些加工技術中，圖形曝光技術是微電子制造技術發(fā)展的主要推動者，正是由于曝光圖形的分辨率和套刻精度的不斷提高，促使集成電路集成度不斷提高和制備成本持續(xù)降低1。 幾十年來，在半導體器件和IC生產上一直占主導地位的光學曝光工藝為IC產業(yè)鏈的發(fā)展做出了巨大貢獻。通過一系列技術創(chuàng)新，采用超紫外準分子激光（193 /157nm）的光學曝光機甚至已將器件尺寸進一步推進到0.150.13m，

2、例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-5000ESI/ASI（Canon公司）。但是，隨著器件尺寸向0.1m以下逼近，光學曝光技術將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，例如分辨率的提高使生產設備價格大幅攀升、超紫外光焦深縮短引起的材料吸收問題等，使光學曝光能否突破0.1m成為業(yè)界普遍關注的問題23。 2 四種電子束曝光系統(tǒng) 電子束曝光是利用電子束在涂有感光膠的晶片上直接描畫或投影復印圖形的技術，它的特點是分辨率高（極限分辨率可達到38m）、圖形產生與修改容易、制作周期短4，5。它可分為掃描曝光和投影曝光兩大類，其中掃描曝光系統(tǒng)是電子束在工件面上掃描直接產生圖形

3、，分辨率高，生產率低。投影曝光系統(tǒng)實為電子束圖形復印系統(tǒng)，它將掩模圖形產生的電子像按原尺寸或縮小后復印到工件上，因此不僅保持了高分辨率，而且提高了生產率。 2.1 基于改進掃描電鏡（SEM）的電子束曝光系統(tǒng) 由于SEM的工作方式與電子束曝光機十分相近，最初的電子束曝光機是從SEM基礎上改裝發(fā)展起來的 6。近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，將SEM改裝為曝光機的工作取得了重要進展。 如圖1所示，主要改裝工作是設計一個圖形發(fā)生器和數(shù)模轉換電路，并配備一臺PC機。PC機通過圖形發(fā)生器和數(shù)模轉換電器去驅動SEM的掃描線圈，從而使電子束偏轉。同時通過圖形發(fā)生器控制束閘的通斷，最終在工件上描繪出所要求的圖形

4、。通常采用矢量掃描方式描繪圖形，即在掃描場內以矢量方式移動電子束，在單元圖形內以光柵掃描填充。 對SEM進行改裝時，應考慮SEM偏轉系統(tǒng)的帶寬以及工作臺移動精度等對曝光圖形誤差和圖形畸變的影響。目前，高檔SEM改裝系統(tǒng)的功能接近于專用電子束曝光機，但由于受到視場小、速度低及自動化程度低等限制，在生產率上不可能與專用電子束曝光系統(tǒng)相比。表1列出幾種SEM改裝型電子束曝光系統(tǒng)的主要性能指標。 2.2 高斯電子束掃描系統(tǒng) 2.2.1矢量掃描方式 曝光時，先將單元圖形分割成場，工件臺停止時電子束在掃描場內逐個對單元圖形進行掃描，并以矢量方式從一個單元圖形移到另一個單元圖形；完成一個掃描場描繪后，移動工

5、件臺再進行第二個場的描繪，直到完成全部表面圖形的描繪。 由于只對需曝光的圖形進行掃描，沒有圖形部分快速移動，故掃描速度較高。同時為了提高速度和便于場畸變修正，有部分系統(tǒng)將掃描場分成若干子場，電子束偏轉分成兩部分：先由16位數(shù)模轉換器（DAC）將電子束偏轉到某子場邊緣，再由高速12位DAC 在子場內偏轉電子束掃描曝光，如圖2所示。系統(tǒng)的特點是采用高精度激光控制臺面，分辨率可達1nm以下，但生產率遠低于光學曝光系統(tǒng)，并隨著圖形密度增加而顯著降低，因此難以進入大規(guī)模集成電路（LSI）生產線 7。表2 給出了幾種典型高斯掃描系統(tǒng)的型號和主要技術指標。  2.2.2光柵掃描系統(tǒng) 采用高速掃描方

6、式對整個圖形場掃描，利用快速束閘控制電子束通斷，實現(xiàn)選擇性曝光。例如美國Etec公司生產的MEBES系統(tǒng)采用高亮度熱場致發(fā)射陰極，在掩模版上可獲得400A/cm2的束電流密度，工件臺在X方向作連續(xù)移動時，電子束在Y 方向作短距離重復掃描，從而形成一條光柵掃描圖形帶。隨后工件臺在 Y方向步進，再描繪相鄰的圖形帶。激光干涉儀對工件臺位置進行實時監(jiān)測并補償行進中的工件臺的位置誤差。由于采用了工件臺連續(xù)移動、大束斑快速充填、高亮度熱場致發(fā)射陰極等技術，極大地提高了掃描系統(tǒng)生產率，且生產率不受圖形密度的影響。 2.3 成型電子束掃描系統(tǒng) 成形電子束曝光系統(tǒng)按束斑性質可分成固定和可變成形束系統(tǒng)。固定成形束

7、系統(tǒng)在曝光時束斑形狀和尺寸始終不變；可變成形束系統(tǒng)在曝光時束斑形狀和尺寸可不斷變化。按掃描方式，成形電子束曝光系統(tǒng)又可分為矢量掃描型和光柵掃描型。圖3所示為一種尺寸可變的矩形束斑的形成原理，電子束經上方光闌后形成一束方形電子束，再照射到下方方孔光闌上。在偏轉器上加上不同的電壓，就能改變穿過下方孔光闌的矩形束斑的尺寸，形成可變的矩形束斑；采用特殊設計的成形光闌，還可形成三角形、梯形、圓形及多邊形等成形電子束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，但曝光效率高，目前廣泛用于微米、亞微米及深亞微米的曝光領域，如用于掩模版制作和小批量器件生產等。表3中列出了幾種典型成型束系統(tǒng)的生產廠商和主要技術指標。

8、 2.4 投影電子束掃描系統(tǒng)掃描式電子束曝光系統(tǒng)可以得到極高的分辨率，但其生產率較低，不能滿足大規(guī)模生產的需要。成形束系統(tǒng)生產率固然有所提高，但其分辨率一般在0.2m左右，難以制作納米級圖形。近年來研發(fā)的投影電子束來曝光系統(tǒng)，既能使曝光分辨率達到納米量級，又能大大提高生產率，且不需要鄰近效應校正。目前在研制中的投影式電子束曝光系統(tǒng)主要有兩種。 一種是Lucent公司的SCALPEL系統(tǒng)，如圖4 所示，平行電子束照射到SiNx薄膜構成的掩膜上，薄膜上的圖形層材料為W/Cr。當電子穿透SiNx 和W/Cr兩種原子序數(shù)不同的材料時，產生大小不同的散射角。在掩模下方縮小透鏡焦平面上設置大小一定的光闌時

9、，通過光闌孔的主要是小散射角的電子，而大散射角的電子則大多數(shù)被遮擋，于是在工件面上得到了縮小的掩模圖形。再經過分布重復技術，將縮小圖形逐塊拼接成所要的圖形。近期采用散射型掩模取代了吸收型鏤空掩模，以及采用角度限制光闌技術使SCALPEL技術得到迅速的發(fā)展，故投影電子束掃描系統(tǒng)極可能成為本世紀0.1m以下器件大規(guī)模生產的主要光刻手段8。 另一種是Nikon公司和IBM公司合作研究的下一代投影曝光技術PREVAIL，其技術實質是采用可變軸浸沒透鏡，對以硅為支架的碳化硅薄膜進行投影微縮曝光。由于將大量平行像素投影和掃描探測成形相結合，從而得到較高的曝光效率，并對像差進行實時校正 9。通過這項技術可望

10、研制出高分辨率與高生產率統(tǒng)一的電子束步進機，用于 100nm50nm電子束曝光。 四種電子束掃描系統(tǒng)對比分析與應用見表4。3 幾項發(fā)展中的電子束曝光新技術 3.1 基于DSP的新型圖形發(fā)生器 新型圖形發(fā)生器以DSP芯片為主體，上位機通過增強并行接口（EPP）連接通信協(xié)議控制器。DSP和計算機之間的數(shù)據(jù)通信形式由通信協(xié)議控制器決定，程序控制器EPROM（可編程只讀存儲器）用來存放控制命令和傳輸數(shù)據(jù)方式命令及DSP 數(shù)據(jù)輸出方式等。數(shù)據(jù)控制RAM用來存放場畸變、場增益、場旋轉等校正數(shù)據(jù)。曝光圖形數(shù)據(jù)和各類校正數(shù)據(jù)經DSP運算處理后，通過地址譯碼及DSP內部數(shù)據(jù)總線送至相應的各類寄存器。 X和Y方向

11、的主場、子場、增益及旋轉寄存器的數(shù)據(jù)傳送給相應的數(shù)模轉換器，數(shù)模轉換器的模擬量經求和后送至偏轉放大器，由偏轉放大器控制電子束在硅片上（或掩模上）掃描曝光圖形。例如，IBM公司在原有IBM VSXPG矢量掃描圖形發(fā)生器的基礎上增加了DSP處理器，高精度地實現(xiàn)了圓形、橢圓形、拋物線和雙曲線圖形的曝光。 3.2 電子束直接光刻技術 無掩模電子束直接光刻（EBDW）預先要制作晶片位置標記和芯片套刻標記及工件臺標定，以確定晶片位置和方向角，直寫過程就是反復利用標記定位及描繪來完成圖形曝光的。EBDW的主要優(yōu)點是節(jié)約新器件研制成本；縮短研制周期；能獲得極高的分辨率。這些優(yōu)點使EBDW在功能器件、特種器件和

12、新型電路的制造和納米器件研究中獲得廣泛應用，但由于EBDW存在生產率低的缺點限制了它在大規(guī)模生產中的應用。 3.3 雙層抗蝕劑曝光工藝 隨著電子器件及LSI的發(fā)展，IC的層數(shù)越來越多，圖形越來越復雜，特征線條尺寸越來越細，對抗蝕劑圖像就有了更多的要求，如更高的曝光分辨率，更復雜、精確的抗蝕劑層截面形狀。此時，常規(guī)的單層抗蝕劑曝光工藝就難以滿足這些特殊要求，這就需要采用更為復雜的雙層抗蝕劑的曝光顯影和刻蝕等復合工藝來完成。 雙層抗蝕劑電子束曝光工藝是利用不同類型的抗蝕劑對電子束曝光有不同的靈敏度這個特性，即在同一電子束的同樣曝光劑量照射下，雙層抗蝕劑產生不同的曝光結果。通過不同的顯影液分別顯影處

13、理后，在雙層抗蝕劑膠層會分別出現(xiàn)不同的曝光尺寸和截面，以此來制成一些有特殊要求的抗蝕劑膠層的曝光截面形狀。 歸結起來，用于光刻的多層抗蝕劑系統(tǒng)有下列方式：利用相對分子質量不同的兩種相同成分抗蝕劑作雙層抗蝕劑系統(tǒng)，用同一種曝光方式曝光顯影，如圖5（a）所示；利用兩種不同類型的抗蝕劑作雙層抗蝕系統(tǒng)，用一種曝光方式曝光，兩次顯影，見圖5（b）；用兩種不同類型的抗蝕劑組成雙層抗蝕劑系統(tǒng)，分別用兩種曝光方式曝光和顯影，見圖5（c）；用幾種抗蝕劑聯(lián)合組成多層抗蝕劑系統(tǒng)，最頂層是靈敏抗蝕劑，用一種曝光方式曝光制圖，而下面的幾層分別用離子方法刻蝕。 3.4 鄰近效應修正技術 理論上，電子束曝光的極限分辨率可達

14、幾納米，但高能入射電子在抗蝕劑中的散射和在襯底上的反射以及背散射引起的鄰近效應使曝光圖形模糊、影響分辨率，再加上光刻膠的分辨率極限和光刻工藝精度，因此直接使用電子束光刻技術難以得到接近其理論極限的納米尺度圖形10。 對實際的鄰近效應作適當補償可以得到比較理想的曝光結果11。根據(jù)不同版圖設計，有多種方法減小鄰近效應；若圖形密度和線寬都較一致，可以通過調整整體劑量曝光出合適尺寸的圖形；選用高對比度膠也可以減小線寬的變化，同時用多層膠也可以減小前散射電子；用50100kV甚至更高的加速電壓，也可以減小前散射電子，但有時會增加背散射電子。 抗蝕劑曝光劑量自動協(xié)調的鄰近效應修正技術（簡稱SPECTRE）

15、是目前常用的一種技術，通過同時對內鄰近效應和相互鄰近效應都進行校正，使圖形的不同部位賦予不同的曝光劑量，從而達到使所有電子輻照區(qū)各部位的顯影程度一致的目的。 4 電子束曝光技術的應用 4.1 用于掩模版制造 隨著器件的特征尺寸不斷縮小，在掩模版制造中普遍采用電子束曝光和激光光刻設備，在這兩類設備中，電子束設備在性能和數(shù)量上均占優(yōu)勢。最先進的激光制版系統(tǒng)，其束斑直徑在0.2m左右，可以用來制作0.18m，0.15m生產線的掩模版，但對特征尺寸更小的器件的掩模，只能用電子束曝光系統(tǒng)來制作，特別是用于光學光刻中的鉻版制造。 在掩模版制造中應用電子束曝光機，由于不需要多次套準，只要用激光干涉儀控制就可

16、以保證掩模制造所要求的圖形位置精度。確定工件臺 X、Y向的精度和旋轉正交性的基準標記永久地設置在工件臺邊緣成像平面上。在掩模版制造開始過程中必須按規(guī)定經常返回基準標記位置進行校正，才能保證精度。掩模版制造的工藝過程如圖6所示。4.2 用于微電子機械、電子器件制造 目前，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）制造的主流工藝是與傳統(tǒng)IC工藝兼容的技術，例如光刻、刻蝕、淀積、擴散、離子注入等，特別是對于制作象微電機、微泵等機械結構及包括微傳感器、微執(zhí)行器和相關電路往往要采用多次光刻，而電子束光刻具有易于修改，無需制作掩模的優(yōu)點，因此電子束光刻比常規(guī)工藝更有優(yōu)勢。 隨著微機械尺寸進入納米級范圍，ERDW系統(tǒng)及能形

17、成大深寬比膠圖形的電子束投影曝光系統(tǒng)（如SCALPEL或PREVAIL）將得到廣泛應用。例如，利用LIGA技術制作MEMS時，在形成特種、大深寬比結構時使用的掩模版可以由電子束投影曝光制造。 電子束曝光亦用于GaAs IC、光波導器件的小批量生產12，如肖特基勢壘場效應晶體管要求柵極很窄、柵極與源漏之間對準嚴格。利用電子束刻蝕時，先作出柵極和源漏極圖形對準標記，再用精密的電子束實現(xiàn)30nm以下柵的制備，從而保證極高的套刻精度。 4.3 制作全息圖形 電子束與光束一樣具有波動性，利用電子的波動性和干涉原理能夠制作精細的全息圖形。其原理是：先借助近年來研制的高亮度熱場致發(fā)射（TFE）電子源產生的高能量電子束，再經兩級透鏡會聚后，穿過電子雙棱鏡，產生兩個波的干涉柵狀圖形（干涉條紋間隔優(yōu)于100nm），如果再設置兩個正交的雙棱鏡，就可產生4個波的點狀圖形，用此方法就能制作出全息納米結構圖形。由于電子束曝光具有極高的分辨率，可將此技術用于高級防偽標識的制作以及重要文件的縮微保存13。4.4 電子束誘導表面淀積技術 電子束誘導表面淀積技術是利用電子束曝光技術直接產生納米微結構的方法。在電子束曝光機的工件室中引入源氣體物質(如某種金屬有機化合物)，并使其接近電子探針