电子束曝光技术

13:581第三讲：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半导体纳米加工技术研究生课程韩伟华研究员2009年10月26日Email：[e-mail]13:582摘要第一节：纳米加工技术概述第二节：电子束抗蚀剂第三节：电子束曝光系统原理第四节：电子束曝光工艺举例13:583第一节：纳米加工技术概述13:584纳米加工技术纳米（Nanometer）是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-9m。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的加工方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。13:585纳米加工技术纳米技术的含义纳米技术是指纳米级（0.1~100nm）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。纳米技术的主要内容纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。13:586在过去的十几年中，半导体微电子产业将微纳加工技术推进到了亚微米阶段。目前已经推进到纳米阶段。在此期间，与半导体微电子产业相关的微纳加工技术得到飞速发展。在这些相关技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要驱动者。曝光图形分辨率和套刻精度的不断提高，促成了器件集成度的提高和成本的下降。在半导体器件的制造中，首先需要在晶片上形成所需要的图形，这些图形就是通过曝光工艺来完成的。图形最小的特征尺寸决定了半导体器件的性能和生产成本。因此，曝光工艺成为半导体器件制造的关键技术。微纳光刻技术13:587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13:588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。13:589前烘对准及曝光坚膜曝光后烘传统光学曝光技术13:5810X射线曝光技术X射线是指波长范围在0.01nm~10nm内的电磁波谱。X射线曝光技术最早是由美国麻省理工学院的HenrySmith在20世纪70年代初开发的。经过将近40年的发展，已经取得了长足进步。通常X射线曝光都采用接近式曝光。典型的X射线掩模版是几个微米厚的碳化硅薄膜。薄膜上的重金属图形作为吸收层。X射线由等离子体源或者同步辐射源产生。其曝光分辨率取决于菲涅尔衍射和电子在感光胶中的散射。由于X射线的穿透力很强，所以可以用来在厚的感光胶上制作大深宽比的图形。X射线曝光技术真正用到生产线上仍然有一些关键技术需要解决，如掩模版的制作技术、定位对准技术等，但目前它已经做为一种成熟的技术被应用于微纳米加工的各个领域。13:5811X射线光刻机（Stepper）X射线曝光技术与LIGA工艺X射线波带板X射线掩模版MEMS13:5812极紫外曝光技术（EUV）极紫外是指真空紫外(VUV)到软X射线之间那一段波长的辐射线，约在十几纳米附近。极紫外曝光技术通常利用波长为11nm~14nm的辐射线和多层膜反射缩小系统，将反射型掩模图形投影到衬底面上。极紫外曝光由于极紫外的波长很短，可以获得很高的分辨率，而且能保持较长的焦深。反射掩模也比薄膜掩模有更高的强度和稳定性。这种方法目前仍处于实验室研究阶段，一些关键技术还在研究中。13:5813极紫外曝光技术（EUV）13:5814离子束曝光技术离子束曝光是利用离子束直接在衬底片上描画图形或转印图形的曝光技术。由于离子的质量远远大于电子，在相同的加速电压下，离子具有更短的波长，因此离子束曝光比电子束曝光有更高的分辨率。离子射入感光胶材料内的射程要比电子的短，入射离子的能量能被感光材料更为充分的吸收，所以对于相同的感光胶，离子束曝光的灵敏度要高于电子束曝光，即曝光速率要高于电子束曝光。离子束在感光胶内的散射很小，其作用范围也很小，它产生的邻近效应可以忽略不计。聚焦离子束(FocusIonBeam,FIB)技术可以直接将固体表面的原子溅射剥离。但是，这种工艺对材料的损伤较大，离子束轰击的深度不容易精确控制，因此不适合用来加工有源器件。13:5815电子束曝光技术是近30年来发展起来的一门新兴技术，它集电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代高新技术于一体，是推动微电子和微细加工技术进一步发展的关键技术之一。先进的电子束曝光机主要适用于0.5微米以下的超微细加工，可以实现数十纳米线条的曝光。电子束曝光技术广泛地应用于制造新型微纳结构器件、高精度光刻掩模版、以及纳米压印的印模等。电子束曝光技术13:5816电子束曝光的定义什么是电子束曝光？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。VistecJEOLLeicaRaith电子束曝光系统13:581713:581813:5819JEOL和Leica电子束曝光系统对比13:5820电子束曝光系统分类按工作方式分直接曝光投影式曝光按电子束形状分高斯圆形束电子束曝光系统成形束电子束曝光系统（固定、可变）按扫描方式分光栅扫描电子束曝光系统矢量扫描电子束曝光系统13:5821电子束曝光系统的重要关注指标最小束直径加速电压电子束流扫描速度扫描场大小工作台移动精度套准精度场拼接精度13:5822中国科学院半导体所：Raith150中国科学院物理所：Raith150中国科学院微电子所：JBX5000LS；JBX6AII；MEBES4700S中国科学院光电所：Raith150中国科学院电工所：基于SEM系统自主研发石家庄中电集团13所：LeicaVBS沈阳东北微电子47所：MEBES4500无锡华润华晶：ZBA-23；JBX6AII；MEBES5000S清华大学：JEOLJBX-6300FS北京大学：基于SEM改造基于SEM改造两台，Raith150一台中国科技大学：Raith150南京大学：Raith150国防科技大学：Raith150中山大学：Raith150西安交通大学：日本Crestec公司CABL9000系列山东大学：Raith150国内科研单位的电子束曝光系统13:5823第二节：电子束抗蚀剂13:5824电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂类型分辨率(nm)灵敏度(uC/cm^2)PMMA正型10100ZEP520正型1030HSQ负型6100ma-N2400负型8060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.nmV226.1e13:5825正抗蚀剂正抗蚀剂：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。入射粒子将聚合物链打断13:5826正抗蚀剂13:5827负抗蚀剂负抗蚀剂：入射粒子将聚合物链接起来，曝光的区域变得更不容易溶解，显影完毕后，曝光图形阴影以外部分的胶都溶解了。入射粒子将聚合物链接起来13:5828负抗蚀剂13:5829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。13:5830对电子束敏感的聚合物13:5831抗蚀剂的分辨率13:5832高分辨率、高对比度、低灵敏度。灵敏度随着相对分子质量减小而增加。灵敏度随着显影液MIBK:IPA中MIBK的比例增加而增加。可以用深紫外或者X射线曝光抗刻蚀性能差！PMMA抗蚀剂－多丙稀酸脂聚合物13:5833ZEP520A兼有高分辨率、高对比度和高灵敏度，抗刻蚀能力也很强13:5834HSQ（HydrogenSisequioxane)13:5835抗蚀剂曝光图形对比PMMAZEP520AHSQ13:5836影响抗蚀剂图形质量的重要参数1、抗蚀剂的厚度2、曝光剂量与邻近效应3、灵敏度与对比度4、分辨率13:58371、抗蚀剂厚度的控制13:5838电子束抗蚀剂的旋涂和烘烤仪器名称：匀胶机Delta80T2制造厂：德国KarlSuss主要技术指标：·Gyrset5”,max.4,000rpm·Gyrset3”,max.5,000rpm国产热板13:5839电子束抗蚀剂自动旋涂机真空系統光阻邊緣球狀物移除法晶圓吸盤水套管排放端排氣13:5840轉軸光阻輸配噴嘴吸盤晶圓到真空幫浦电子束抗蚀剂自动旋涂13:5841轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓电子束抗蚀剂自动旋涂13:5842电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5843电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5844电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5845电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5846电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5847电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5848电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5849电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5850电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓13:5851光学式边缘球状物移除—边缘曝光轉軸吸盤晶圓光阻13:5852烘烤系统加熱器真空晶圓加熱器熱氮氣晶圓微波源真空晶圓光阻吸盤加熱平板對流烤箱微波烤箱13:5853CCCCCCOOHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCOOnCHHHHHHHHCCCHHCCCCCCCCCCCCCCCCCOOHHHHHHHOOOHHHHHHHOOHHHHHHHOHHHCHCCCCHHHHHHHmCHCCCOOHHHHHCOOOCCHHHCOHHHo电子束在PMMA胶上引起的光化学过程13:5854电子束扫描方式与曝光Gaussianbeam,vectorscan,fixedstages=stepsize[µAs/cm²]Ibeam=beamcurrentTdwell=dwelltime2dwellbeamsTIDoseAreaexposureWritefieldstitching→ChipExposure13:5855电子束电压与图形剂量关系（曝光PMMA950K正胶）EHT10kV20kV30kVArea100µC/cm²200µC/cm²300µC/cm²Line300pC/cm600pC/cm900pC/cmDot0.1fC0.2fC0.3fC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曝光参数13:5856SUSS全自动显影机13:5857显影轉軸吸盤晶圓曝光的光阻顯影液輸配噴嘴至真空幫浦13:5858显影轉軸至真空幫浦吸盤晶圓曝光的光阻13:5859显影轉軸至真空幫浦吸盤晶圓圖案化光阻邊緣光阻移除13:5860超纯水清洗轉軸至真空幫浦吸盤晶圓超純水輸配噴嘴13:5861旋干轉軸至真空幫浦吸盤晶圓13:5862准备好到下一步骤轉軸吸盤晶圓13:58632、电子束曝光剂量的影响ForwardScattering→ExposureBackscatteringPMM