高斯电子束曝光系统

摘 要：电子束光刻技术是纳米级加工技术的主要手段，在纳米器件加工、掩模制造、新器件新结构加工中扮演举足轻重的角色。虽然现在的电子束聚焦技术可以得到几个纳米的电子束斑，但是由于邻近效应问题，依然很难使用电子束光刻技术得到接近其理论极限的纳米尺度图形，对电子束曝光系统的基本原理及其邻近效应校正技术进行了研究，并得到一些比较理想的曝光结果。

关键词：电子束曝光；纳米器件；掩模； 邻近效应

中图分类号：TN305．7 文献标识码：A 文章编号：1004-4507(2005)02-0042-04

电子束光刻是上世纪60年代从扫描电子显微镜技术基础上发展起来的一种高分辨率光刻技术。1960年Mollenstedt和Speidel首次提出可以通过调整电子显微镜发射来进行图形曝光，随后几年之内，剑桥大学的A．N．Broers发布了利用电子束光刻技术制备1μm图形线宽的报道，宣告电子束光刻技术自此进入实用阶段，随后在世界范围内刮起了电子束光刻技术研究的热风，近几十年来得到了很大发展，已经成为一门新兴技术，现代电子束加工技术集成了电子光学、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，成为微电子技术和微细加工技术进步和发展的主要标志之一。目前，的电子束直写曝光系统可以把电子束斑聚焦到2nm，曝光出的细图形为8nm。由于电子束的产生、聚焦、偏转等技术成熟，控制简单方便，而且无需考虑衍射效应(当加速电压达到15-20kV时，电子射线的波长约为0．01-0．007nm)，所以电子束光刻技术一经问世便引起业内人士的高度重视，目前，各发达国家都把大量的人力、物力、财力投入到电子束光刻技术的研究领域中。先进的电子束曝光系统主要应用于几十纳米到百纳米级的超微细加工领域，包括高掩模、A移相掩模及X射线掩模等下一代光刻技术掩模制造；新一代集成电路的研制及ASIC的开发；新器件、新结构的研究与加工等方面。当今的高分辨力掩模和新型纳米器件几乎都是用电子束曝光技术制成的。20世纪90年代以来，美、日的一些研究部门采用电子束曝光技术相继研制成功0．1μm的CMOS器件、0．04μm的MOST及0．05μm HEMT器件。现在电子束曝光技术水平已经推进到纳米级，毫无疑问，电子束曝光将是新一代量子效应器件加工的有力候选技术。中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术重点实验室在电子束曝光技术领域已经取得了诸多进展。

1 电子束曝光系统

对于电子束曝光系统的研究，大概可以分为两个阶段：20世纪80年代以前，研究的着力点集中在电子束曝光方式的研究上，而20世纪80年代以后则主要进行高速、高电子束光刻的研究。目前，世界上主要的科技强国都具有研制电子束曝光系统的能力，其中比较的厂商有：美国的IBM、ETEC，日本的JEOL、HITACHI，英国的LEICA以及德国的RAITH。中国科学院微电子研究所1998年5月从日本JEOL公司引进一台曝光分辨率达到30nm 的JBX-5000LS型矢量扫描电子束光刻系统。

电子束曝光系统的分类方法很多，按照曝光方式划分，电子束曝光系统主要分为两种：扫描式电子束曝光系统和投影式电子束曝光系统。扫描电子束曝光机又分为：光栅扫描方式和矢量扫描方式，其中光栅扫描方式在全场内进行扫描，依靠束闸控制电子束通断来达到图形区域进行曝光，空白区域不曝光，而矢量扫描方式通过控制电子束在图形区域内进行跳转曝光，空白区域则直接跳过。电子束用于直接对计算机设计图形进行初级图形刻写。典型的电子束系统由用于形成和控制电子束的电子光学柱、样品台和控制电子装置构成。电子光学柱主要包括电子源、电磁透镜、电子束消隐器和使电子束偏转的机械装置，如图1所示。

电子源是一个热发射器或热场发射器。根据设计的不同，电子束的能量可以在1-200kev的范围内变化，束斑尺寸可以达到几个纳米。束流和扫描场的大小由实验要求决定。样品位置通过激光干涉仪反馈地加以控制，这样，就可以通过将整个图形分解成许多扫描场的方法宋进行大面积的图形曝光。

有必要说明的是，几乎所有电子束曝光系统的电磁透镜都是旋转对称的静电场和静磁场，按照旋转对称静电场和静磁场理论(也就是从圆柱坐标系中的拉普拉斯方程除发)和电子光学原理，再进行—些坐标变换，我们不难导出直角坐标系中普遍的电子轨迹方程：

的电荷，m0为带电粒子的静止质量。如果把轨迹方程中的夕，改为夕，就得到非相对论近似下的轨迹方程：令B=0，即得到纯电场中的轨迹方程；另少为常数，就得到纯磁场中的轨迹方程。但是在旋转对称的静场使电子(或者其他带电粒子)聚焦成像的区域却有一定限制，这个区域称为傍轴区域，在傍轴区域中，电子轨迹的离轴高度r及其斜率r满足下面的傍轴条件：r2=0,r2<<1。普遍情形下得轨迹方程是非线性非齐次的二阶微分方程，高斯轨迹方程就是普遍轨迹方程在旋转对称场和傍轴条件下的近似。高斯轨迹方程的统一形式为：

这是我们讨论JBX-5000LS型矢量扫描电子束光刻系统曝光成像的基础。

2 邻近效应及其修正

前面我们提到目前的聚焦系统能将电子束聚焦成尺寸小于2nm的束斑，但是因为高能入射电子在光刻胶和衬底的散射引起的邻近效应使曝光图形模糊，再加上光刻胶的分辨率极限和光刻工艺，导致实际的电子束光刻分辨率不可能达到束斑大小。显然，在一定的光刻胶的分辨率极限和光刻工艺条件下，电子束光刻的分辨率极限将主要由邻近效应决定。

电子束光刻的分辨率取决寸：电子束束斑的尺寸大小以及电子与固体相耳作用有关的几个因素。电子散射会导致电子的运动方向发生偏离，散射电子会超出原有的束斑尺、丁范围，对于邻近束斑的非曝光区域，抗蚀剂层吸收了部分偏离束斑尺寸电子的能量而发生曝光，这就是邻近效应。邻近效应根据其产生机理与影响结构的不同分为内邻近效应和互邻近效应。图2所示为Monte Carlo软件模拟的电子散射轨迹。

电子在抗蚀剂中发生小角度的前散射，在衬底中发生大角度的背散射事件，前散射使入射电子束的直径变宽，而背散射使电子束在大的体积范围内扩展(邻近效应)。在这一过程中，电子不断和抗蚀剂以及衬底发生能量交换而不断减速，产生了对抗蚀剂反应起主要作用的低能电子流(二次电子)。，剂量分布看起来就象背散射迷雾强加在前散射陡峭山峰上。二次电子引起的抗蚀剂反应可能是聚合、聚合物交链或断链，以及更为复杂的过程，如包括酸基反应的化学放大。原则上，低能电子(-1keV)由于透射深度小，因而所产生的邻近效应非常有限。相应地，必须使用薄胶层或表面成像技术。使用低能电子的另一个优点是由于提高了抗蚀剂的敏感度，因而可以进行高速刻写。

电子束光刻的分辨率实质上由电子束束斑大小和电子束前散射范围决定。束能越高，可以获得的特征尺寸越小。商用系统一般工作于50-100keV能量范围内，可用于进行100nm图形的日常生产。电子束能量越高，可以获得的特征尺寸越小。

电子散射产生的邻近效应是电子束曝光不可避免的过程，邻近效应将导致电子束曝光分辨率下降。通常提高分辨率有两种途径，—种中是提高电子束曝光系统本身的性能，减小束斑尺寸,提高电磁透镜质量，提高聚焦性能等等：另一种是通过工艺的手段降低邻近效应的影响，挖掘电子束曝光系统分辨率的潜力，目前比较流行的做法是通过剂量调整和软件加以校正来降低邻近效应带来的负面影响。用于邻近效应校正的商用软件有CAPROX、LITHOS、PROLITH／3D、SELID、PROXECC0等，一般的执行过程为：先提取邻近效应的参数，代入邻近效应软件，软件进行曝光强度分布函数调整，从而使邻近效应得到校正。邻近效应校正的方法一般有两种，几何尺寸校正和剂量校正。几何尺寸校正是指，对设计好的图形在会出现邻近效应的位置，通过改变该处和周围图形的几何尺寸的办法，宋补偿邻近效应带来的能量损失和富余。剂量校正是指，设计图形的几何尺寸不变，将整个图形分成若干区域，对各个区域采用不同剂量进行曝光，通过不同位置曝光剂量的变化来补偿邻近效应带来的影响。

电子在抗蚀剂层中发生散射作用可以认为是抗蚀剂层吸收电子散射的转移能量的过程。前面提到，大部分的电子束曝光系统都满足高斯近似，也就是说电子束束斑中的电子数日在垂直于入射方向的平面上服从高斯分布，由于抗蚀剂层中电子散射的过程实质上是抗蚀剂曝光的过程，因此抗蚀剂吸收电子散射转移能量大小可以表征抗蚀剂的曝光程度，即电子散射能量沉积密度可以作为抗蚀剂曝光程度的量化标准。也就是说我们只要找到电子散射能量沉积密度分布就可以进行邻近自傲应校正。得到能量沉积密度分布的方法通常有两种：蒙特卡罗(Monte Carlo)法和近似函数法，它们分别是计算机模拟法和试验数据拟合法。

1975年，T．H．P．Chang根据有限的实验数据针对高斯束系统首次提出采用双高斯分布这—近似函数形式来描述电子束曝光中电子散射能量沉积分布，比较好的描述了电子散射能帚沉积分布。
如下式所示：