限散射角电子束光刻技术及其应用前景

摘 要：在下一代光刻（NGL）技术中，限散射角电子束光刻（SCALPEL）技术工艺简单、成本较低，因此是集成电路生产厂家的光刻方案之一。本文论述了SCALPEL的工作原理、加工工艺和方法、SCALPEL系统等，并对比分析了SCALPEL在NGL研发中的技术优势及其应用要点。

关键词：超大规模集成电路,纳米CMOS器件,电子束光刻,散射,技术优势,应用前景

中图分类号：TN305.7；TN47 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)06-0018-05

1 引言

集成电路（IC）制造中的一个重要步骤是应用光刻技术确定一个个特殊的几何图形，这些图形终将制备成电阻器、MOS管、BJT或IC等。因此光刻技术的研发在更新每一代IC制造技术中都扮演着先导的角色。近几年内，当光学光刻技术努力突破分辨率“极限”——0.1μm的同时，替代光学光刻技术的下一代光刻技术的研发正在迅速升温，这些技术包括X射线光刻（XRL）、极紫外光刻（EUVL）、电子束投影光刻，例如限制散射角电子束光刻（SCALPEL）、离子束投影光刻等。其中SCALPEL技术不但工艺简单，成本较低，而且不需要专用光刻胶，因此倍受IC业界的青睐[1~6]。本文主要介绍SCALPEL的原理和系统、它的技术优势及应用要点。

2 SCALPEL技术

2.1 SCALPEL系统结构及其原理
SCALPEL，意为限制散射角的电子束投影光刻，它的系统结构示意图如所示。由图可见，SCALPEL系统主要由电子束光源、干涉仪、掩模工作台、透镜、拼接偏转器、芯片工作台和扫描装置等部件组成。

为工作原理图，SCALPEL中平行的电子束入射到由极薄的SiNx薄膜和薄的高原子序数组成的掩模上，穿过氮化硅膜的电子基本不散射，相反穿过金属膜的电子散射严重。这些电子再经过磁透镜聚焦后穿过一个置于焦平面上的角度限制光阑，此时散射严重的电子透过率很低，相反地，低散射电子则基本上穿过去了。所有这些电子再通过一个磁透镜形成平行束，这样就形成了高反差图形。这一电子束投影过程被设计成四倍的缩小。

2.2 SCALPEL加工工艺和方法
2.2.1 电子束的产生
由于SCALPEL属于电子束投影曝光，所以要求电子经磁透镜聚焦后穿过角度限制光阑，而当电子束通过掩模版中的高原子序数层时，该层散射出电子束在硅片平面上形成高反差图形。因此电子的产生使用温度限制（即热电子发射）模式的阴极。早期版本的SCALPEL电子枪是一个大而扁平的LaB6 单晶，它被加热到1250K，产生10μA的电流，该电流在1mm直径上均匀性很高，并具有 1000A/(cm2.sr)的亮度。因为与LaB6 有关的均匀性和稳定性问题，所以SCALPEL系统现已改换成只有250A/(cm2.sr)亮度的Ta盘状阴极。
为电子束投影光源（Ta热阴极枪）的曝光原理示意图。与电子束直写技术有所不同，SCALPEL技术希望具有大面积、高均匀度、低亮度的投影电子束光源，并获得相当高的总发射度。由于使用磁透镜聚焦，像差不好，所以用大视野磁透镜显然不切合实际。另外SCALPEL系统只有小曝光面积，典型值为每边1mm数量级，故掩模、圆片室和束流通道的真空压力保持在133.322×10-7Pa，同时Ta热阴极枪保持为133.322×10-8Pa的压力。通过对图形和圆片同步辐射扫描的方式进行图形曝光，这时工作台按给定的曝光缩小量以4：1的速度比行进。

2.2.2 掩模版

SCALPEL掩模版由低原子序数的SiN x薄膜（厚度在1000~1500μm）和高原子序数的铜/钨（Cr/ W，厚度在250~500μm）组成，SiNx薄膜将电子微弱地小角度散射，而Cr/W把电子强散射成大角度。通过投影系统的背焦平面上的光阑将强散射电子滤除掉，以便在硅片上形成高反差图形。SCALPEL掩模版结构见。相对于镂空结构的X 射线掩模版，结构的掩模版有其独特的优越性。

SCALPEL掩模版设计得与常规的半导体工艺兼容，首先两面沉积SiNx薄膜，背面开窗口，正面沉积Cr/W/Cr散射，然后KOH刻蚀，去除顶层Cr，将硅片粘合在支撑环上，至此完成了一个掩模版的基板制备，再在其上涂胶，形成电子束曝光图形，从而制造出SCALPEL掩模版。

高原子序数的Cr/W材料会高角度地散射电子束，而低原子序数的薄膜材料中的散射产生的速度角度的变化可以忽略。投影系统后焦面中的光阑挡住了散射电子束，产生了高反差的空间图形。为了改善薄膜掩模的机械稳定性，图形被分成每毫米一排，在终的图形中进行拼接，包括使电子束产生偏转的高原子序数Cr/W材料的边缘区，这些边缘区环绕在每个曝光区周围，构成了图形的边沿部分。

2.2.3 电子束光刻胶

通常用于非光学光刻中的光刻胶由长链碳聚合物组成，在相邻链上碳聚合物接受照射的原子会产生移位，而碳原子将直接键合，这一过程称为交联。高度交联的分子在显影液中溶解较慢。如果一种光刻胶在曝光过程中占优势的反应是交联，则称其为负性光刻胶，而曝光过程中在光刻胶中的链条分裂占优势的反应者，则为正性光刻胶。

电子束光刻胶的主要参数是对于曝光类型和能量的对比度及灵敏度，表1列出了几种光刻胶的电子束光刻（EBL）参数。对于高分辨率工作，常用的正性光刻胶为聚甲基丙稀酸甲酯（PMMA），它有较理想的灵敏度，典型值为100μC/cm 2，且具有较佳的对比度，典型值为2.0 。当PMMA 光刻胶用作直写技术时，它作为图形光刻胶用于剥离工艺。一些PMMA的衍生光刻胶也已出现，由日本Toray公司制造的光刻胶EBR-9就是高灵敏度的正性光刻胶之一。

与此同时，几种负性光刻胶也被制造了出来，其成分由聚合物链形成，典型的交联成分包括氯甲基苯乙烯、环氧树脂和乙烯基团，曝光过程中聚合物极易在这些物质处交联，从而降低了电子束光刻胶在显影剂中的溶解度。与表1中正性光刻胶相比，负性光刻胶具有接近或更佳的灵敏度，但其对比度较低，且其尺寸在显影时易胀大。

在EBL中，经常使用一些薄成像光刻胶，经过剥离或刻蚀，将图形转移到硬掩模中。当光刻胶直接用于刻蚀环境时，采用以酚醛为基础的光学光刻胶或酚醛/砜共聚物。表1中第2列“*”号表示酚醛树脂类光刻胶的特性由工艺决定。这类光刻胶的灵敏度甚至比PMMA还低。例如Shipley AZ-1350的对比度为3.2，但需要的剂量约为 PMMA的10倍[7~9]。

3 与SCALPEL系统有关的新技术

3.1 SCALPEL系统研制概况
SCALPEL技术采用散射掩模方式，将电子束的高分辨率与光学多步重复投影的高效率结合起来，使电子束曝光系统展现出光明的应用前景。目前该系统具有与光学光刻可比拟的生产率，且其加工能力优于0.08μm。1989年贝尔实验室发明了 SCALPEL技术，同年朗讯工作组注册了商标“SCALPEL”。在这一创新价值的启发下，IBM 和日本的一些公司正在研发类似的EBL系统。

贝尔实验室的朗讯工作组，1996年5月完成概念论证系统，该系统对光学系统、掩模稳定性、图形模糊和硬件邻近效应等都进行了试验并获得了关键数据，即SCALPEL的极限约为35nm。1997年7月，在系统研究的基础上，加入激光干涉步进工作台和位置误差校正系统，组装成光刻论证系统。该论证系统被用来考察芯片图形成像方法和对准套刻等一系列关键技术，结果令人满意，并获得了下一步需要重点解决的课题。1999年起开始研制高生产率系统（SCALPEL-HPS），此系统相当复杂，对电子系统、机械装置和光刻胶都提出了挑战性的要求，目前已推出成品机（β-tool），并正在建立掩模生产线 [2]。

3.2 用于SCALPEL技术的电子束曝光系统
3.2.1 高斯扫描系统

EBL通常有两种扫描方式：一是光栅扫描系统，它采用高速扫描方式对整个图形场进行扫描，利用快速束闸，实行选择性曝光；二是矢量扫描方式，它只对需曝光的图形扫描，无图形之处快速移动。当曝光时先将图形分割成场，台面在场间移动，然后再将每一个场分割成子场。在商用系统中，电子束偏转分为两步：先由16位数-模转换器（DAC）将电子束偏转到某一子场边缘，再由快速12位DAC在子场内偏转电子束扫描曝光。这一系统的特点是采用高激光控制台面，所用电子枪一般采用LaB6和热场致发射高亮度长寿命阴极，分辨率可达几纳米。

3.2.2 成型束系统

给出了成型束系统的光路原理图。曝光前将图形分割成矩形和三角形，通过上、下两直角光阑的约束形成矩形束，上光阑像通过束偏转投影到下光阑，以改变矩形束的长和宽，成型束的分辨率一般大于100nm，但其曝光效率较高，目前除用于SCALPEL系统外，还广泛用在微米、亚微米及深亚微米曝光系统中。

4 SCALPEL的技术优势、应用前景与研究方向

4.1 NGL技术-光刻巨人的机遇与挑战
表2列出了SCALPEL的技术优势及其面临的挑战，表中同时示出X射线光刻（XRL）和极紫外光刻（EUVL）技术的性能状况，以便于比较。由表2可见，这些NGL技术-光刻巨人在展示其优势的同时，也面临着各自的挑战，简单地对比它们的优缺点往往得不到令人信服的结论。值得注意的是，它们的背后都隐藏着对未来光刻技术主导权的竞争，在微电子和IC产业界具有重大影响力的各跨国公司均在其中投入了大量的人力和物力，而一些国家的行业协会、政府研究机构乃至军方均对NGL技术给予高度的关注和支持[2，9] 。

4.2 SCALPEL的技术优势及其应用策略
4.2.1 较低的生产成本，较高的产量，并可突破0.1μm的关键尺寸

由表2可见，SCALPEL技术的生产成本在三种 NGL技术中，仅约为1.87亿美元（0.1μm特征尺寸下掩模工艺的制造费用），且SCALPEL系统将电子束的高分辩率与光学多步重复投影的高效率相结合，可得到较高产量的电子束曝光系统，其加工能力优于0.08μm，因此可用来制备纳米CMOS器件、VLSI、ULSI和MEMS等产品。这些技术优势正是IC产业链产能、产量和生产力所要求的，也恰恰是SCALPEL技术适应产业链生产及突破0.1μm特征尺寸的希望所在。

4.2.2 减低邻近效应的工艺方案

在电子束光刻中，一个倍受关注的问题是邻近效应引起的图形畸变，SCALPEL技术也不例外。图形畸变缘自散射电子倾向于将不曝光的区域曝光。通过查验蒙特卡罗模拟得出典型的电子束曝光的电子轨迹，就极易看出这种曝光的起因。考虑解决的办法是，将散射类型分成前向散射和背向散射两种：前向散射发生在相对入射速度方向的一小角度范围内，并将导致图形稍微展宽；背向散射造成大面积曝光模糊。为了进一步减低图形畸变这一效应，高分辨率的SCALPEL先在薄光刻胶中进行，然后再将图形转移到较厚的掩模层上，获得预期的图形。针对所用的电子束光刻胶，通过精心设计，将入射电子束的能量优化。因为背向散射的范围取决于入射电子能量的平方，对于高能束而言，这种弥散效应会显著降低曝光剂量，足以阻碍改变覆盖在整个区域上的光刻胶性质，除非光刻胶具有相当高的灵敏度。此外，对于背向散射带来的曝光模糊现象，曝光剂量亦需作出修正。

4.2.3 由芯片特征尺寸、生产率和产量等因素决定采用何种NGL技术

尽管作为NGL技术的有力竞争者，SCALPEL加工方法还是存在着一些问题，需要研究并加以解决：一是既没有商用SCALPEL掩模版，又维修 SCALPEL掩模版也成问题；二是图形缩小四倍后，某一扫描区的硅片图形面积为0.25mm×3.0mm，小图形尺寸被拼接在一起，而在拼接过程中保持临界尺寸控制极其困难。目前国外SCALPEL技术采用了一种半混制方法，即边缘附近的特征图形处于共享区内，在该共享区域内由每边进行部分曝光，这带来了较小的有效拼接误差；三是SCALPEL系统中的高产量要求大电子束流，这样大量的空间电荷将产生云雾区或电子束展开团。在低电子流密度下可获得较佳的图形质量，而在高束流密度下只能获得较高的产量，图形质量欠佳，因此空间电荷效应带来的图形质量问题与高产量确实是一对矛盾。故空间电荷效应和硅片表面热效应将是SCALPEL技术应用中需要研究并加以解决的课题。另外，能否建造纳米级特征尺寸器件的高产量SCALPEL系统，还有待于深入的观察和探讨。因此， IC业界生产厂家应由芯片特征尺寸、生产率和产量等因素综合决定采用哪一种NGL新技术[9~12]。