淺談電子束光刻

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2023-03-23 08:53:36 1031

半導體是近年來國內的熱門話題，圍繞著半導體最核心的設備和耗材是光刻機和光刻膠。我們經常會聽到ASML的極紫外光刻機以及日本的高端光刻膠。確實這些都是當前制作10nm以下集成電路的必要手段，那么我們有沒有其他的手段來制作10nm以下的結構？（公眾號：芯片智造）實際情況是，我們有其他的手段獲得10nm以下的結構，但是只是這種手段目前速度比較有限無法實現集成電路芯片的制造。但是他確實推動我們當前新材料、前沿物理研究、半導體、微電子、光子、量子研究領域的重要手段之一。這就是今天我們需要介紹的電子束光刻機。

我們前面介紹過很多關于紫外光刻的原理和工藝過程。但是大家可能會問，我們已經有可以做10nm量產的的光刻機了，（公眾號：芯片智造）但是為什么還要用速度慢的電子束光刻？甚至為什么要用電子束作為光源？電子束光刻的過程與紫外光刻有什么異同？電子束光刻所使用的的光刻膠與紫外光刻膠有什么異同？市場上有哪些種類的電子束光刻系統？電子束光刻的生產廠商有哪些？電子束光刻的應用有哪些？（公眾號：芯片智造）下面我們就帶著這些問題先概要介紹一下：

電子束光刻的定義

利用聚焦電子束對某些高分子聚合物（電子束光刻膠）進行曝光并通過顯影獲得圖形的過程。產生聚焦電子束并讓聚焦電子束按照設定的圖形掃描的設備就叫做電子束光刻機。

發展歷史

通過上述的定義我們不難發現其實電子束光刻系統的核心是聚焦電子束。而聚焦電子束的應用從20世紀初期就開始了，最早期的應用就是陰極射線管在顯示器中的應用，（公眾號：芯片智造）然后在20世紀60年代出現的掃描電子顯微鏡的出現，掃描電子顯微鏡的結構已經與電子束曝光機無本質區別了。但是利用聚焦電子束曝光產生精細圖形是伴隨著電子束光刻膠（也叫抗蝕劑）的出現開始的。電子束光刻的發展已經有50多年的歷史了，他幾乎是與光學曝光同步發展起來的，主要標志性的時間有下面幾條：

早在1965年就使用電子束曝光制作100nm的結構了
1968年PMMA被作為電子束光刻膠使用
1970年使用PMMA制作出0.15um聲表面波器件
1972年使用電子束光刻在硅表面做出橫截面為60X60nm鋁金屬線條

80年代，當時人們普遍認為光學曝光已經走到了盡頭，電子束光刻是最有前景的替代手段，然而，30多年過去了，電子束光刻依然無法替代光學曝光。在兩種光刻技術的發展方面逐漸形成了相互補充的格局，（公眾號：芯片智造）相信這種格局依舊會長期保持。

理論基礎

我們知道，光刻就是利用光輻照聚合物產生的變化形成圖形，光學曝光的分辨率受光波長的限制，為了提高光學曝光的分辨率，（公眾號：芯片智造）光波的選擇經歷了從G線到I線，深紫外，極紫外不斷縮短的發展過程。我們也知道，電子束本質上是帶電粒子，但是從波粒二象性可知它也是一種光，其波長為：

由此，可知電子束的波長與電子束的加速電壓的平方根呈反比關系，因此加速電壓約高，電子束的波長越小，這跟我們市面上常見的電子束曝光系統的高電壓系統和低電壓系統直接相關。因此100KV的加速電壓系統下的電子波長為0.12nm。這也是其高分辨率的基礎保證。（公眾號：芯片智造）傳統的電子束光刻使用直寫模式，這也是目前電子束光刻效率比較低的重要因素，但是其優點是直寫無需掩膜版，簡單靈活。

電子束與紫外光一樣能使一些聚合物產生解鏈或者交聯反應，從而在顯影過程中形成對應的圖形，且一些紫外光刻膠本身就能當做電子束光刻膠使用，所以二者在本質上沒有太大區別，（公眾號：芯片智造）為了區分，我們有時候也將電子束光刻膠叫做抗蝕劑。但是由于電子束在于物質的響作用時產生的散射會導致其作用過程比紫外光刻復雜的多。

至此我們已經回答了為什么要使用電子束光刻。以及電子束光刻的特點是高分辨率和靈活性，其光刻膠的機理與紫外光刻膠基本一致。（公眾號：芯片智造）但是電子束與固體物質的相互作用又決定了在深層次的作用方式的差異。

電子束曝光系統

我們剛才介紹過，電子束曝光系統是產生聚焦電子束和控制電子束按照設計的版圖直寫的設備，在基本原理上，他和掃描電子顯微鏡是類似的。包括光柱（產生聚焦電子束和控制電子束偏轉和有無）、電子束檢測系統（檢測到達樣品表面電子束流大小）、反射電子檢測系統（觀察樣品表面對準標記）、工作臺系統（放置和精確移動樣品）、（公眾號：芯片智造）真空系統（獲得高真空環境）、高壓電壓和計算機圖形發生系統（將設計圖形數據準換成控制偏轉器的電信號），如下圖所示。

圖1 電子束曝光系統結構簡圖

電子束曝光系統按照曝光方式分為失量掃描和光柵掃描兩種；按照束形可分為高斯束和變形束；按照工作方式可分為直接曝光和投影曝光。

電子束曝光系統的重要參數包括以下幾個方面：

最小束直徑，直接影響曝光的圖形的自小尺寸
加速電壓，加速電壓高，分辨率越高，曝光產生的臨近效應小，可曝光較厚的光刻膠
電子束流，束流大曝光速度快，當然最大曝光速度受掃描頻率限制，大束流的束斑也會較大
掃描速度，掃描速度快曝光速度快，以頻率表示
寫場大小，寫場大則寫場內圖形無拼接誤差
其他還有控制臺精度、拼接精度、套刻精度等（公眾號：芯片智造）

應用

電子束曝光系統的應用比較豐富，因為他是可控獲得納米級圖形的重要工具，因而被廣泛應用于以新材料（如超材料、表面工程）、前沿物理研究（如超導、量子）、仿生（功能性表面）、光子（微納光學、光波導、光子晶體）、生物（DNA測試、納流控）、微電子等研究領域。（公眾號：芯片智造）隨著近年來科技市場發展，電子束也被應用于3D結構光器件的加工、光子芯片加工、高功率芯片加工領域，還有掩膜版制作這個傳統領域等。

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