第3章电子束曝光技术

第3章电子束曝光技术杨柳optyang@zju.edu.cnhttps://person.zju.edu.cn/optyangliu第3章电子束曝光技术•电子光学原理•电子束曝光系统•电子束曝光图形的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与数据格式•电子束在固体材料中的散射•电子束曝光的邻近效应及其校正•低能电子束曝光•电子束抗蚀剂及其工艺•电子束曝光的极限分辨率•电子束曝光的计算机模拟•高产出率电子束曝光技术2电子束抗蚀剂•电子束抗蚀剂是一类对电子能量敏感的有机聚合物，吸收电子能量后，聚合物分子发生交链或断链。•电子束抗蚀剂也分为正型和负型、传统型（非化学放大型）和化学放大型。•电子束抗蚀剂的灵敏度和对比度可从显影曲线上获得，显影曲线是通过实验测量得到的。测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ：用不同电子束剂量曝光一系列大面积方块图形，然后在相同的显影条件下测量显影后的残留胶层厚度，由此得到曝光剂量与残留胶层厚度的关系曲线，称为显影曲线。•电子束抗蚀剂的灵敏度以曝光剂量（单位：μC/cm2） 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。曝光剂量=电子束流×曝光时间。•电子束抗蚀剂的灵敏度仅仅是一个比较不同抗蚀剂对电子敏感程度的量，用于比较不同抗蚀剂材料的性质，并不代表实际的曝光剂量。3电子束抗蚀剂实际曝光剂量的决定因素①电子束能量–电子束能量越高，抗蚀剂的灵敏度越低，所需曝光剂量越高。②抗蚀剂厚度–抗蚀剂越薄，所需曝光剂量越高，因为大部分电子将穿过抗蚀剂层。③图形密度–密集图形所需剂量低，稀疏图形所需曝光剂量高。④衬底材料密度–高密度材料将产生较多的背散射电子，所需曝光剂量低。⑤抗蚀剂工艺条件–对于化学放大抗蚀剂，后烘温度对曝光剂量的影响至关重要；–显影液强度和温度也会对抗蚀剂灵敏度产生影响。在实际电子束曝光时，通常先进行剂量测试曝光（dosetest），即对所需要曝光的图形做一系列不同曝光剂量的曝光实验，从中找出最合适的曝光剂量。这个最佳曝光剂量是针对具体的图形设计、抗蚀剂厚度、衬底材料和特定的显影工艺而言的。4（1）高分辨率电子束抗蚀剂1.PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethylmethacrylate）抗蚀剂5-10%的PMMA粉末与氯苯（chloromenzene）或苯甲醚（anisole）溶剂的混合液。第一个被发现可以作为电子束曝光抗蚀剂的聚合物。PMMA固体含量直接影响到混合后抗蚀剂的黏度，进而影响其涂覆厚度。最主要的特征：高分辨率、高对比度、低灵敏度。PMMA产品有两种标准形式：相对分子质量为495×103和950×103的PMMA。相对分子质量越高，灵敏度越低，因为抗蚀剂在显影液中的溶解速率降低。小相对分子质量的PMMA虽然其灵敏度有所提高，但分辨率和对比度都会降低。故，高分辨率电子束曝光都采用相对分子质量为950×103的PMMA。主要缺点：抗等离子体刻蚀（干法刻蚀）性能差，不如大多数光刻胶。故，PMMA主要作为金属溶脱剥离的掩模。的正常曝光剂量：2。超高剂量将改变其极性。PMMA50-500μC/cm5（1）高分辨率电子束抗蚀剂2.ZEP-520抗蚀剂日本ZEON公司开发的正型电子束抗蚀剂产品。优点：高分辨率、高对比度、高灵敏度、高抗干法刻蚀性能。3.负型抗蚀剂具有高分辨率的负型抗蚀剂都是化学放大型。为了避免化学放大型抗蚀剂比较苛刻的工艺条件，德国MicroresistTechnology公司开发出ma-N2400系列抗蚀剂，包括ma-N2401、ma-N2403、ma-N2405和ma-N2410四种不同类型。ma-N2400系列抗蚀剂的灵敏度比PMMA稍高，但不如ZEP-520；对比度与PMMA相当；抗干法刻蚀性能与ZEP-520相当。6（1）高分辨率电子束抗蚀剂4.无机型抗蚀剂HSQ（hydrogensilsesquioxane）是一种由DowCorning公司生产的、基于二氧化硅的无机类化合物，它的产品称为Fox-12或Flowableoxide。HSQ经电子束曝光后转化为不可溶的二氧化硅，故是一种负型抗蚀剂，其灵敏度、分辨率以及对比度均与PMMA相当。限制HSQ分辨率的因素可能是显影特性，而不是电子束直径或邻近效应。与PMMA相比，HSQ具有两大优点：①有更好的抗刻蚀性能；②线条边缘粗糙度（LER）低。抗蚀剂的灵敏度与分辨率是互相矛盾的。可从点扩散能量分布来分析。控制曝光剂量是控制高分辨率曝光图形低能量电子（含二次电子）尺寸的一个有效方法。只有在抗蚀剂灵敏度很高的情况下发生。7（2）化学放大抗蚀剂•大多数化学放大抗蚀剂不仅对深紫外光敏感，也对电子敏感，故被同时用来作电子束曝光的抗蚀剂。•化学放大的概念是20世纪80年代初提出来的。•化学放大抗蚀剂的曝光过程：–首先，电子束或深紫外光在这类特殊的聚合物中产生少量光酸分子；–在曝光后与显影前，经过适当温度烘烤，这些光酸分子诱发连锁反应产生更多的光酸分子并使聚合物分子断链或者交链。•化学放大抗蚀剂的优点：①高灵敏度：可比PMMA高十几倍；②高对比度③高分辨率④高抗干法刻蚀性能•化学放大抗蚀剂的极限分辨率不如PMMA或HSQ（<10nm），大约30nm。8化学放大抗蚀剂的缺点①对后烘温度非常敏感后烘（postexposurebake，PEB）是化学放大抗蚀剂工艺中最关键的一步，全部化学反应过程是在PEB时发生的。PEB条件的变化会直接影响到曝光灵敏度和分辨率。抗蚀剂：AZPN114PEB=103℃PEB=105℃PEB=107℃PEB=109℃PEB温度增加，抗蚀剂的灵敏度也增加，但PEB宽容度降低。PEB宽容度（PEBlatitude）定量表示PEB条件变化对曝光质量的影响，例如，PEB温度每变化1℃导致曝光线宽CD（criticaldimension）的变化。9化学放大抗蚀剂的缺点②对曝光与后烘之间的延迟时间有限制延迟效应（postexposuredelay，PED）：在曝光后没有立即烘烤（PEB），导致抗蚀剂灵敏度发生变化，说明抗蚀剂中的化学反应在曝光后、烘烤前就已经在进行了。PED对大面积图形曝光的影响非常严重。抗蚀剂：SAL601PED=0PED=1hPED=17hPED=24h10化学放大抗蚀剂的缺点③正型抗蚀剂表面易受空气中的化学物质污染•早期的正型抗蚀剂：空气中某些有机物分子与抗蚀剂表层的氢离子相互作用形成难溶物质，其中以氨分子（ammonia）的影响最为明显。•新开发的正型抗蚀剂：已不存在表面污染效应。抗蚀剂：AZPF514抗蚀剂灵敏度高，意味着固定束流下电子束停留的时间短，于是要求电子束曝光机的扫描频率高，对某些电子束曝光机而言是一挑战。11特殊显影工艺•显影液强度的影响–标准的PMMA显影液配比是MIBK:IPA=1:3，MIBK浓度越高，显影液的强度越高。增加MIBK比例，可提高PMMA的灵敏度，但会降低分辨率。•显影液温度的影响–对PMMA而言，低温显影可提高曝光分辨率，原因：低温下，抗蚀剂分子的动能降低。也因此，需要比常温显影更高的曝光剂量。–对HSQ而言，其灵敏度随显影温度升高而降低，对比度随显影温度升高而提高。•超声辅助显影–超声辅助显影提高PMMA的分辨率，有两种可能的机理：1）超声波振动可加速显影液与抗蚀剂的相互作用，缩短显影时间，增加显影对比度；2）超声能量帮助断链的PMMA分子脱离固体分子间的束缚。–迄今，超声辅助显影只对PMMA起作用，对其它抗蚀剂没有作用。12多层抗蚀剂工艺从高分辨率电子束曝光角度考从图形转移角度考虑，虑，采用薄抗蚀剂层是有利的。采用厚抗蚀剂层是有1.低电子能量：穿透深度有限利的。2.高电子能量：电子横向散射1.溶脱剥离技术随深度增加而增加2.刻蚀技术表面成像技术（topsurfaceimaging，TSI）：采用多层抗蚀剂结构，将顶层做得很薄，仅对该层曝光显影；接着，以这一薄层为掩模，通过刻蚀方法将高分辨率图形转移到低层厚胶层。TSI技术主要以双层抗蚀剂为主，即顶层的成像层与底层的图形转移层。顶层厚度一般为100nm左右，或者更小，取决于图形分辨率；底层厚度可以达到微米量级，取决于图形转移的要求。13三种双层抗蚀剂工艺过程1.顶层与底层同时显影2.顶层与底层分别显影3.顶层显影、底层刻蚀双层抗蚀剂结构双层抗蚀剂结构双层抗蚀剂结构双层同时曝光仅顶层曝光显影仅顶层曝光显影双层同时显影底层单独显影等离子体刻蚀底层注意问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：两种抗蚀剂在甩胶过程中的相互混合（intermixing）。1.底层抗蚀剂烘烤固化后，再涂覆顶层抗蚀剂；2.在底层和顶层之间加一层隔离层，例如沉积10-20nm的金属钛或铝，或二氧化硅。14第3章电子束曝光技术•电子光学原理•电子束曝光系统•电子束曝光图形的设计与数据格式•电子束在固体材料中的散射•电子束曝光的邻近效应及其校正•低能电子束曝光•电子束抗蚀剂及其工艺•电子束曝光的极限分辨率•电子束曝光的计算机模拟•高产出率电子束曝光技术15决定电子束曝光极限分辨率的因素（1）高电子能量：局部背散射电子效应小；色差和空间电荷效应小，有利于获得更小的电子束斑；有利于曝光厚光刻胶。（2）小限制膜孔：减小束张角，进而减小球差。（3）低速流：减小空间电荷效应，减小束斑，但会增加曝光时间。（4）小扫描场：减小偏转相差。（5）低灵敏度抗蚀剂（如PMMA和HSQ）：分辨率小于20nm。（6）薄抗蚀剂层：减小电子束前向散射影响，降低邻近效应。（7）优化抗蚀剂工艺：改变显影工艺。（8）低图形密度：减小邻近效应。（9）低密度、高导电性衬底材料：减小背散射电子，降低邻近效应；不积累电荷，图形精准度高。（10）稳定的工作环境：包括低振动、低电磁干扰、稳定的环境温度等。16第3章电子束曝光技术•电子光学原理•电子束曝光系统•电子束曝光图形的设计与数据格式•电子束在固体材料中的散射•电子束曝光的邻近效应及其校正•低能电子束曝光•电子束抗蚀剂及其工艺•电子束曝光的极限分辨率•电子束曝光的计算机模拟•高产出率电子束曝光技术17电子束曝光的计算机模拟计算机模拟的内容：1.模拟电子在抗蚀剂及衬底材料中的散射与能量积累过程；2.利用所计算的能量分布，进一步模拟抗蚀剂的曝光与显影，得到抗蚀剂的二维或三维曝光图形。计算机模拟的目的：帮助优化电子束曝光工艺，包括寻找最佳曝光剂量、估计电子临近效应、预测电子束曝光的最大分辨能力等，从而大大减小曝光实验的次数，提高生产效率。大多数模拟软件采用卢瑟福单散射模型与贝特连续减速模型。最普遍应用的数值模拟技术是蒙特卡罗方法。电子束曝光的蒙特卡洛模拟并不是用蒙特卡罗方法来求解电子散射方程，而是借用这一名称来反映电子散射的随机本质。18蒙特卡罗方法模拟电子束曝光的过程①模拟电子散射模拟单电子散射轨迹•以追踪单个电子的散射与能量损失过程为一个周期；对大量对单电子能量分布卷积形成电子模拟，但并不代表对实际圆形电子束的高斯能量分布意义上的电子束的模拟。•电子束在固体材料中产生的能扫描一维曝光图形并扫描二维曝光图形并量分布可以用已得到的单电子计算能量分布计算能量分布能量分布与一个有限直径的束进行卷积。模拟二维抗蚀剂图形模拟三维抗蚀剂图形横截面剖面②模拟曝光图形•将电子束的能量分布与曝光图形函数进行卷积。能量分布或抗蚀剂图形输出③模拟抗蚀剂显影•通过经验公式计算。19第3章电子束曝光技术•电子光学原理•电子束曝光系统•电子束曝光图形的设计与数据格式•电子束在固体材料中的散射•电子束曝光的邻近效应及其校正•低能电子束曝光•电子束抗蚀剂及其工艺•电子束曝光的极限分辨率•电子束曝光的计算机模拟•高产出率电子束曝光技术20高产出率电子束曝光技术•电子束曝光具有顺序扫描曝光的特点，产出率无法与光学曝光相匹敌。•193nm深紫外曝光极限分辨率在22nm，而极紫外曝光技术迟迟不能成熟并进入大生产。于是，高产出率电子束曝光技术在更小的技术节点上被寄予厚望，成为近年来的研究热点。21（1）变形束（shapedbeam）曝光曝光原理：通过膜孔组合使曝光电子束不再是聚焦很小的圆形束，而是聚焦尺寸可变的矩形束。由于集成电路图形多数是规则的线条或方块图形，可以用数目较少的矩形束填充，曝光速度大大加快。变形束曝光机均以矢量扫描方式工作。变形束曝光机面向掩模制造和集成电路直写曝光，但产出率仍然很低。22（2）电子束投影曝光•曝光原理与光学投影曝光相同，即将掩模投影到硅片表面。•电子束投影曝光的掩模对电子不是采取完全通过或完全阻挡的方式实现明暗图形曝光，而是采取对电子小角度或大角度散射的方式决定曝光图形的明暗反差。经过掩模散射的电子需要通过一个中心限制膜孔才能到达曝光面，而这个限制膜孔只允许小角度散射的电子通过，而把大角度散射电子挡住，因此，来自掩模的小角度散射电子代表了曝光的亮区，来自掩模的大角度散射电子代表了曝光的暗区。高密度材料散射层图形开孔氮化硅载膜钨（30nm）/铬（5nm）硅薄膜图形开孔（150nm）（2μm）日本日立公司开发的掩模示意图朗讯公司研发的掩模示意图23（3）微光柱系统曝光•基本思想：用微加工技术将传统的电子光学系统微缩为微光柱，这种微光柱系统只能采用全静电聚焦与偏转，其中每一级透镜都是在硅片上通过微细加工方法制作的。整个合成的微光柱可以只有几厘米的厚度。由于单个微光柱在一个小单元面积内曝光，大量微光柱组成的阵列可实现大面积并行式曝光。•并没有实质性进展，但微光柱技术本身在制作微型扫描电镜方面得到了进一步发展。24（4）多电子束无掩模曝光三种无掩模曝光系统的不同之处在于控制各个平行束的方法和位置。•PML2系统是在原来电子束投影式曝光机中投影掩模的位置放置一个控制膜孔阵列。•MAPPER系统将平行束控制开关放在最后接近曝光表面的位置。•REBL则通过反射镜阵列来控制每个平行束。25第3章电子束曝光技术•电子光学原理•电子束曝光系统•电子束曝光图形的设计与数据格式•电子束在固体材料中的散射•电子束曝光的邻近效应及其校正•低能电子束曝光•电子束抗蚀剂及其工艺•电子束曝光的极限分辨率•电子束曝光的计算机模拟•高产出率电子束曝光技术26