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1 引言
在过去的几年中，微电子技术已发展到深亚微米阶段，并正在向纳米阶段推进。在此期间，与微电子领域相关的微/纳加工技术得到了飞速发展，如图形曝光（光刻）技术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等。在这些加工技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要推动者，正是由于曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和制备成本持续降低[1]。
几十年来，在半导体器件和IC生产上一直占主导地位的光学曝光工艺为IC产业链的发展做出了巨大贡献。通过一系列技术创新，采用超紫外准分子激光（193 /157nm）的光学曝光机甚至已将器件尺寸进一步推进到0.15～0.13μm，例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-5000ESI/ASI（Canon公司）。但是，随着器件尺寸向0.1μm以下逼近，光学曝光技术将面临严峻的挑战，例如分辨率的提高使生产设备价格大幅攀升、超紫外光焦深缩短引起的材料吸收问题等，使光学曝光能否突破0.1μm成为业界普遍关注的问题[2～3]。
2 四种电子束曝光系统
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，它的特点是分辨率高（极限分辨率可达到3～8μm）、图形产生与修改容易、制作周期短[4，5]。它可分为扫描曝光和投影曝光两大类，其中扫描曝光系统是电子束在工件面上扫描直接产生图形，分辨率高，生产率低。投影曝光系统实为电子束图形复印系统，它将掩模图形产生的电子像按原尺寸或缩小后复印到工件上，因此不仅保持了高分辨率，而且提高了生产率。
2.1 基于改进扫描电镜（SEM）的电子束曝光系统
由于SEM的工作方式与电子束曝光机十分相近，最初的电子束曝光机是从SEM基础上改装发展起来的 [6]。近年来随着计算机技术的飞速发展，将SEM改装为曝光机的工作取得了重要进展。
如图1所示，主要改装工作是设计一个图形发生器和数模转换电路，并配备一台PC机。PC机通过图形发生器和数模转换电器去驱动SEM的扫描线圈，从而使电子束偏转。同时通过图形发生器控制束闸的通断，最终在工件上描绘出所要求的图形。通常采用矢量扫描方式描绘图形，即在扫描场内以矢量方式移动电子束，在单元图形内以光栅扫描填充。
对SEM进行改装时，应考虑SEM偏转系统的带宽以及工作台移动精度等对曝光图形误差和图形畸变的影响。目前，高档SEM改装系统的功能接近于专用电子束曝光机，但由于受到视场小、速度低及自动化程度低等限制，在生产率上不可能与专用电子束曝光系统相比。表1列出几种SEM改装型电子束曝光系统的主要性能指标。
2.2 高斯电子束扫描系统
2.2.1矢量扫描方式
曝光时，先将单元图形分割成场，工件台停止时电子束在扫描场内逐个对单元图形进行扫描，并以矢量方式从一个单元图形移到另一个单元图形；完成一个扫描场描绘后，移动工件台再进行第二个场的描绘，直到完成全部表面图形的描绘。
由于只对需曝光的图形进行扫描，没有图形部分快速移动，故扫描速度较高。同时为了提高速度和便于场畸变修正，有部分系统将扫描场分成若干子场，电子束偏转分成两部分：先由16位数模转换器（DAC）将电子束偏转到某子场边缘，再由高速12位DAC 在子场内偏转电子束扫描曝光，如图2所示。系统的特点是采用高精度激光控制台面，分辨率可达1nm以下，但生产率远低于光学曝光系统，并随着图形密度增加而显着降低，因此难以进入大规模集成电路（LSI）生产线 [7]。表2 给出了几种典型高斯扫描系统的型号和主要技术指标。
2.2.2光栅扫描系统
采用高速扫描方式对整个图形场扫描，利用快速束闸控制电子束通断，实现选择性曝光。例如美国Etec公司生产的MEBES系统采用高亮度热场致发射阴极，在掩模版上可获得400A/cm2的束电流密度，工件台在X方向作连续移动时，电子束在Y 方向作短距离重复扫描，从而形成一条光栅扫描图形带。随后工件台在 Y方向步进，再描绘相邻的图形带。激光干涉仪对工件台位置进行实时监测并补偿行进中的工件台的位置误差。由于采用了工件台连续移动、大束斑快速充填、高亮度热场致发射阴极等技术，极大地提高了扫描系统生产率，且生产率不受图形密度的影响。
2.3 成型电子束扫描系统
成形电子束曝光系统按束斑性质可分成固定和可变成形束系统。固定成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸始终不变；可变成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。按扫描方式，成形电子束曝光系统又可分为矢量扫描型和光栅扫描型。图3所示为一种尺寸可变的矩形束斑的形成原理，电子束经上方光阑后形成一束方形电子束，再照射到下方方孔光阑上。在偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方孔光阑的矩形束斑的尺寸，形成可变的矩形束斑；采用特殊设计的成形光阑，还可形成三角形、梯形、圆形及多边形等成形电子束。成型束的最小分辨率一般大于100nm，但曝光效率高，目前广泛用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域，如用于掩模版制作和小批量器件生产等。表3中列出了几种典型成型束系统的生产厂商和主要技术指标。
2.4 投影电子束扫描系统
扫描式电子束曝光系统可以得到极高的分辨率，但其生产率较低，不能满足大规模生产的需要。成形束系统生产率固然有所提高，但其分辨率一般在0.2μm左右，难以制作纳米级图形。近年来研发的投影电子束来曝光系统，既能使曝光分辨率达到纳米量级，又能大大提高生产率，且不需要邻近效应校正。目前在研制中的投影式电子束曝光系统主要有两种。
一种是Lucent公司的SCALPEL系统，如图4 所示，平行电子束照射到SiNx薄膜构成的掩膜上，薄膜上的图形层材料为W/Cr。当电子穿透SiNx 和W/Cr两种原子序数不同的材料时，产生大小不同的散射角。在掩模下方缩小透镜焦平面上设置大小一定的光阑时，通过光阑孔的主要是小散射角的电子，而大散射角的电子则大多数被遮挡，于是在工件面上得到了缩小的掩模图形。再经过分布重复技术，将缩小图形逐块拼接成所要的图形。近期采用散射型掩模取代了吸收型镂空掩模，以及采用角度限制光阑技术使SCALPEL技术得到迅速的发展，故投影电子束扫描系统极可能成为本世纪0.1μm以下器件大规模生产的主要光刻手段[8]。
另一种是Nikon公司和IBM公司合作研究的下一代投影曝光技术——PREVAIL，其技术实质是采用可变轴浸没透镜，对以硅为支架的碳化硅薄膜进行投影微缩曝光。由于将大量平行像素投影和扫描探测成形相结合，从而得到较高的曝光效率，并对像差进行实时校正 [9]。通过这项技术可望研制出高分辨率与高生产率统一的电子束步进机，用于 100nm～50nm电子束曝光。
四种电子束扫描系统对比分析与应用见表4。
3 几项发展中的电子束曝光新技术
3.1 基于DSP的新型图形发生器
新型图形发生器以DSP芯片为主体，上位机通过增强并行接口（EPP）连接通信协议控制器。DSP和计算机之间的数据通信形式由通信协议控制器决定，程序控制器EPROM（可编程只读存储器）用来存放控制命令和传输数据方式命令及DSP 数据输出方式等。数据控制RAM用来存放场畸变、场增益、场旋转等校正数据。曝光图形数据和各类校正数据经DSP运算处理后，通过地址译码及DSP内部数据总线送至相应的各类寄存器。 X和Y方向的主场、子场、增益及旋转寄存器的数据传送给相应的数模转换器，数模转换器的模拟量经求和后送至偏转放大器，由偏转放大器控制电子束在硅片上（或掩模上）扫描曝光图形。例如，IBM公司在原有IBM VSXPG矢量扫描图形发生器的基础上增加了DSP处理器，高精度地实现了圆形、椭圆形、抛物线和双曲线图形的曝光。
3.2 电子束直接光刻技术
无掩模电子束直接光刻（EBDW）预先要制作晶片位置标记和芯片套刻标记及工件台标定，以确定晶片位置和方向角，直写过程就是反复利用标记定位及描绘来完成图形曝光的。EBDW的主要优点是节约新器件研制成本；缩短研制周期；能获得极高的分辨率。这些优点使EBDW在功能器件、特种器件和新型电路的制造和纳米器件研究中获得广泛应用，但由于EBDW存在生产率低的缺点限制了它在大规模生产中的应用。
3.3 双层抗蚀剂曝光工艺
随着电子器件及LSI的发展，IC的层数越来越多，图形越来越复杂，特征线条尺寸越来越细，对抗蚀剂图像就有了更多的要求，如更高的曝光分辨率，更复杂、精确的抗蚀剂层截面形状。此时，常规的单层抗蚀剂曝光工艺就难以满足这些特殊要求，这就需要采用更为复杂的双层抗蚀剂的曝光显影和刻蚀等复合工艺来完成。
双层抗蚀剂电子束曝光工艺是利用不同类型的抗蚀剂对电子束曝光有不同的灵敏度这个特性，即在同一电子束的同样曝光剂量照射下，双层抗蚀剂产生不同的曝光结果。通过不同的显影液分别显影处理后，在双层抗蚀剂胶层会分别出现不同的曝光尺寸和截面，以此来制成一些有特殊要求的抗蚀剂胶层的曝光截面形状。
归结起来，用于光刻的多层抗蚀剂系统有下列方式：①利用相对分子质量不同的两种相同成分抗蚀剂作双层抗蚀剂系统，用同一种曝光方式曝光显影，如图5（a）所示；②利用两种不同类型的抗蚀剂作双层抗蚀系统，用一种曝光方式曝光，两次显影，见图5（b）；③用两种不同类型的抗蚀剂组成双层抗蚀剂系统，分别用两种曝光方式曝光和显影，见图5（c）；④用几种抗蚀剂联合组成多层抗蚀剂系统，最顶层是灵敏抗蚀剂，用一种曝光方式曝光制图，而下面的几层分别用离子方法刻蚀。
3.4 邻近效应修正技术
理论上，电子束曝光的极限分辨率可达几纳米，但高能入射电子在抗蚀剂中的散射和在衬底上的反射以及背散射引起的邻近效应使曝光图形模糊、影响分辨率，再加上光刻胶的分辨率极限和光刻工艺精度，因此直接使用电子束光刻技术难以得到接近其理论极限的纳米尺度图形[10]。
对实际的邻近效应作适当补偿可以得到比较理想的曝光结果[11]。根据不同版图设计，有多种方法减小邻近效应；若图形密度和线宽都较一致，可以通过调整整体剂量曝光出合适尺寸的图形；选用高对比度胶也可以减小线宽的变化，同时用多层胶也可以减小前散射电子；用50～100kV甚至更高的加速电压，也可以减小前散射电子，但有时会增加背散射电子。
抗蚀剂曝光剂量自动协调的邻近效应修正技术（简称SPECTRE）是目前常用的一种技术，通过同时对内邻近效应和相互邻近效应都进行校正，使图形的不同部位赋予不同的曝光剂量，从而达到使所有电子辐照区各部位的显影程度一致的目的。
4 电子束曝光技术的应用
4.1 用于掩模版制造
随着器件的特征尺寸不断缩小，在掩模版制造中普遍采用电子束曝光和激光光刻设备，在这两类设备中，电子束设备在性能和数量上均占优势。最先进的激光制版系统，其束斑直径在0.2μm左右，可以用来制作0.18μm，0.15μm生产线的掩模版，但对特征尺寸更小的器件的掩模，只能用电子束曝光系统来制作，特别是用于光学光刻中的铬版制造。
在掩模版制造中应用电子束曝光机，由于不需要多次套准，只要用激光干涉仪控制就可以保证掩模制造所要求的图形位置精度。确定工件台 X、Y向的精度和旋转正交性的基准标记永久地设置在工件台边缘成像平面上。在掩模版制造开始过程中必须按规定经常返回基准标记位置进行校正，才能保证精度。掩模版制造的工艺过程如图6所示。
4.2 用于微电子机械、电子器件制造
目前，微电子机械系统（MEMS）制造的主流工艺是与传统IC工艺兼容的技术，例如光刻、刻蚀、淀积、扩散、离子注入等，特别是对于制作象微电机、微泵等机械结构及包括微传感器、微执行器和相关电路往往要采用多次光刻，而电子束光刻具有易于修改，无需制作掩模的优点，因此电子束光刻比常规工艺更有优势。
随着微机械尺寸进入纳米级范围，ERDW系统及能形成大深宽比胶图形的电子束投影曝光系统（如SCALPEL或PREVAIL）将得到广泛应用。例如，利用LIGA技术制作MEMS时，在形成特种、大深宽比结构时使用的掩模版可以由电子束投影曝光制造。
电子束曝光亦用于GaAs IC、光波导器件的小批量生产[12]，如肖特基势垒场效应晶体管要求栅极很窄、栅极与源漏之间对准严格。利用电子束刻蚀时，先作出栅极和源漏极图形对准标记，再用精密的电子束实现30nm以下栅的制备，从而保证极高的套刻精度。
4.3 制作全息图形
电子束与光束一样具有波动性，利用电子的波动性和干涉原理能够制作精细的全息图形。其原理是：先借助近年来研制的高亮度热场致发射（TFE）电子源产生的高能量电子束，再经两级透镜会聚后，穿过电子双棱镜，产生两个波的干涉栅状图形（干涉条纹间隔优于100nm），如果再设置两个正交的双棱镜，就可产生4个波的点状图形，用此方法就能制作出全息纳米结构图形。由于电子束曝光具有极高的分辨率，可将此技术用于高级防伪标识的制作以及重要文件的缩微保存[13]。
4.4 电子束诱导表面淀积技术
电子束诱导表面淀积技术是利用电子束曝光技术直接产生纳米微结构的方法。在电子束曝光机的工件室中引入源气体物质(如某种金属有机化合物)，并使其接近电子探针，于是在探针与工件之间一个小区域内，高能量高速度聚焦电子使气体分子分解，建立微区等离子体区，分解析出的金属原子淀积在工件表面形成纳米尺寸的图形。从理论上，这种加工方法的极限分辨率可以做到纳米量级。电子束诱导淀积技术不仅可以形成金属图形，也可以形成非金属微结构。
5 结束语
近年来，起步于20世纪60年代的电子束曝光技术得到迅速发展，先进的电子束曝光机主要用于0.1～0.5μm超微细加工，甚至可以实现纳米量级（0.1μm以下）线条的曝光，可广泛应用于高精度掩模、微机电器件制造、新型IC研发等诸多方面，因此正逐步成为半导体器件和微细加工的关键技术之一 [14 ~15]。
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