集成技术中心技术报告
电子束曝光技术
中国科学院半导体研究所 半导体集成技术工程研究中心
韩伟华
Email: weihua@
提
要
设备的组成、性能及相关工艺设备 电子束曝光设备的操作程序 电子束曝光的关键技术
¾
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
曝光模板的设计 电子束光刻胶的厚度控制 电子束的聚焦 坐标系的建立与写场对准 纳米套刻技术 电子束扫描方式与曝光 电子束剂量的比较与技术参数
高分辨率的纳米曝光图形的实现 电子束光刻用户的培训
设备的组成与性能
德国EBL Raith150
主要用途
• 量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件，AB环 • 集成光学器件：光子晶体, 光栅, 弯曲波导 • NEMS 结构 • 小尺寸的光刻板，如1×1 cm2 • 对应版图进行SEM观察
主要特征
• 电子枪：高分辨率的热场(Schottky)发射源 (尺寸: 20nm) • 束能量可调：200eV-30keV • 图形直写(<0.5μm) ：最小线宽分辨率20nm • 写场可调： 0.5µm-1000µm • 图形快速生成：10MHz 描写速度 • 晶片支架：1cm2 样片~ 6inch晶片 • 水平控制：三点压电接触(自动)或6”激光干涉平台(手动) • 双PC机控制系统：曝光与SEM测量 • 图形编辑：GDSII格式，剂量可调
设备的组成
电子束曝光及其相关工艺设备
光刻
衬底
甩胶
衬底 电子束曝光 微米工艺 + 纳米工艺
电子束套刻 ICP刻蚀
衬底
显影
等离子体
衬底 图形转移
金属 衬底 衬底
金属蒸发
去胶 SEM 观察
电子束曝光设备的操作程序
• 设备启动
• 样品传入 • 低倍聚焦 • 定义坐标 • 高倍聚焦
100nm
• 写场对准 • 测束电流 • 参数设定 • 样品曝光 • 样品取出
曝光精度: 10nm
曝光模板的设计
单层模板 套刻模板
Pattern Transfer Metal
Semiconductor wafer
电子束光刻胶的厚度控制
Spin speed vs film thickness for PMMA 950K C resist 2% in Chlorobenzene
1400 1300
PMMA 950K C2 (n=1.486) Spin time: 30s Sub: Si (n=3.850) Baking: 185°C, 90s
Resist Film Thickness (Å)
1200 1100 1000 900 800 700 600 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
SUSS Coating System
Spin Speed (rpm)
电子束的聚焦
Filament Anode Beam-blanker Aperture
V0<2.5keV V0 >2.5keV V0 >20keV
坐标系的建立与写场对准
坐标系的建立 Global变换:样品(U,V) ⇔ 样品台(x,y)
移动和倾角修正
Design (u, v) U V y
套刻图形坐标系的建立 Local变换: 版图 (u,v) ⇔ 样品(U,V)
三点调整
rotation shift x
VU
写场的对准 图形拼接 ⇔ 样品台移动 曝光起点(U,V) ⇔ 写场中心
V
缩放因子和 倾角的修正
write field
曝光
U
写场对准
Self-Calibrtion
Sample (U,V) Beam (zoom, shift, rotation)
Beam movement Stage movement by laser interferometer WF Area: 100µm
(U,V) particle
纳米套刻技术
套刻模板图形(u,v)
E-Beam
v V O U u 整体坐标系
克服电子束套刻的对准误差 1. 样品台移动带来的写场拼接误差； 2. 电子束偏转带来的读取误差； 使电子束准确套刻范围局限在0.04mm2
¾ 套刻范围问题的解决 改变写场对准方式，局部套刻 范围提高到4mm2，增大了100 倍，对准误差小于40nm。
电子束扫描方式与曝光
Gaussian beam, vector scan, fixed stage Area exposure
Dose =
I beam ⋅ Tdwell [µAs/cm²] 2 s
Ibeam = beam current Tdwell = dwell time
s = step size
Write field stitching→Chip Exposure
电子束剂量的比较
Positive Resist
E-Beam | | | | | | | C-C-C-C-C-C-C | | | | | | | | | | | C-C-C-C | | | | | | | C-C-C | | |
(a) 300 µC/cm2
Forward Scattering →Exposure
PMMA&ZEP
(b) 360 µC/cm2
Si
Backscattering
(c) 480 µC/cm2
邻近效应（Proximity Effet)
技术参数
z
电子束电压与图形剂量关系（曝光PMMA 950K正胶）
EHT Area Line Dot
z
10 kV 100 µC/cm² 300 pC/cm 0.1 fC
20 kV 200 µC/cm² 600 pC/cm 0.2 fC
30 kV 300 µC/cm² 900 pC/cm 0.3 fC
工艺方法
显影液 MIBK:IPA=1:3, 显影时间 10s-30s 定影液 IPA, 定影时间 10s-30s
高分辨率的纳米曝光图形的实现
验收曝光分辨率 控制曝光参数 ¾甩胶厚度 ¾电子束高压 ¾光阑孔径 线条宽度: 53.5nm ¾束斑聚焦 ¾曝光剂量 ¾显影时间 线条宽度: 10.5nm 极限曝光分辨率
圆孔直径: 85.6nm
圆孔直径: 22.4nm
ICP刻蚀的纳米线和纳米点图形
¾ 纳米结构胶掩膜：既要保证图形的纳米尺寸，又要保证掩膜的抗蚀能力 ¾ 控制胶厚度、曝光参数、显影时间和刻蚀气氛、功率和时间
ICP刻蚀
Plasma
PMMA substrate
20nm
43nm
40nm
边缘粗糙
50nm
65nm
各向异性湿法腐蚀的硅纳米线结构
Silicon nanowire by wet etching
w
Nanowire Mask
(a) w=150nm
(b) w=130nm
(c) w=40nm
Nanowire shrinkage by wet etching on silicon and SOI
Crystal facets of round mask
Silicon substrate
SOI substrate
光滑金属纳米线电极的制作
¾ 目的：解决纳米器件集成互联中纳米金属电极连线问题 金属
PMMA
substrate
154.8nm
单层胶的金属剥离工艺 粗糙、易断 金属
PMMA Copolymer
substrate 双层胶的金属剥离工艺 光滑、均匀
32.15nm 135.7nm
高光刻精度光刻版的制作技术
电子束曝光 E-beam PMMA 200nm Cr 145nm Glass 化学腐蚀铬版 PMMA Cr Glass 电导台阶版图
¾MA6光刻机精度：线宽 0.5μm 光刻胶图形
接触电极版图
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