【芯辰大海】光刻技术的延伸——电子束曝光技术（EBL）的重要应用

文摘 2024-12-23 23:59 江苏

电子束曝光技术（electron beam lithography，EBL），又称电子束光刻系统，是一种高精度、高灵活性的微细加工技术，是光刻技术的延伸应用，在半导体工业等领域具有广泛的应用前景。

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一、电子束曝光技术的基本原理

电子束曝光技术利用某些有机聚合物对电子敏感的特性，将其加工成精细掩模图形的曝光技术。它是近些年才发展起来的集电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制技术于一体的新兴技术。其基本原理是：电子枪的阴极发射电子，经加速极、栅极共同作用后，在阳极孔附近由于电磁透镜径向场的向轴作用力汇聚成极细的电子束，再由物镜将它投射到工件表面上。计算机将微型电子器件上复杂而精细的图形转换成数据并传输到图形发生器，由图形发生器控制束偏转器和束流的通断，在工件上曝光出图形。

二、电子束曝光技术的系统组成

电子束曝光系统主要由电子枪、电子透镜、电子偏转器以及真空系统、工作台控制系统等辅助部件组成。其中，电子枪用于产生能被控制和聚焦的电子，根据工作方式不同一般分为热电子源（thermionic sources）和场发射源（field emission sources）。

三、电子束曝光技术有何特点？

高分辨率

电子束曝光在较高的加速电压情况下，可以得到较小的束斑，取得较高的分辨率。极限分辨率可达到3~8nm，甚至更小。较高的分辨率可以提高器件的性能和可靠性。

图形精度优良

与传统的光刻曝光相比较，电子束曝光的焦深很深，不受工作样品的表面光洁度的影响，可以制造出光学曝光不能制造的器件。

灵活性高

电子束曝光设备的资金投入小，曝光的图形容易改变和修整，非常适合小批量、高性能、图形复杂的器件的研发。

邻近效应

电子束曝光会产生较严重的邻近效应，一定程度上会影响图形的分辨率和图形的精度。

生产效率低

电子束曝光需要的时间长，生产效率低，这是其一个主要缺点。

四、电子束曝光技术两大分类

电子束曝光技术按扫描方式可分为扫描曝光和投影曝光两大类。

1、扫描曝光：扫描曝光系统是电子束在工件面上扫描直接产生图形，分辨率高但生产率低。它又可细分为高斯束曝光系统、成型电子束曝光系统。

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高斯束曝光系统

分为矢量扫描方式和光栅扫描方式。

矢量扫描方式

先将曝光图形分割成不同的场，在扫描场内，以矢量方式从一个单元图形跳到另一个单元图形，逐个对单元图形进行扫描。完成一个扫描场描绘后，移动工件台再以同样的方式进行第二个场的扫描，直到完成全部图形的曝光。

光栅扫描方式

采用高速扫描方式对整个图形场进行扫描，利用快速束闸实现选择性曝光。

成型电子束曝光系统

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。采用特殊设计的成形光阑，可在成型光阑的作用下形成三角形、梯形、圆形及多边形等束斑形状。成型束的最小分辨率比其它曝光系统的分辨率要低些，且有束斑尺寸整数倍时会产生重叠区，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。

可变成形束系统

在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。电子束经第一方光阑后形成一束方形电子束，再照射到第二方光阑上。在偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方光阑的束斑的尺寸和位置，形成可变的成形束斑。

2、投影曝光：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。且不需要邻近效应校正。

五、电子束曝光技术的应用与发展

电子束曝光技术在半导体工业中被广泛使用于研究下一代超大规模集成电路。此外，由于SEM（扫描电镜）、STEM及FIB（聚焦离子束）的工作方式与电子束曝光机十分相近，因此也可基于这些设备研发电子束曝光装置。尽管电子束曝光技术具有诸多优点，但其生产效率低的问题仍然限制了其在大规模生产中的应用。为了解决这个问题，研究人员正在不断探索新的技术和方法，如投影电子束曝光系统等，以期在提高分辨率的同时，也能提高生产效率。随着技术的不断进步和创新，相信电子束曝光技术将在未来发挥更加重要的作用。

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