簡介

在電子和電氣制造業(yè)中，光刻技術(shù)是制造無源/有源器件的重要步驟。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米光刻技術(shù)作為一種重要的納米結(jié)構(gòu)和納米器件制造技術(shù)，越來越受到人們的關(guān)注。尤其是電子束光刻技術(shù)（EBL），以其高分辨率和出色的靈活性在納米光刻技術(shù)中發(fā)揮著不可替代的作用。電子束的束斑尺寸可聚焦到小于一個(gè)納米，并可生成超高分辨率的圖案。因此，EBL 在納米電子學(xué)、納米光學(xué)和其他大多數(shù)納米制造領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。

EBL系統(tǒng)是最重要的納米制造設(shè)備，它集電子、機(jī)械、真空和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一身。然而，對(duì)于許多教育或研究實(shí)驗(yàn)室來說，商用EBL系統(tǒng)的價(jià)格要昂貴得多，因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)室只對(duì)創(chuàng)新器件的技術(shù)開發(fā)感興趣。因此，一套高性能、低成本、操作靈活的EBL系統(tǒng)會(huì)是一個(gè)很好的解決方案。本文介紹了一套基于改裝SEM搭建而成的EBL系統(tǒng)，它的組成主要是允許外部信號(hào)控制電子束位置的改裝掃描電子顯微鏡、激光干涉儀控制工件臺(tái)、多功能高速圖案發(fā)生器和功能齊全、易于操作的軟件系統(tǒng)。這種基于掃描電子顯微鏡的EBL系統(tǒng)操作靈活，成本低廉，在微電子學(xué)、微光學(xué)、微機(jī)械學(xué)和其他大多數(shù)微納制造領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力。

EBL 系統(tǒng)主要組成部分

EBL技術(shù)是從SEM發(fā)展而來的，主要是因?yàn)镾EM的工作原理與EBL相似。因此，可以選擇合適的掃描電鏡（SEM），并將其與電子束束閘（beam blanker）、納米圖形發(fā)生器（nanometer patterngenerator）、嵌入式精密工件臺(tái)（embedded precision stage）和 EBL控制軟件組裝成EBL系統(tǒng)。主要部件如圖1所示。這種基于掃描電子顯微鏡的EBL系統(tǒng)成本相對(duì)低廉、操作簡便，在微納制造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。



（※嵌入式是指將高精度傳感器、執(zhí)行器、控制器等器件集成到機(jī)械設(shè)備中，通過嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度控制和數(shù)據(jù)采集。這種技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，以提高設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和可靠性。）

A. 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡是核心部件，為EBL系統(tǒng)提供電子光學(xué)系統(tǒng)。電子光學(xué)性能直接影響到EBL系統(tǒng)的分辨率和穩(wěn)定性，因此必須選擇合適的掃描電鏡。經(jīng)過分析和比較，我們發(fā)現(xiàn)熱場發(fā)射掃描電鏡在電子束束流的整體穩(wěn)定性、最大化探針電流和降低電子束噪聲以及對(duì)環(huán)境的敏感性等方面均優(yōu)于冷場發(fā)射掃描電鏡。掃描電子顯微鏡的主要功能是產(chǎn)生電子束、聚焦電子束和控制電子束的開和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)電子束掃描。

B. 精準(zhǔn)工件臺(tái)

SEM平臺(tái)的定位精度通常在1-5um之間，移動(dòng)范圍有限。因此無法滿足EBL掃描場拼接的要求。為了實(shí)現(xiàn)高精度的現(xiàn)場拼接，需要使用精密激光干涉儀控制平臺(tái)。它由工件臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)、激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)、XY定位控制系統(tǒng)、CCD對(duì)位系統(tǒng)和自動(dòng)傳送平臺(tái)控制系統(tǒng)組成。激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)和 XY 定位控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)，可將工件臺(tái)定位在目標(biāo)位置。CCD對(duì)位系統(tǒng)用于使硅片處于電子光學(xué)系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)，以獲得最佳曝光效果。精準(zhǔn)工件臺(tái)的主要功能體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是解決高分辨率與大面積曝光的矛盾，實(shí)現(xiàn)EBL掃描場拼接。由于電子光學(xué)像差和畸變的限制，電子束掃描場尺度受到限制，為了保證分辨率和實(shí)現(xiàn)大面積曝光，必須裝配精準(zhǔn)工件臺(tái)。第二個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)精確定位，保證層與層之間的對(duì)準(zhǔn)精度。

C. 圖形發(fā)生器

圖形發(fā)生器是利用掃描電子顯微鏡組裝EBL系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。圖形發(fā)生器的主要功能是解釋軟件包生成的數(shù)據(jù)，并控制掃描電子顯微鏡的電子束偏轉(zhuǎn)和電子束束閘的工作，以實(shí)現(xiàn)高分辨率電子束光刻。圖2顯示了圖形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。它由操作控制單元、掃描單元、圖像采集單元等組成。

圖形發(fā)生器在將圖形數(shù)據(jù)（pattern data）轉(zhuǎn)換為shot數(shù)據(jù)（shot data：曝光區(qū)域）的過程中需要高速度和高精度。因此，操作控制單元采用了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。DSP具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可在80個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成32浮點(diǎn)運(yùn)算的乘除運(yùn)算。因此，圓、環(huán) 和其他復(fù)雜的曲線形狀都能以極快的速度進(jìn)行解釋。

掃描單元由兩組 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 控制。兩組DAC均包括一個(gè)主DAC和三個(gè)乘法DAC。主DAC接收?qǐng)D形坐標(biāo)，三個(gè)乘法DAC接收增益、偏移、旋轉(zhuǎn)和工件臺(tái)的位置修正。掃描單元還能產(chǎn)生blanking信號(hào)，以控制電子束束閘的工作。

為了糾正掃描場失真，必須首先獲取標(biāo)準(zhǔn)圖像。圖像采集單元的功能是掃描標(biāo)記和標(biāo)準(zhǔn)象棋圖形（chess graphics）以獲取圖像信息。主要部件是DAC。這些數(shù)據(jù)由DAC將傳感器采集的圖像信息模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)。這些數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并顯示在屏幕上。

D. 軟件系統(tǒng)

EBL系統(tǒng)非常復(fù)雜和精密，需要一個(gè)功能齊全、易于操作的軟件系統(tǒng)來確保其正常運(yùn)行。軟件系統(tǒng)的主要功能包括初始化系統(tǒng)、生成曝光數(shù)據(jù)、檢測(cè)系統(tǒng)組件的狀態(tài)、校正掃描區(qū)域、傳輸曝光數(shù)據(jù)和參數(shù)以及控制曝光過程。根據(jù)這些功能要求，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三個(gè)模塊：曝光布局處理功能模塊、對(duì)位控制功能模塊和曝光控制功能模塊。軟件系統(tǒng)是基于Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)。曝光布局處理模塊的主要目的是生成曝光數(shù)據(jù)格式（EDF：exposure data format）文件。這需要經(jīng)過兩個(gè)過程，一個(gè)是曝光布局設(shè)計(jì)，另一個(gè)是格式轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^繪制和編輯圖形直接設(shè)計(jì)各種布局。另一種創(chuàng)建曝光布局的方法是導(dǎo)入常見的工業(yè)布局（industrial layout），如 Caltech IntermediateFormat (CIF) 和 Graphic Design System II (GDSII) 格式文件，這個(gè)文件都是可以方便地進(jìn)行編輯的。文件格式的解析以BNF（Backus-Naur Form）規(guī)則為基礎(chǔ)，采用遞歸下降解析法。無論是直接設(shè)計(jì)的布局，還是導(dǎo)入的常見工業(yè)布局，都可以傳輸?shù)紼DF文件中。

對(duì)準(zhǔn)控制模塊用于實(shí)現(xiàn)掃描場對(duì)準(zhǔn)和坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)。這可以通過掃描和獲取標(biāo)準(zhǔn)棋盤圖像、調(diào)整標(biāo)記位置、計(jì)算校正參數(shù)并將其傳送給圖形發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。然后，圖形發(fā)生器根據(jù)這些校正參數(shù)控制電子束偏轉(zhuǎn)再次掃描，完成掃描場和坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)。

曝光控制模塊是對(duì)曝光的全過程的控制，也是許多處理過程的最終程序和綜合操作。曝光參數(shù)是確定曝光劑量的重要依據(jù)，它描述了曝光布局時(shí)抗蝕劑吸收電子能量的情況。不同的圖形有不同的曝光劑量。計(jì)算公式如下：

其中，A 是電子束的束流大小，單位為皮安（pA）。TA、TL和TD分別是區(qū)域、線和點(diǎn)的曝光停留時(shí)間，單位為毫秒（ms）。SA和SL分別是區(qū)域和線條的步長，單位為微米（um）。然后，從曝光布局處理模塊獲取的EDF文件，這些曝光參數(shù)被傳輸?shù)綀D形發(fā)生器，圖形發(fā)生器將根據(jù)存儲(chǔ)在EDF文件中的布局信息控制電子束偏轉(zhuǎn)。

曝光實(shí)驗(yàn)

曝光實(shí)驗(yàn)是在基于JSM-35CFSEM的電子束光刻系統(tǒng)上進(jìn)行的。曝光實(shí)驗(yàn)包括拼接實(shí)驗(yàn)、套刻實(shí)驗(yàn)和圖案曝光。拼接和套刻精度是評(píng)價(jià)EBL設(shè)備性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

A. 曝光拼接實(shí)驗(yàn)

如前所述，由于電子光學(xué)設(shè)計(jì)的限制，當(dāng)蝕刻納米結(jié)構(gòu)圖案時(shí)，EBL的單次曝光掃描場尺度會(huì)受到限制。因此為了實(shí)現(xiàn)大面積曝光，EBL系統(tǒng)必須要具備寫場拼接功能。然而，由于電子設(shè)備的漂移、電子光學(xué)鏡筒的不同倍率等因素會(huì)導(dǎo)致掃描場的失真，因此，為了確保拼接精度，有必要校準(zhǔn)掃描場。校準(zhǔn)可通過坐標(biāo)系線性變換，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下如下所示：

式中，dx、dy為實(shí)際位置與理想位置的偏差；x和y為標(biāo)記的工件臺(tái)位置；A、E代表移位參數(shù)；B、F代表增益參數(shù)；C、G代表旋轉(zhuǎn)參數(shù)。為了求解這6個(gè)系數(shù)，需要在掃描場中設(shè)置3個(gè)標(biāo)記，如圖3所示。圖形發(fā)生器控制SEM掃描這3個(gè)標(biāo)記，得到實(shí)際的位置坐標(biāo)。軟件系統(tǒng)獲取這些坐標(biāo)并計(jì)算六個(gè)方程以獲得校準(zhǔn)系數(shù)，然后將這些參數(shù)發(fā)送到圖形生成器。圖形發(fā)生器的掃描單元根據(jù)這些參數(shù)控制電子束偏轉(zhuǎn)線圈。這個(gè)過程會(huì)執(zhí)行多次，直到獲得精確的掃描場。

拼接測(cè)試圖案由軟件直接設(shè)計(jì)。它是一個(gè)由100μm大小的游標(biāo)光標(biāo)字段組成的6×6陣列。每個(gè)場模式如圖4所示。四個(gè)“L”圖形是為了粗略觀察拼接情況。每個(gè)字段的左上角為XY主游標(biāo)，每個(gè)光標(biāo)間隔2μm，右下角為XY副游標(biāo)，每個(gè)光標(biāo)間隔1.98μm。測(cè)量分辨率為20nm，測(cè)量范圍為-200nm至+200nm。

圖5顯示了該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的SEM顯微照片。根據(jù)誤差計(jì)算公式：

其中，n是樣本采樣數(shù)目，`x是樣本平均值，σn是樣本均方偏差。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本次曝光測(cè)試誤差σx為31.19 nm，σy為26.53 nm。

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B. 曝光套刻實(shí)驗(yàn)

某些微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體制造需要使用多層電子束光刻技術(shù)。在這一過程中，每一層圖案都要經(jīng)過曝光，然后去除以進(jìn)行后處理。當(dāng)這些硅芯片回到工作臺(tái)時(shí)，其與工作臺(tái)的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化。因此，為了保證套刻精度，需要對(duì)芯片進(jìn)行對(duì)位標(biāo)記，確定芯片的位置和方位角。測(cè)試圖案如圖6所示。紅色 XY 主游標(biāo)為第一層，每個(gè)游標(biāo)的間隔為2μm。藍(lán)色XY副游標(biāo)為第二層，每個(gè)游標(biāo)的間隔為1.98μm。實(shí)際曝光圖案是由這兩層游標(biāo)分別組成的兩個(gè)100μm大小的6×6陣列場。每層圖案都保存為一個(gè)曝光數(shù)據(jù)格式（EDF）文件。

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

a. 將帶標(biāo)記的樣品放入工作臺(tái)，并進(jìn)行坐標(biāo)系校正，使平臺(tái)坐標(biāo)與硅片坐標(biāo)保持一致。

b. 將平臺(tái)控制到曝光區(qū)域，并執(zhí)行掃描場校正，然后曝光主游標(biāo)的EDF文件。

c. 第一層曝光后，取出硅片。

d. 再次將硅晶片放入平臺(tái)，然后再次執(zhí)行坐標(biāo)系校正。

e. 控制平臺(tái)至曝光區(qū)域，并執(zhí)行掃描場校正，然后副游標(biāo)的EDF文件進(jìn)行曝光。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的SEM顯微照片如圖7所示。誤差計(jì)算公式與拼接實(shí)驗(yàn)相同。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本次曝光測(cè)試誤差σx為31.95 nm，σy為33.38 nm。

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結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)證明了該基于改進(jìn)SEM的EBL系統(tǒng)的可行性。該EBL系統(tǒng)可用于大規(guī)模微納制造和功能性MEMS或微電子零件。該EBL制造系統(tǒng)功能強(qiáng)大、操作友好、成本低廉，可以滿足大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的大多數(shù)電子束光刻的應(yīng)用。在量子效應(yīng)器件、集成光學(xué)器件制造和納米結(jié)構(gòu)制造方面做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

審核編輯：劉清