基本介紹
基本結構,電子束曝光系統,（1）基於改進掃描電鏡的電子束曝光系統,（2）高斯電子束掃描系統,（3）成型電子束掃描系統,（4）投影電子束掃描系統,相關工藝,特點,操作,寫場校準,納米套刻,
基本結構
電子束曝光的基本結構，從上往下依次為：電子槍、電子槍準直系統、電磁透鏡、消像散器、偏轉器、物鏡、光闌（Aperture）、電子探測器、工作檯（stage）以及真空泵（離子泵、分子泵、機械泵）。
電子槍：高解析度的熱場發射，配有高壓，電子束的能量通常在10~100KeV。
電子槍準直系統：對電子槍發出的電子束進行較直。
電磁透鏡：與光學透鏡類似，聚焦電子束。
消像散器：調節聚焦像散，減少誤差。
光闌：改變電子束流。
電子束曝光系統
電子束曝光是利用電子束在塗有感光膠的晶片上直接描畫或投影複印圖形的技術，它的特點是解析度高（極限解析度可達到3～8μm）、圖形產生與修改容易、製作周期短。它可分為掃描曝光和投影曝光兩大類，其中掃描曝光系統是電子束在工件面上掃描直接產生圖形，解析度高，生產率低。投影曝光系統實為電子束圖形複印系統，它將掩模圖形產生的電子像按原尺寸或縮小後複印到工件上，因此不僅保持了高解析度，而且提高了生產率。
（1）基於改進掃描電鏡的電子束曝光系統
由於SEM的工作方式與電子束曝光機十分相近,最初的電子束曝光機是從SEM基礎上改裝發展起來的，近年來隨著計算機技術的飛速發展，將SEM改裝為曝光機的工作取得了重要進展。
主要改裝工作是設計一個圖形發生器和數模轉換電路，並配備一台PC機。PC機通過圖形發生器和數模轉換電器去驅動SEM的掃描線圈，從而使電子束偏轉。同時通過圖形發生器控制束閘的通斷，最終在工件上描繪出所要求的圖形。通常採用矢量掃描方式描繪圖形，即在掃描場內以矢量方式移動電子束，在單元圖形內以光柵掃描填充。
對SEM進行改裝時，應考慮SEM偏轉系統的頻寬以及工作檯移動精度等對曝光圖形誤差和圖形畸變的影響。目前，高檔SEM改裝系統的功能接近於專用電子束曝光機，但由於受到視場小、速度低及自動化程度低等限制，在生產率上不可能與專用電子束曝光系統相比。
（2）高斯電子束掃描系統
矢量掃描方式：
曝光時，先將單元圖形分割成場，工件台停止時電子束在掃描場內逐個對單元圖形進行掃描，並以矢量方式從一個單元圖形移到另一個單元圖形；完成一個掃描場描繪後，移動工件台再進行第二個場的描繪，直到完成全部表面圖形的描繪。
由於只對需曝光的圖形進行掃描，沒有圖形部分快速移動，故掃描速度較高。同時為了提高速度和便於場畸變修正，有部分系統將掃描場分成若干子場，電子束偏轉分成兩部分：先由16位數模轉換器（DAC）將電子束偏轉到某子場邊緣，再由高速12位DAC 在子場內偏轉電子束掃描曝光，如圖2所示。系統的特點是採用高精度雷射控制台面，解析度可達1nm以下，但生產率遠低於光學曝光系統，並隨著圖形密度增加而顯著降低，因此難以進入大規模積體電路（LSI）生產線 。
光柵掃描系統：
採用高速掃描方式對整個圖形場掃描,利用快速束閘控制電子束通斷,實現選擇性曝光。例如美國Etec公司生產的MEBES系統採用高亮度熱場致發射陰極,在掩模版上可獲得400
的束電流密度，工件台在X方向作連續移動時，電子束在Y 方向作短距離重複掃描，從而形成一條光柵掃描圖形帶。隨後工件台在 Y方向步進，再描繪相鄰的圖形帶。雷射干涉儀對工件台位置進行實時監測並補償行進中的工件台的位置誤差。由於採用了工件台連續移動、大束斑快速充填、高亮度熱場致發射陰極等技術，極大地提高了掃描系統生產率，且生產率不受圖形密度的影響。
（3）成型電子束掃描系統
成形電子束曝光系統按束斑性質可分成固定和可變成形束系統。固定成形束系統在曝光時束斑形狀和尺寸始終不變；可變成形束系統在曝光時束斑形狀和尺寸可不斷變化。按掃描方式，成形電子束曝光系統又可分為矢量掃描型和光柵掃描型。一種尺寸可變的矩形束斑的形成原理是電子束經上方光闌後形成一束方形電子束，再照射到下方方孔光闌上。在偏轉器上加上不同的電壓，就能改變穿過下方孔光闌的矩形束斑的尺寸，形成可變的矩形束斑；採用特殊設計的成形光闌，還可形成三角形、梯形、圓形及多邊形等成形電子束。成型束的最小解析度一般大於100nm，但曝光效率高，目前廣泛用於微米、亞微米及深亞微米的曝光領域，如用於掩模版製作和小批量器件生產等。
（4）投影電子束掃描系統
掃描式電子束曝光系統可以得到極高的解析度，但其生產率較低，不能滿足大規模生產的需要。成形束系統生產率固然有所提高，但其解析度一般在0.2μm左右，難以製作納米級圖形。近年來研發的投影電子束來曝光系統，既能使曝光解析度達到納米量級，又能大大提高生產率，且不需要鄰近效應校正。目前在研製中的投影式電子束曝光系統主要有兩種。
一種是Lucent公司的SCALPEL系統，平行電子束照射到SiNx薄膜構成的掩模上，薄膜上的圖形層材料為W/Cr。當電子穿透SiNx和W/Cr兩種原子序數不同的材料時，產生大小不同的散射角。在掩模下方縮小透鏡焦平面上設定大小一定的光闌時，通過光闌孔的主要是小散射角的電子，而大散射角的電子則大多數被遮擋，於是在工件面上得到了縮小的掩模圖形。再經過分布重複技術，將縮小圖形逐塊拼接成所要的圖形。近期採用散射型掩模取代了吸收型鏤空掩模，以及採用角度限制光闌技術使SCALPEL技術得到迅速的發展，故投影電子束掃描系統極可能成為本世紀0.1μm以下器件大規模生產的主要光刻手段。
另一種是Nikon公司和IBM公司合作研究的下一代投影曝光技術—PREVAIL，其技術實質是採用可變軸浸沒透鏡，對以矽為支架的碳化矽薄膜進行投影微縮曝光。由於將大量平行像素投影和掃描探測成形相結合，從而得到較高的曝光效率，並對像差進行實時校正。通過這項技術可望研製出高解析度與高生產率統一的電子束步進機，用於 100nm～50nm電子束曝光。
曝光系統 | 改裝SEM曝光系統 | 高斯束曝光系統 | 成型電子束曝光系統 | 投影電子束掃描系統 |
解析度 | 低 | 高 | 低 | 高 |
生產率 | 低 | 較高 | 高 | 很高 |
自動化程度 | 低 | 較高 | 高 | 高 |
相關工藝
光刻：襯底→甩膠→電子束曝光→顯影→定影→鍍膜→去膠→SEM觀察
抗蝕劑：
PMMA：正膠。解析度高，對比度大，利於剝離，價格低；靈敏度低，耐刻蝕能力較差。
HSQ：負膠。解析度高，鄰近效應小，靈敏度低。
對正性抗蝕劑，在顯影后經電子束照射區域的抗蝕劑被溶解掉，而未經照射區域的抗蝕劑則保留下來；對負性抗蝕劑則情況相反。
特點
電子束曝光是用低功率密度的電子束照射電致抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。
這種曝光方式解析度高、掩膜版製作容易、工藝容限大，而且生產效率高，但由於電子束在光刻膠膜內的散射，使得圖案的曝光劑量會受到臨近圖案曝光劑量的影響（即臨近效應），造成的結果是，顯影后，線寬有所變化或圖形畸變。雖然如此，限角度投影式電子束光刻仍是目前最具前景的非光學光刻。
電子束曝光有投影（又稱為電子束面曝光）和掃描（又稱為電子束線曝光）兩種工作方式。
電子束投影方式與光刻過程類似，是將掩模版上的圖形轉換成襯底表面介質的圖形的過程。
操作
寫場校準
寫場的校準是電子束曝光工藝中的關鍵一步，寫場校準決定了曝光圖像的精確度。
對寫場的調節本質上是使系統電子束的偏轉與樣品曝光位置相匹配。即，圖形拼接與樣品台移動相匹配
曝光起點與寫場中心相一致。
曝光起點與寫場中心相一致。
寫場調節應先進行粗調，選擇大範圍，遠離樣品的曝光位置。再進行細調即可。
納米套刻
納米套刻是將模板圖形準確無誤的套刻在要曝光的位置。因此需要找到3個精確的位置並定標，使樣品台與樣品的坐標相匹配。
