電子束與離子束微細加工是指通過具有一定能量的電子束、離子束與固體表面相互作用來改變固體表面物理、化學性質和幾何結構的精密加工技術。用具有一定能量的電子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。
基本介紹
- 中文名：電子束與離子束微細加工
- 外文名：electron and ion beam microfabrication
- 類型：微細加工
- 專業：計算機科學技術
正文,
正文
通過具有一定能量的電子束、離子束與固體表面相互作用來改變固體表面物理、化學性質和幾何結構的精密加工技術。加工精度可達微米、亞微米甚至納米級。電子束、離子束微細加工是60年代以來為滿足微電子器件，特別是大規模、超大規模積體電路的研製而發展起來的。比較成熟並已得到實用的有電子束曝光、離子束摻雜（見離子注入摻雜工藝）和離子束刻蝕；離子束曝光、離子束外延、離子束合成薄膜、離子束退火等新技術也已經開始得到套用。微電子器件的發展，是同電子束和離子束微細加工技術密切相關的。微電子器件是電子束和離子束微細加工的最重要套用領域，在其他需要製造特殊微細結構的科學領域，如物理學、材料學和生物學，這些加工技術也得到了套用。
電子束曝光 用具有一定能量的電子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。對於正性抗蝕劑，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。這樣就在抗蝕劑中形成了需要製作的圖形，電子束曝光有掃描和投影兩種工作方式。
掃描電子束曝光機是實現亞微米圖形加工的最重要的一種設備，是研製微電子器件，特別是大規模、超大規模積體電路的一項關鍵技術。光學曝光採用紫外光或遠紫外光光源，光波的衍射效應使曝光的解析度受到限制。電子束的波長極短（當加速電壓為20千伏時，波長小於0.1埃），衍射效應可以忽略，又能聚得很細,所以電子束曝光的解析度比光學曝光要高。用掃描電子束曝光機能制作最細線條為 0.5微米的實用圖形。掃描電子束曝光機由電子計算機控制，能靈活地產生和修改圖形。根據製作的圖形編制計算機控制程式，曝光過程還能自動進行。用掃描電子束曝光機可製作各種掩模板，也能在基片上直接作圖。對於最細線條小於2微米的圖形,電子束製版已經成了製版的主要方式，而且製版周期短。在基片上直接作圖的效率雖然還不能達到生產實用的要求，但作圖精度高，適用於研製高性能的特殊器件。 掃描電子束曝光機分為主機和電子計算機兩大部分，主機由電子光學鏡筒和雷射工件台組成。圖1是電子光學鏡筒的示意圖。電子槍採用鎢絲或六硼化鑭陰極，它發射的電子束在陽極附近形成一個最小截面。這個最小截面經2～3級磁透鏡縮小成像，便得到一束聚得很細的電子束，在靶面上的束斑直徑在 100埃至幾個微米之間。電子束的通斷由靜電偏轉板控制。在靜電偏轉板的下面有一個光闌。當偏轉板不加電壓時，電子束就通過光闌中心的小孔打到靶面上，偏轉板加上電壓後電子束就偏離光闌中心的小孔而被切斷。電子束的掃描由磁偏轉和靜電偏轉系統控制。在電子計算機的控制下，電子束能在單元掃描面積內製作任意圖形。由於存在偏轉像差，單元掃描面積增大時電子束的尺寸也會隨之變大。因此，要保證作圖的精度就必須對單元掃描面積加以限制。工件台的運動由雷射干涉儀控制，有步進或連續兩種運動方式，能高精度地進行圖形拼接，以擴大作圖範圍。使電子束對基片上的對準標記進行掃描，並由半導體探測器接收來自對準標記的反射電子信號，經過信號處理，就能找到電子束相對於對準標記中心的位置，因而使電子束和基片精確對準，實現對基片的直接作圖。用這種對準技術還能對電子束位置的漂移和掃描尺寸的變化等進行修正。電子計算機除了控制電子束的通斷、掃描、對準和工件台的運動外，還能監控機器的工作狀態和診斷機器的故障。過去在掃描電子束曝光機中採用圓形電子束，而且不同尺寸的圖形都是用和最小尺寸相應的圓形束進行逐點掃描作圖，作圖效率很低。70年代研製成功利用可變成形束的電子束曝光機，束斑形狀一般是矩形，而且尺寸大小可變。這樣，不同尺寸的圖形就可以用不同大小的矩形束來曝光，從而提高作圖效率。用可變矩形束能製作的最細線條是0.5微米,曝光圖形的最細線條為1微米,基片直徑為75毫米時，其生產率為10～20片/小時。掃描電子束曝光的實際解析度取決於電子束的直徑、電子在抗蝕劑中的散射和在基片中的背散射。電子束的直徑已能聚到5～10埃;人們正在設法減小電子在抗蝕劑和基片中的散射對解析度的不利影響，以探索電子束的納米曝光。用電子束曝光和離子束刻蝕已能制出80埃的金線條。 圖2是電子束投影曝光機的示意圖。陰極是一個光電發射模，它是在以石英為基底的鉻掩模上用濺射方法塗敷一層光電發射材料（如碘化銫）製成的。鉻掩模上的圖形則是根據需要用光學曝光或掃描電子束曝光方法製成的。紫外光能透過石英而不能透過鉻膜，所以當陰極受到紫外光照射時，沒有受到鉻膜掩蔽的碘化銫發射材料就發射電子。電子在加速電場和磁場的作用下打到基片上，使整個基片上的抗蝕劑一次同時曝光。用電子束投影曝光機可以複製掩模和對基片進行曝光，但是必須先用其他方法來製作掩模圖形。電子束投影曝光機的解析度已達到亞微米，只需幾秒鐘就能曝光一片直徑為100毫米的基片。
離子束刻蝕 用具有一定能量的離子束轟擊帶有掩模圖形的固體表面，使不受掩蔽的固體表面被刻蝕，從而將掩模圖形轉移到固體表面的一種微細加工技術。離子束刻蝕有兩種。一種是利用惰性氣體離子(如氬離子)在固體表面產生的物理濺射作用來進行刻蝕，一般即稱為離子束刻蝕。這種刻蝕方向性好，刻蝕精度高，可刻蝕任何材料，包括化學活性很差的材料。但是離子刻蝕的選擇性差，因為刻蝕速率主要取決於被刻蝕材料的濺射率，所以對基片材料和對掩模材料的刻蝕速率一般相差不大，而且還存在再澱積等缺點。另一種是反應離子束刻蝕，即利用反應離子（如氯或氟離子）和固體表面材料的化學反應和物理濺射雙重作用來進行刻蝕。反應離子束刻蝕是離子束刻蝕技術的進一步發展，不但消除了再澱積現象，在刻蝕的選擇性和刻蝕速率方面也有很大提高。 圖3是離子束刻蝕機的示意圖。在離子源中，惰性氣體氬（壓強為1～10-2帕）被電離而形成電漿，引出加速系統是一組具有不同電位的多孔柵極，用來抑制電子並引出離子束。在引出加速系統和靶面之間有一個熱燈絲中和器，它發射電子使離子束中和，從而避免正離子轟擊絕緣體表面產生電荷積累，減小正離子空間電荷的發散作用，使離子束的均勻性得到改善。靶可以傾斜和旋轉。靶的傾斜是為了改變離子束轟擊基片的角度，以控制刻蝕圖形側壁的傾斜角度和改變刻蝕速率。靶的旋轉則可以改善刻蝕的均勻性。在離子束刻蝕機中，決定刻蝕特性的主要參量是離子束的電流密度，離子能量和離子束轟擊基片的角度。這些參量可以獨立控制，所以離子束刻蝕具有很大的工藝靈活性。反應離子束刻蝕機的原理和離子束刻蝕機相似，只是為了避免反應離子的化學腐蝕作用，離子源的結構經過一定的改進或者採用冷陰極離子源，在真空系統和機器材料的選用上也採取某些防腐蝕的特殊措施。
離子束曝光 用具有一定能量的離子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。離子質量比電子大，在抗蝕劑和基片中的散射小，所以離子束曝光的固有解析度比電子束曝光高。此外，它對抗蝕劑的曝光靈敏度也比電子束曝光高1到2個數量級。採用離子束曝光，圖形最小尺寸可小於0.1微米。
靶面上的離子束電流密度與離子源的亮度成正比。過去因不能獲得高亮度的離子源，離子束的電流密度極低，聚焦離子束曝光的發展受到限制。70年代末在高亮度離子源方面取得突破，研究成功氣態的和液態金屬的場致發射離子源，其亮度可達106～108安/厘米2·球面度，各種掃描離子束曝光的實驗裝置也相繼出現。特別是用液態金屬離子源引出了硼、砷、銻等離子，因而有可能不用曝光工藝而直接對半導體基片進行選區摻雜。離子束曝光技術尚處於研究階段，在離子源和離子束的聚焦、偏轉等方面還有許多技術問題尚待解決。
參考書目
IvorBrodie and Julius J.Muray,The Physics of Microfabrication,Plenum Publ.Corp.,New York,1982.
George R. Brewer,Electron-Beam Technology in Microelectronic Fabrication,Academic Press,New York,1980.
電子束曝光 用具有一定能量的電子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。對於正性抗蝕劑，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。這樣就在抗蝕劑中形成了需要製作的圖形，電子束曝光有掃描和投影兩種工作方式。
掃描電子束曝光機是實現亞微米圖形加工的最重要的一種設備，是研製微電子器件，特別是大規模、超大規模積體電路的一項關鍵技術。光學曝光採用紫外光或遠紫外光光源，光波的衍射效應使曝光的解析度受到限制。電子束的波長極短（當加速電壓為20千伏時，波長小於0.1埃），衍射效應可以忽略，又能聚得很細,所以電子束曝光的解析度比光學曝光要高。用掃描電子束曝光機能制作最細線條為 0.5微米的實用圖形。掃描電子束曝光機由電子計算機控制，能靈活地產生和修改圖形。根據製作的圖形編制計算機控制程式，曝光過程還能自動進行。用掃描電子束曝光機可製作各種掩模板，也能在基片上直接作圖。對於最細線條小於2微米的圖形,電子束製版已經成了製版的主要方式，而且製版周期短。在基片上直接作圖的效率雖然還不能達到生產實用的要求，但作圖精度高，適用於研製高性能的特殊器件。 掃描電子束曝光機分為主機和電子計算機兩大部分，主機由電子光學鏡筒和雷射工件台組成。圖1是電子光學鏡筒的示意圖。電子槍採用鎢絲或六硼化鑭陰極，它發射的電子束在陽極附近形成一個最小截面。這個最小截面經2～3級磁透鏡縮小成像，便得到一束聚得很細的電子束，在靶面上的束斑直徑在 100埃至幾個微米之間。電子束的通斷由靜電偏轉板控制。在靜電偏轉板的下面有一個光闌。當偏轉板不加電壓時，電子束就通過光闌中心的小孔打到靶面上，偏轉板加上電壓後電子束就偏離光闌中心的小孔而被切斷。電子束的掃描由磁偏轉和靜電偏轉系統控制。在電子計算機的控制下，電子束能在單元掃描面積內製作任意圖形。由於存在偏轉像差，單元掃描面積增大時電子束的尺寸也會隨之變大。因此，要保證作圖的精度就必須對單元掃描面積加以限制。工件台的運動由雷射干涉儀控制，有步進或連續兩種運動方式，能高精度地進行圖形拼接，以擴大作圖範圍。使電子束對基片上的對準標記進行掃描，並由半導體探測器接收來自對準標記的反射電子信號，經過信號處理，就能找到電子束相對於對準標記中心的位置，因而使電子束和基片精確對準，實現對基片的直接作圖。用這種對準技術還能對電子束位置的漂移和掃描尺寸的變化等進行修正。電子計算機除了控制電子束的通斷、掃描、對準和工件台的運動外，還能監控機器的工作狀態和診斷機器的故障。過去在掃描電子束曝光機中採用圓形電子束，而且不同尺寸的圖形都是用和最小尺寸相應的圓形束進行逐點掃描作圖，作圖效率很低。70年代研製成功利用可變成形束的電子束曝光機，束斑形狀一般是矩形，而且尺寸大小可變。這樣，不同尺寸的圖形就可以用不同大小的矩形束來曝光，從而提高作圖效率。用可變矩形束能製作的最細線條是0.5微米,曝光圖形的最細線條為1微米,基片直徑為75毫米時，其生產率為10～20片/小時。掃描電子束曝光的實際解析度取決於電子束的直徑、電子在抗蝕劑中的散射和在基片中的背散射。電子束的直徑已能聚到5～10埃;人們正在設法減小電子在抗蝕劑和基片中的散射對解析度的不利影響，以探索電子束的納米曝光。用電子束曝光和離子束刻蝕已能制出80埃的金線條。 圖2是電子束投影曝光機的示意圖。陰極是一個光電發射模，它是在以石英為基底的鉻掩模上用濺射方法塗敷一層光電發射材料（如碘化銫）製成的。鉻掩模上的圖形則是根據需要用光學曝光或掃描電子束曝光方法製成的。紫外光能透過石英而不能透過鉻膜，所以當陰極受到紫外光照射時，沒有受到鉻膜掩蔽的碘化銫發射材料就發射電子。電子在加速電場和磁場的作用下打到基片上，使整個基片上的抗蝕劑一次同時曝光。用電子束投影曝光機可以複製掩模和對基片進行曝光，但是必須先用其他方法來製作掩模圖形。電子束投影曝光機的解析度已達到亞微米，只需幾秒鐘就能曝光一片直徑為100毫米的基片。
離子束刻蝕 用具有一定能量的離子束轟擊帶有掩模圖形的固體表面，使不受掩蔽的固體表面被刻蝕，從而將掩模圖形轉移到固體表面的一種微細加工技術。離子束刻蝕有兩種。一種是利用惰性氣體離子(如氬離子)在固體表面產生的物理濺射作用來進行刻蝕，一般即稱為離子束刻蝕。這種刻蝕方向性好，刻蝕精度高，可刻蝕任何材料，包括化學活性很差的材料。但是離子刻蝕的選擇性差，因為刻蝕速率主要取決於被刻蝕材料的濺射率，所以對基片材料和對掩模材料的刻蝕速率一般相差不大，而且還存在再澱積等缺點。另一種是反應離子束刻蝕，即利用反應離子（如氯或氟離子）和固體表面材料的化學反應和物理濺射雙重作用來進行刻蝕。反應離子束刻蝕是離子束刻蝕技術的進一步發展，不但消除了再澱積現象，在刻蝕的選擇性和刻蝕速率方面也有很大提高。 圖3是離子束刻蝕機的示意圖。在離子源中，惰性氣體氬（壓強為1～10-2帕）被電離而形成電漿，引出加速系統是一組具有不同電位的多孔柵極，用來抑制電子並引出離子束。在引出加速系統和靶面之間有一個熱燈絲中和器，它發射電子使離子束中和，從而避免正離子轟擊絕緣體表面產生電荷積累，減小正離子空間電荷的發散作用，使離子束的均勻性得到改善。靶可以傾斜和旋轉。靶的傾斜是為了改變離子束轟擊基片的角度，以控制刻蝕圖形側壁的傾斜角度和改變刻蝕速率。靶的旋轉則可以改善刻蝕的均勻性。在離子束刻蝕機中，決定刻蝕特性的主要參量是離子束的電流密度，離子能量和離子束轟擊基片的角度。這些參量可以獨立控制，所以離子束刻蝕具有很大的工藝靈活性。反應離子束刻蝕機的原理和離子束刻蝕機相似，只是為了避免反應離子的化學腐蝕作用，離子源的結構經過一定的改進或者採用冷陰極離子源，在真空系統和機器材料的選用上也採取某些防腐蝕的特殊措施。
離子束曝光 用具有一定能量的離子束照射抗蝕劑，經顯影后在抗蝕劑中產生圖形的一種微細加工技術。離子質量比電子大，在抗蝕劑和基片中的散射小，所以離子束曝光的固有解析度比電子束曝光高。此外，它對抗蝕劑的曝光靈敏度也比電子束曝光高1到2個數量級。採用離子束曝光，圖形最小尺寸可小於0.1微米。
靶面上的離子束電流密度與離子源的亮度成正比。過去因不能獲得高亮度的離子源，離子束的電流密度極低，聚焦離子束曝光的發展受到限制。70年代末在高亮度離子源方面取得突破，研究成功氣態的和液態金屬的場致發射離子源，其亮度可達106～108安/厘米2·球面度，各種掃描離子束曝光的實驗裝置也相繼出現。特別是用液態金屬離子源引出了硼、砷、銻等離子，因而有可能不用曝光工藝而直接對半導體基片進行選區摻雜。離子束曝光技術尚處於研究階段，在離子源和離子束的聚焦、偏轉等方面還有許多技術問題尚待解決。
參考書目
IvorBrodie and Julius J.Muray,The Physics of Microfabrication,Plenum Publ.Corp.,New York,1982.
George R. Brewer,Electron-Beam Technology in Microelectronic Fabrication,Academic Press,New York,1980.
