联系电话
北京中科复华科技有限公司
初级会员·1年
电子束曝光技术（EBL）简介
2025-4-30 阅读(2)
电子束光刻(EBL)在现代电子工业中，尤其是集成电路领域精细图案的制作中占据核心地位。这项技术起源于早期的扫描电子显微镜，其基本过程是将一束电子扫描过覆盖有对电子敏感的光阻薄膜的表面，从而以所需图案的形式在光阻薄膜中沉积能量。
电子束曝光技术的主要特点包括：
1) 它能够实现分辨率(优于20纳米)；
2) 它是一种灵活的技术，可以应用于多种材料；
3) 它的速度较慢，比光学光刻慢一个或多个数量级；
4) 它昂贵且复杂(由于邻近效应的影响)。
EBL技术在高精度和灵活性方面展现出的优势，尽管其速度和成本问题限制了其大规模应用的可能性。然而，在需要超精细结构和定制化设计的领域，如纳米电子学、生物传感器和量子计算，EBL仍然需要的工具。随着技术的进步和成本的降低，未来EBL有望在更广泛的领域发挥重要作用。
正性光刻胶的工艺流程
在正性光刻胶(positive-tone resist)中，被电子束照射的区域会发生化学变化，使其溶解度在显影液中增加。这意味着被电子束曝光的区域将在显影过程中被去除，留下未曝光区域形成所需的图案。下面是使用正性光刻胶进行电子束光刻的一般步骤：
基底准备：首先，清洁和处理基底(通常是硅片)，以确保其表面干净无杂质。
光阻涂布：将正性光刻胶均匀地涂覆在基底上，通常通过旋涂法(spin-coating)来完成，以确保刻蚀剂涂层的厚度均匀。
前烘烤：涂覆后，进行预烘烤(pre-bake)，以减少光刻胶中的溶剂含量并稳定其性能。
电子束曝光：使用电子束光刻机，按照预先设计的图案对光刻胶进行精确曝光。电子束会根据设计要求在光刻胶上沉积能量，改变其化学性质。
显影：曝光后的光刻胶被放入显影液中，曝光区域由于溶解度增加而被去除，留下未曝光的光刻胶作为掩模。
后烘烤：显影后，进行后烘烤(post-bake)以进一步固化光刻胶，并减少湿气对后续加工的影响。
金属沉积/蚀刻：在光阻掩模保护下，进行金属沉积或蚀刻，以在基底上形成所需的导电线路或结构。
光刻胶的去除：最后，使用适当的溶剂或等离子体处理去除剩余的光刻胶，暴露出完整的结构。
这些步骤构成了使用正性光刻胶进行电子束光刻的基本流程，每一步都对最终图案的精度和质量至关重要。
电子束光刻(EBL)的核心概念与光学光刻相似，两者均涉及在基板上涂覆一层薄薄的光刻胶，随后通过特定的曝光过程对其进行化学改性。然而，它们之间的关键区别在于曝光源的不同：EBL使用电子束，而光学光刻则利用光。
在EBL中，首先在基板上通过旋涂法均匀地涂覆一层光刻胶。接着，电子束按照预定的图案对光刻胶进行精确曝光，导致被曝光区域的光刻胶会发生化学变化。这些变化使得暴露于电子束下的(或未暴露的，取决于所用光刻胶类型)区域在特定溶剂中变得可溶，因此在显影过程中可以被去除。这一过程被称为“显影”。
显影之后，光刻胶上的图案便显现出来，形成了一个掩模。此时，可以通过蚀刻、掺杂或涂层等方式将此图案转移到基板上，具体方法取决于目标应用和材料特性。例如，如果目标是在半导体材料上创建电路，可能需要进行选择性蚀刻，以移除未被光刻胶所保护的材料；如果目的是引入某种类型的掺杂剂，则会在光阻掩模的保护下进行热处理或离子注入。
整个过程完成后，通常还需要进行光阻去除步骤，以清除所有残留的光刻胶，暴露出完整的图案化结构。这一步骤对于确保后续处理的精确性和可靠性至关重要。
总的来说，电子束光刻提供了一种高精度、高灵活性的图案化手段，尤其是在需要亚微米乃至纳米尺度特征的应用中。然而，它也伴随着成本高昂和处理时间长的挑战，这限制了其在大规模生产环境中的应用。尽管如此，在科研和制造领域，EBL仍然是实现微细化图案的关键技术。
纳米制造中的剥离工艺
剥离工艺在纳米制造中是一项关键步骤，尤其在金属薄膜和其他材料的图案化过程中，这些材料无法使用传统的光刻技术直接蚀刻。剥离工艺通常在材料沉积后使用，用于选择性地从不需要的区域移除材料，留下精确的图案。以下是剥离工艺的详细解析：
掩模准备：首先在基板上旋涂一层牺牲层(通常是光刻胶)；然后，通过掩模对光刻胶进行曝光，开发出所需的图案。
材料沉积：当光刻胶中的图案建立后，将要图案化的材料薄膜(如用于电气接触的金属或用于绝缘的介电质)沉积在整个基板表面上。
剥离：材料沉积完成后，将基板浸泡在一种溶剂中，这种溶剂能溶解光刻胶，但不会破坏沉积的材料；随着光刻胶的溶解，未被光刻胶所保护的材料部分也会随之脱落，因为它们仅通过光刻胶与基板间接相连；结果是，仅在原先由光刻胶所保护的区域留下了沉积的材料，形成了所需的图案。
清洗：最后，对基板进行清洗，去除所有残留的光刻胶和碎屑，确保图案的完整性和表面清洁度。
剥离工艺特别适用于需要在非平面或复杂几何形状的基板上形成图案的情况，以及当材料对蚀刻工艺不兼容时。通过这一系列步骤，可以高效且精准地在基板上形成各种复杂的图案，满足微电子、纳米技术和生物医学工程等领域的需求。
其中，在成功移除光刻胶的过程中，下切边缘(undercutting edges)扮演着重要角色。下切指的是在光刻胶和基板之间形成的侧面角度小于90度的结构，这样的结构在光刻胶底部形成了一定的空间，便于在剥离过程中溶剂和光刻胶的接触，从而有效促进光刻胶的溶解和移除。
在材料沉积后，未被光刻胶覆盖的区域直接与基板相连，而在光刻胶下方的材料则通过光刻胶间接与基板相连。当基板浸泡在溶剂中时，溶剂会渗透到光刻胶和基板之间的间隙，溶解光刻胶，并逐渐削弱其与材料的连接。如果光刻胶与材料和基板之间的界面没有足够的下切角度，那么残留的光刻胶是难以移除的，导致图案缺陷或材料性能受损。
为了确保剥离过程的顺利进行，光刻工艺的设计和实施需要考虑以下几点：
光刻胶的选择：不同的光刻胶具有不同的溶解特性和对溶剂的响应，选择合适的光刻胶对实现良好的下切效果至关重要。
曝光和显影参数：正确的曝光时间和强度，以及显影条件，可以影响光刻胶的侧壁形状和稳定性，从而影响下切效果。
溶剂的选择和剥离条件：溶剂的类型及其与光刻胶的相互作用直接影响剥离效率，同时剥离过程中的温度和时间也需要适当控制。
通过优化上述因素，可以有效地产生下切边缘，确保在剥离过程中光刻胶的移除，从而在基板上留下清晰、无残留的图案，这对于后续的纳米制造步骤至关重要。
EBL中的束流遮断策略
在电子束光刻(EBL)技术中，束流遮断(Beam Blanking)策略是实现高精度图案化的重要组成部分。束流遮断是指在电子束扫描过程中，通过快速切换电子束的开启与关闭状态，以精确控制电子束在样品表面的能量沉积位置，从而实现对图案细节的精确控制。
硬件遮断（Hardware Blanking）：这是最直接的束流遮断方法，通过电子束光刻机内部的机械或电磁装置，物理地切断或重新引导电子束路径，从而在不需要沉积能量的区域阻止电子束到达样品表面。这种方法响应速度快，但可能受到机械或电磁延迟的影响。
软件遮断（Software Blanking）：软件遮断策略依赖于电子束控制系统中的算法，通过对电子束发射信号的实时控制，实现电子束在扫描过程中的动态开启和关闭。这种方法允许更灵活的图案生成，但对系统的响应时间和控制精度有较高要求。
束流遮断策略的选择和优化对于提升电子束光刻的分辨率、速度和图案质量至关重要。通过精确控制电子束在样品表面的能量沉积，可以实现复杂图案的高效和准确生成，满足微纳米器件制造领域的高要求。然而，这也带来了对电子束光刻系统硬件和控制软件的更高挑战，需要不断的技术创新和优化来克服。
驻留时间
尽管在场发射扫描电子显微镜(SEM)中，入射电子束的直径约为几个纳米，但分辨率实际上受到电子束在光刻胶中因入射和二次电子散射效应导致的束流展宽所限。这种散射效应，也称为邻近效应，会导致作用体积急剧增大，进而使得被照射材料的直径显著增加。由此可知，可实现的最小图案尺寸取决于电子-光刻胶相互作用和电子-基底相互作用，这些相互作用由以下因素决定：
电子束能量：较高的电子束能量会导致更深的穿透和更大的散射，从而影响分辨率。
光刻胶类型：不同类型的光刻胶对电子的吸收和散射特性不同，这会影响图案的形成和分辨率。
光刻胶厚度：光刻胶的厚度会影响电子束的穿透深度，进而影响图案的清晰度和分辨率。
曝光时间（剂量）：曝光时间越长，剂量越大，电子束对光刻胶的影响也越大，可能会影响图案的精细度。
显影时间：显影过程会进一步影响图案的形成，不当的显影时间可能导致图案的模糊或变形。
虽然电子束直径是影响分辨率的一个因素，但在电子束光刻中，上述因素对最终图案的清晰度和精度影响更大。因此，要优化分辨率，就需要细致调整上述参数，以平衡各种相互作用，确保电子束能量的精确传递和图案的清晰形成。这通常需要实验和理论模型的结合，以找到最佳的工艺参数组合，从而在给定的材料和设备条件下实现最高的分辨率。
邻近效应
7.1 前向散射（Forward scattering）
在前向散射过程中，入射电子可能与基板或光刻胶中的原子电子碰撞。入射电子的方向会因此改变，并将部分能量转移给目标原子。如果目标原子是光刻胶分子的一部分，这种激发或电离可能会导致分子链断裂。由于非弹性散射造成的散射角通常较小。概括而言，前向散射通过电子与之间的相互作用导致聚焦电子束展宽，进而决定了单个特征的分辨率极限。
要减少前向散射的影响，可以采取以下措施：
提高电子束电压：更高的电子束电压可以使电子更容易穿透光刻胶和基板材料，减少与原子的非弹性散射事件，从而减小散射对分辨率的负面影响。
降低光刻胶厚度和原子质量/原子数：较薄的光刻胶层和较低的原子质量/原子数意味着电子在光刻胶中的穿透路径较短，与原子相互作用的机会减少，从而降低散射概率，有助于提高分辨率。
需要注意的是，虽然提高电子束电压可以减少散射效应，但它也可能带来其他问题，比如增加对光刻胶的损伤和降低对比度。同样，降低光刻胶厚度虽然可以改善分辨率，但可能会对图案的保真度和稳定性产生不利影响。因此，在实际应用中，需要仔细权衡这些因素，以达到最佳的工艺结果。
7.2 背向散射（Backscattering）
背散射是指入射电子与基板中较重的原子核发生碰撞，导致弹性散射的现象。在这种情况下，电子保留了大部分能量，但改变了其运动方向。背散射的散射角度可能很大。经过大角度散射后，电子可能从远离入射电子束的位置重新穿过光刻胶返回，从而造成额外的光阻曝光。简而言之，来自基底的背散射电子会因为对光刻胶底部的额外曝光(过曝)而导致特征的下切边沿受到影响。这些电子由于能够曝光相邻的特征，从而限制了图案间距的分辨率。
要减少背散射的影响，可以采取以下措施：降低基底的原子质量/原子数。使用原子质量或原子数较低的材料作为基板可以减少背散射事件的发生，因为轻元素的原子核与电子碰撞时，电子改变方向的概率较小，从而减少了背散射电子的数量和影响。
剂量调制
剂量调制是一种常用的方法，用于校正邻近效应，其中可以为每个像素应用不同的剂量因子F。通常，图案中的每个单独形状都被分配一个剂量，使得(理论上)该形状以正确的尺寸打印出来。为了解决形状之间的相互作用所需要的计算是非常耗时的。尽管电子散射的实际效果是增加了大面积区域接收到的剂量，但出于实际考虑，近距离校正通常认为大面积区域接收的基本剂量是统一的，而较小和/或孤立的特征接收更大的剂量来补偿。
剂量调制的工作原理是基于这样的认识：电子在光刻胶中的散射会导致大面积区域接收到的剂量高于预期，而小面积或孤立的特征则可能接收到的剂量不足。为了保证所有特征都能正确地曝光，必须对不同特征施加不同的剂量。对于大面积特征，由于其本身就会接收到过多的剂量，因此可以使用较低的剂量。而对于小面积或孤立的特征，由于其周围缺少其他特征导致的散射电子补充，所以需要施加更高的剂量来确保这些特征能够充分曝光。
剂量调制的具体实施通常涉及到复杂的计算和模拟，以确定每个特征所需的正确剂量。这包括考虑电子散射的范围、光刻胶的性质、电子束的能量以及特征的尺寸和位置等因素。通过这些计算，可以生成一个剂量图，指导电子束光刻机如何在图案的不同部分施加不同的剂量。剂量调制的计算非常耗时，尤其是在处理复杂图案或大规模集成电路时。因此，高效的计算算法和强大的计算资源对于实现快速而准确的剂量调制至关重要。
