基于JSM-35CF SEM的納米電子束光刻系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

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納米，并可生成超高分辨率的圖案。因此，EBL 在納米電子學、納米光學和其他大多數(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、機械、真空和計算機技術(shù)于一身。然而，對于許多教育或研究實驗室來說，商用EBL系統(tǒng)的價格要昂貴得多，因為這些實驗室只對創(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)會是一個很好的解決方案。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、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、微光學、微機械學和其他大多數(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，主要是因為SEM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（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械設(shè)備中，通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)高精度控制和數(shù)據(jù)采集。這種技術(shù)主要應(yīng)用于機器人、自動化設(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)提供電子光學系統(tǒng)。電子光學性能直接影響到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)，從而實現(xiàn)電子束掃描。

B. 精準工件臺

SEM平臺的定位精度通常在1-5um之間，移動范圍有限。因此無法滿足EBL掃描場拼接的要求。為了實現(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。它由工件臺機械結(jié)構(gòu)、激光干涉儀測量系統(tǒng)、XY定位控制系統(tǒng)、CCD對位系統(tǒng)和自動傳送平臺控制系統(tǒng)組成。激光干涉儀測量系統(tǒng)和 XY 定位控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)測量控制系統(tǒng)，可將工件臺定位在目標位置。CCD對位系統(tǒng)用于使硅片處于電子光學系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)，以獲得最佳曝光效果。精準工件臺的主要功能體現(xiàn)在兩個方面：一是解決高分辨率與大面積曝光的矛盾，實現(xiàn)EBL掃描場拼接。由于電子光學像差和畸變的限制，電子束掃描場尺度受到限制，為了保證分辨率和實現(xiàn)大面積曝光，必須裝配精準工件臺。第二個功能是實現(xiàn)精確定位，保證層與層之間的對準精度。

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)字信號處理器（DSP）。DSP具有強大的運算能力，可在80個時鐘周期內(nèi)完成32浮點運算的乘除運算。因此，圓、環(huán) 和其他復雜的曲線形狀都能以極快的速度進行解釋。

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

為了糾正掃描場失真，必須首先獲取標準圖像。圖像采集單元的功能是掃描標記和標準象棋圖形（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轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號。這些數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳輸?shù)接嬎銠C并顯示在屏幕上。

D. 軟件系統(tǒng)

EBL系統(tǒng)非常復雜和精密，需要一個功能齊全、易于操作的軟件系統(tǒng)來確保其正常運行。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)計了三個模塊：曝光布局處理功能模塊、對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)過兩個過程，一個是曝光布局設(shè)計，另一個是格式轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^繪制和編輯圖形直接設(shè)計各種布局。另一種創(chuàng)建曝光布局的方法是導入常見的工業(yè)布局（industrial layout），如 Caltech IntermediateFormat (CIF) 和 Graphic Design System II (GDSII) 格式文件，這個文件都是可以方便地進行編輯的。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)計的布局，還是導入的常見工業(yè)布局，都可以傳輸?shù)紼DF文件中。

對準控制模塊用于實現(xiàn)掃描場對準和坐標對準。這可以通過掃描和獲取標準棋盤圖像、調(diào)整標記位置、計算校正參數(shù)并將其傳送給圖形發(fā)生器來實現(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，完成掃描場和坐標對準。

曝光控制模塊是對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、線和點的曝光停留時間，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)存儲在EDF文件中的布局信息控制電子束偏轉(zhuǎn)。

曝光實驗

曝光實驗是在基于JSM-35CFSEM的電子束光刻系統(tǒng)上進行的。曝光實驗包括拼接實驗、套刻實驗和圖案曝光。拼接和套刻精度是評價EBL設(shè)備性能的重要評價指標。

A. 曝光拼接實驗

如前所述，由于電子光學設(shè)計的限制，當蝕刻納米結(jié)構(gòu)圖案時，EBL的單次曝光掃描場尺度會受到限制。因此為了實現(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、電子光學鏡筒的不同倍率等因素會導致掃描場的失真，因此，為了確保拼接精度，有必要校準掃描場。校準可通過坐標系線性變換，其數(shù)學表達式如下如下所示：

式中，dx、dy為實際位置與理想位置的偏差；x和y為標記的工件臺位置；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個系數(shù)，需要在掃描場中設(shè)置3個標記，如圖3所示。圖形發(fā)生器控制SEM掃描這3個標記，得到實際的位置坐標。軟件系統(tǒng)獲取這些坐標并計算六個方程以獲得校準系數(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。這個過程會執(zhí)行多次，直到獲得精確的掃描場。

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

圖5顯示了該實驗結(jié)果的SEM顯微照片。根據(jù)誤差計算公式：

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)計結(jié)果表明，本次曝光測試誤差σx為31.19 nm，σy為26.53 nm。

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B. 曝光套刻實驗

某些微機電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)構(gòu)和半導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，然后去除以進行后處理。當這些硅芯片回到工作臺時，其與工作臺的相對位置會發(fā)生變化。因此，為了保證套刻精度，需要對芯片進行對位標記，確定芯片的位置和方位角。測試圖案如圖6所示。紅色 XY 主游標為第一層，每個游標的間隔為2μm。藍色XY副游標為第二層，每個游標的間隔為1.98μm。實際曝光圖案是由這兩層游標分別組成的兩個100μm大小的6×6陣列場。每層圖案都保存為一個曝光數(shù)據(jù)格式（EDF）文件。

實驗操作步驟如下：

a. 將帶標記的樣品放入工作臺，并進行坐標系校正，使平臺坐標與硅片坐標保持一致。

b. 將平臺控制到曝光區(qū)域，并執(zhí)行掃描場校正，然后曝光主游標的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，然后再次執(zhí)行坐標系校正。

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

該實驗結(jié)果的SEM顯微照片如圖7所示。誤差計算公式與拼接實驗相同。統(tǒng)計結(jié)果表明，本次曝光測試誤差σx為31.95 nm，σy為33.38 nm。

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結(jié)論

上述實驗證明了該基于改進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)功能強大、操作友好、成本低廉，可以滿足大學實驗室的大多數(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。

審核編輯：劉清