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電子束光刻(EBL)在現(xiàn)代電子工業(yè)中，尤其是集成電路領(lǐng)域精細(xì)圖案的制作中占據(jù)核心地位。這項(xiàng)技術(shù)起源于早期的掃描電子顯微鏡，其基本過程是將一束電子掃描過覆蓋有對(duì)電子敏感的光阻薄膜的表面，從而以所需圖案的形式在光阻薄膜中沉積能量。
電子束曝光技術(shù)的主要特點(diǎn)包括：
1) 它能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率(優(yōu)于20納米)；
2) 它是一種靈活的技術(shù)，可以應(yīng)用于多種材料；
3) 它的速度較慢，比光學(xué)光刻慢一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)；
4) 它昂貴且復(fù)雜(由于鄰近效應(yīng)的影響)。
EBL技術(shù)在高精度和靈活性方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，盡管其速度和成本問題限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可能性。然而，在需要超精細(xì)結(jié)構(gòu)和定制化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，如納米電子學(xué)、生物傳感器和量子計(jì)算，EBL仍然需要的工具。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，未來EBL有望在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
正性光刻膠的工藝流程
在正性光刻膠(positive-tone resist)中，被電子束照射的區(qū)域會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，使其溶解度在顯影液中增加。這意味著被電子束曝光的區(qū)域?qū)⒃陲@影過程中被去除，留下未曝光區(qū)域形成所需的圖案。下面是使用正性光刻膠進(jìn)行電子束光刻的一般步驟：
基底準(zhǔn)備：首先，清潔和處理基底(通常是硅片)，以確保其表面干凈無雜質(zhì)。
光阻涂布：將正性光刻膠均勻地涂覆在基底上，通常通過旋涂法(spin-coating)來完成，以確保刻蝕劑涂層的厚度均勻。
前烘烤：涂覆后，進(jìn)行預(yù)烘烤(pre-bake)，以減少光刻膠中的溶劑含量并穩(wěn)定其性能。
電子束曝光：使用電子束光刻機(jī)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案對(duì)光刻膠進(jìn)行精確曝光。電子束會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求在光刻膠上沉積能量，改變其化學(xué)性質(zhì)。
顯影：曝光后的光刻膠被放入顯影液中，曝光區(qū)域由于溶解度增加而被去除，留下未曝光的光刻膠作為掩模。
后烘烤：顯影后，進(jìn)行后烘烤(post-bake)以進(jìn)一步固化光刻膠，并減少濕氣對(duì)后續(xù)加工的影響。
金屬沉積/蝕刻：在光阻掩模保護(hù)下，進(jìn)行金屬沉積或蝕刻，以在基底上形成所需的導(dǎo)電線路或結(jié)構(gòu)。
光刻膠的去除：最后，使用適當(dāng)?shù)娜軇┗虻入x子體處理去除剩余的光刻膠，暴露出完整的結(jié)構(gòu)。
這些步驟構(gòu)成了使用正性光刻膠進(jìn)行電子束光刻的基本流程，每一步都對(duì)最終圖案的精度和質(zhì)量至關(guān)重要。
電子束光刻(EBL)的核心概念與光學(xué)光刻相似，兩者均涉及在基板上涂覆一層薄薄的光刻膠，隨后通過特定的曝光過程對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性。然而，它們之間的關(guān)鍵區(qū)別在于曝光源的不同：EBL使用電子束，而光學(xué)光刻則利用光。
在EBL中，首先在基板上通過旋涂法均勻地涂覆一層光刻膠。接著，電子束按照預(yù)定的圖案對(duì)光刻膠進(jìn)行精確曝光，導(dǎo)致被曝光區(qū)域的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。這些變化使得暴露于電子束下的(或未暴露的，取決于所用光刻膠類型)區(qū)域在特定溶劑中變得可溶，因此在顯影過程中可以被去除。這一過程被稱為“顯影”。
顯影之后，光刻膠上的圖案便顯現(xiàn)出來，形成了一個(gè)掩模。此時(shí)，可以通過蝕刻、摻雜或涂層等方式將此圖案轉(zhuǎn)移到基板上，具體方法取決于目標(biāo)應(yīng)用和材料特性。例如，如果目標(biāo)是在半導(dǎo)體材料上創(chuàng)建電路，可能需要進(jìn)行選擇性蝕刻，以移除未被光刻膠所保護(hù)的材料；如果目的是引入某種類型的摻雜劑，則會(huì)在光阻掩模的保護(hù)下進(jìn)行熱處理或離子注入。
整個(gè)過程完成后，通常還需要進(jìn)行光阻去除步驟，以清除所有殘留的光刻膠，暴露出完整的圖案化結(jié)構(gòu)。這一步驟對(duì)于確保后續(xù)處理的精確性和可靠性至關(guān)重要。
總的來說，電子束光刻提供了一種高精度、高靈活性的圖案化手段，尤其是在需要亞微米乃至納米尺度特征的應(yīng)用中。然而，它也伴隨著成本高昂和處理時(shí)間長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，這限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用。盡管如此，在科研和制造領(lǐng)域，EBL仍然是實(shí)現(xiàn)微細(xì)化圖案的關(guān)鍵技術(shù)。
納米制造中的剝離工藝
剝離工藝在納米制造中是一項(xiàng)關(guān)鍵步驟，尤其在金屬薄膜和其他材料的圖案化過程中，這些材料無法使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)直接蝕刻。剝離工藝通常在材料沉積后使用，用于選擇性地從不需要的區(qū)域移除材料，留下精確的圖案。以下是剝離工藝的詳細(xì)解析：
掩模準(zhǔn)備：首先在基板上旋涂一層犧牲層(通常是光刻膠)；然后，通過掩模對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，開發(fā)出所需的圖案。
材料沉積：當(dāng)光刻膠中的圖案建立后，將要圖案化的材料薄膜(如用于電氣接觸的金屬或用于絕緣的介電質(zhì))沉積在整個(gè)基板表面上。
剝離：材料沉積完成后，將基板浸泡在一種溶劑中，這種溶劑能溶解光刻膠，但不會(huì)破壞沉積的材料；隨著光刻膠的溶解，未被光刻膠所保護(hù)的材料部分也會(huì)隨之脫落，因?yàn)樗鼈儍H通過光刻膠與基板間接相連；結(jié)果是，僅在原先由光刻膠所保護(hù)的區(qū)域留下了沉積的材料，形成了所需的圖案。
清洗：最后，對(duì)基板進(jìn)行清洗，去除所有殘留的光刻膠和碎屑，確保圖案的完整性和表面清潔度。
剝離工藝特別適用于需要在非平面或復(fù)雜幾何形狀的基板上形成圖案的情況，以及當(dāng)材料對(duì)蝕刻工藝不兼容時(shí)。通過這一系列步驟，可以高效且精準(zhǔn)地在基板上形成各種復(fù)雜的圖案，滿足微電子、納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的需求。
其中，在成功移除光刻膠的過程中，下切邊緣(undercutting edges)扮演著重要角色。下切指的是在光刻膠和基板之間形成的側(cè)面角度小于90度的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)在光刻膠底部形成了一定的空間，便于在剝離過程中溶劑和光刻膠的接觸，從而有效促進(jìn)光刻膠的溶解和移除。
在材料沉積后，未被光刻膠覆蓋的區(qū)域直接與基板相連，而在光刻膠下方的材料則通過光刻膠間接與基板相連。當(dāng)基板浸泡在溶劑中時(shí)，溶劑會(huì)滲透到光刻膠和基板之間的間隙，溶解光刻膠，并逐漸削弱其與材料的連接。如果光刻膠與材料和基板之間的界面沒有足夠的下切角度，那么殘留的光刻膠是難以移除的，導(dǎo)致圖案缺陷或材料性能受損。
為了確保剝離過程的順利進(jìn)行，光刻工藝的設(shè)計(jì)和實(shí)施需要考慮以下幾點(diǎn)：
光刻膠的選擇：不同的光刻膠具有不同的溶解特性和對(duì)溶劑的響應(yīng)，選擇合適的光刻膠對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的下切效果至關(guān)重要。
曝光和顯影參數(shù)：正確的曝光時(shí)間和強(qiáng)度，以及顯影條件，可以影響光刻膠的側(cè)壁形狀和穩(wěn)定性，從而影響下切效果。
溶劑的選擇和剝離條件：溶劑的類型及其與光刻膠的相互作用直接影響剝離效率，同時(shí)剝離過程中的溫度和時(shí)間也需要適當(dāng)控制。
通過優(yōu)化上述因素，可以有效地產(chǎn)生下切邊緣，確保在剝離過程中光刻膠的移除，從而在基板上留下清晰、無殘留的圖案，這對(duì)于后續(xù)的納米制造步驟至關(guān)重要。
EBL中的束流遮斷策略
在電子束光刻(EBL)技術(shù)中，束流遮斷(Beam Blanking)策略是實(shí)現(xiàn)高精度圖案化的重要組成部分。束流遮斷是指在電子束掃描過程中，通過快速切換電子束的開啟與關(guān)閉狀態(tài)，以精確控制電子束在樣品表面的能量沉積位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖案細(xì)節(jié)的精確控制。
硬件遮斷（Hardware Blanking）：這是最直接的束流遮斷方法，通過電子束光刻機(jī)內(nèi)部的機(jī)械或電磁裝置，物理地切斷或重新引導(dǎo)電子束路徑，從而在不需要沉積能量的區(qū)域阻止電子束到達(dá)樣品表面。這種方法響應(yīng)速度快，但可能受到機(jī)械或電磁延遲的影響。
軟件遮斷（Software Blanking）：軟件遮斷策略依賴于電子束控制系統(tǒng)中的算法，通過對(duì)電子束發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)電子束在掃描過程中的動(dòng)態(tài)開啟和關(guān)閉。這種方法允許更靈活的圖案生成，但對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和控制精度有較高要求。
束流遮斷策略的選擇和優(yōu)化對(duì)于提升電子束光刻的分辨率、速度和圖案質(zhì)量至關(guān)重要。通過精確控制電子束在樣品表面的能量沉積，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案的高效和準(zhǔn)確生成，滿足微納米器件制造領(lǐng)域的高要求。然而，這也帶來了對(duì)電子束光刻系統(tǒng)硬件和控制軟件的更高挑戰(zhàn)，需要不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化來克服。
駐留時(shí)間
盡管在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)中，入射電子束的直徑約為幾個(gè)納米，但分辨率實(shí)際上受到電子束在光刻膠中因入射和二次電子散射效應(yīng)導(dǎo)致的束流展寬所限。這種散射效應(yīng)，也稱為鄰近效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致作用體積急劇增大，進(jìn)而使得被照射材料的直徑顯著增加。由此可知，可實(shí)現(xiàn)的最小圖案尺寸取決于電子-光刻膠相互作用和電子-基底相互作用，這些相互作用由以下因素決定：
電子束能量：較高的電子束能量會(huì)導(dǎo)致更深的穿透和更大的散射，從而影響分辨率。
光刻膠類型：不同類型的光刻膠對(duì)電子的吸收和散射特性不同，這會(huì)影響圖案的形成和分辨率。
光刻膠厚度：光刻膠的厚度會(huì)影響電子束的穿透深度，進(jìn)而影響圖案的清晰度和分辨率。
曝光時(shí)間（劑量）：曝光時(shí)間越長(zhǎng)，劑量越大，電子束對(duì)光刻膠的影響也越大，可能會(huì)影響圖案的精細(xì)度。
顯影時(shí)間：顯影過程會(huì)進(jìn)一步影響圖案的形成，不當(dāng)?shù)娘@影時(shí)間可能導(dǎo)致圖案的模糊或變形。
雖然電子束直徑是影響分辨率的一個(gè)因素，但在電子束光刻中，上述因素對(duì)最終圖案的清晰度和精度影響更大。因此，要優(yōu)化分辨率，就需要細(xì)致調(diào)整上述參數(shù)，以平衡各種相互作用，確保電子束能量的精確傳遞和圖案的清晰形成。這通常需要實(shí)驗(yàn)和理論模型的結(jié)合，以找到最佳的工藝參數(shù)組合，從而在給定的材料和設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)最高的分辨率。
鄰近效應(yīng)
7.1 前向散射（Forward scattering）
在前向散射過程中，入射電子可能與基板或光刻膠中的原子電子碰撞。入射電子的方向會(huì)因此改變，并將部分能量轉(zhuǎn)移給目標(biāo)原子。如果目標(biāo)原子是光刻膠分子的一部分，這種激發(fā)或電離可能會(huì)導(dǎo)致分子鏈斷裂。由于非彈性散射造成的散射角通常較小。概括而言，前向散射通過電子與之間的相互作用導(dǎo)致聚焦電子束展寬，進(jìn)而決定了單個(gè)特征的分辨率極限。
要減少前向散射的影響，可以采取以下措施：
提高電子束電壓：更高的電子束電壓可以使電子更容易穿透光刻膠和基板材料，減少與原子的非彈性散射事件，從而減小散射對(duì)分辨率的負(fù)面影響。
降低光刻膠厚度和原子質(zhì)量/原子數(shù)：較薄的光刻膠層和較低的原子質(zhì)量/原子數(shù)意味著電子在光刻膠中的穿透路徑較短，與原子相互作用的機(jī)會(huì)減少，從而降低散射概率，有助于提高分辨率。
需要注意的是，雖然提高電子束電壓可以減少散射效應(yīng)，但它也可能帶來其他問題，比如增加對(duì)光刻膠的損傷和降低對(duì)比度。同樣，降低光刻膠厚度雖然可以改善分辨率，但可能會(huì)對(duì)圖案的保真度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要仔細(xì)權(quán)衡這些因素，以達(dá)到最佳的工藝結(jié)果。
7.2 背向散射（Backscattering）
背散射是指入射電子與基板中較重的原子核發(fā)生碰撞，導(dǎo)致彈性散射的現(xiàn)象。在這種情況下，電子保留了大部分能量，但改變了其運(yùn)動(dòng)方向。背散射的散射角度可能很大。經(jīng)過大角度散射后，電子可能從遠(yuǎn)離入射電子束的位置重新穿過光刻膠返回，從而造成額外的光阻曝光。簡(jiǎn)而言之，來自基底的背散射電子會(huì)因?yàn)閷?duì)光刻膠底部的額外曝光(過曝)而導(dǎo)致特征的下切邊沿受到影響。這些電子由于能夠曝光相鄰的特征，從而限制了圖案間距的分辨率。
要減少背散射的影響，可以采取以下措施：降低基底的原子質(zhì)量/原子數(shù)。使用原子質(zhì)量或原子數(shù)較低的材料作為基板可以減少背散射事件的發(fā)生，因?yàn)檩p元素的原子核與電子碰撞時(shí)，電子改變方向的概率較小，從而減少了背散射電子的數(shù)量和影響。
劑量調(diào)制
劑量調(diào)制是一種常用的方法，用于校正鄰近效應(yīng)，其中可以為每個(gè)像素應(yīng)用不同的劑量因子F。通常，圖案中的每個(gè)單獨(dú)形狀都被分配一個(gè)劑量，使得(理論上)該形狀以正確的尺寸打印出來。為了解決形狀之間的相互作用所需要的計(jì)算是非常耗時(shí)的。盡管電子散射的實(shí)際效果是增加了大面積區(qū)域接收到的劑量，但出于實(shí)際考慮，近距離校正通常認(rèn)為大面積區(qū)域接收的基本劑量是統(tǒng)一的，而較小和/或孤立的特征接收更大的劑量來補(bǔ)償。
劑量調(diào)制的工作原理是基于這樣的認(rèn)識(shí)：電子在光刻膠中的散射會(huì)導(dǎo)致大面積區(qū)域接收到的劑量高于預(yù)期，而小面積或孤立的特征則可能接收到的劑量不足。為了保證所有特征都能正確地曝光，必須對(duì)不同特征施加不同的劑量。對(duì)于大面積特征，由于其本身就會(huì)接收到過多的劑量，因此可以使用較低的劑量。而對(duì)于小面積或孤立的特征，由于其周圍缺少其他特征導(dǎo)致的散射電子補(bǔ)充，所以需要施加更高的劑量來確保這些特征能夠充分曝光。
劑量調(diào)制的具體實(shí)施通常涉及到復(fù)雜的計(jì)算和模擬，以確定每個(gè)特征所需的正確劑量。這包括考慮電子散射的范圍、光刻膠的性質(zhì)、電子束的能量以及特征的尺寸和位置等因素。通過這些計(jì)算，可以生成一個(gè)劑量圖，指導(dǎo)電子束光刻機(jī)如何在圖案的不同部分施加不同的劑量。劑量調(diào)制的計(jì)算非常耗時(shí)，尤其是在處理復(fù)雜圖案或大規(guī)模集成電路時(shí)。因此，高效的計(jì)算算法和強(qiáng)大的計(jì)算資源對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的劑量調(diào)制至關(guān)重要。
