限散射角电子束光刻技术及其应用前景

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:898

（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013）

摘要：在下一代光刻（ngl）技术中，限散射角电子束光刻（scalpel）技术工艺简单、成本较低，因此是集成电路生产厂家首选的光刻方案之一。本文论述了scalpel的工作原理、加工工艺和方法、scalpel系统等，并对比分析了scalpel在ngl研发中的技术优势及其应用要点。

关键词：超大规模集成电路,纳米cmos器件,电子束光刻,散射,技术优势,应用前景

中图分类号：tn305.7；tn47 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)06-0018-05

1 引言

集成电路（ic）制造中的一个重要步骤是应用光刻技术确定一个个特殊的几何图形，这些图形最终将制备成电阻器、mos管、bjt或ic等。因此光刻技术的研发在更新每一代ic制造技术中都扮演着先导的角色。近几年内，当光学光刻技术努力突破分辨率“极限”——0.1μm的同时，替代光学光刻技术的下一代光刻技术的研发正在迅速升温，这些技术包括x射线光刻（xrl）、极紫外光刻（euvl）、电子束投影光刻，例如限制散射角电子束光刻（scalpel）、离子束投影光刻等。其中scalpel技术不但工艺简单，成本较低，而且不需要专用光刻胶，因此倍受ic业界的青睐[1~6]。本文主要介绍scalpel的原理和系统、它的技术优势及应用要点。

2 scalpel技术

2.1 scalpel系统结构及其原理

scalpel，意为限制散射角的电子束投影光刻，它的系统结构示意图如图1所示。由图可见，scalpel系统主要由电子束光源、干涉仪、掩模工作台、透镜、拼接偏转器、芯片工作台和扫描装置等部件组成。

图1 scalpel结构示意图

图2为工作原理图，scalpel中平行的电子束入射到由极薄的sinx薄膜和薄的高原子序数组成的掩模上，穿过氮化硅膜的电子基本不散射，相反穿过金属膜的电子散射严重。这些电子再经过磁透镜聚焦后穿过一个置于焦平面上的角度限制光阑，此时散射严重的电子透过率很低，相反地，低散射电子则基本上穿过去了。所有这些电子再通过一个磁透镜形成平行束，这样就形成了高反差图形。这一电子束投影过程被设计成四倍的缩小。

图2 scalpel工作原理图

2.2 scalpel加工工艺和方法

2.2.1 电子束的产生

由于scalpel属于电子束投影曝光，所以要求电子经磁透镜聚焦后穿过角度限制光阑，而当电子束通过掩模版中的高原子序数层时，该层散射出电子束在硅片平面上形成高反差图形。因此电子的产生使用温度限制（即热电子发射）模式的阴极。早期版本的scalpel电子枪是一个大而扁平的lab6 单晶，它被加热到1250k，产生10μa的电流，该电流在1mm直径上均匀性很高，并具有 1000a/(cm2.sr)的亮度。因为与lab6 有关的均匀性和稳定性问题，所以scalpel系统现已改换成只有250a/(cm2.sr)亮度的ta盘状阴极。

图3为电子束投影光源（ta热阴极枪）的曝光原理示意图。与电子束直写技术有所不同，scalpel技术希望具有大面积、高均匀度、低亮度的投影电子束光源，并获得相当高的总发射度。由于使用磁透镜聚焦，像差不好，所以用大视野磁透镜显然不切合实际。另外scalpel系统只有小曝光面积，典型值为每边1mm数量级，故掩模、圆片室和束流通道的真空压力保持在133.322×10-7pa，同时ta热阴极枪保持为133.322×10-8pa的压力。通过对图形和圆片同步辐射扫描的方式进行图形曝光，这时工作台按给定的曝光缩小量以4：1的速度比行进。

图3 ta热阴极枪曝光原理示意图

2.2.2 掩模版

scalpel掩模版由低原子序数的sin x薄膜（厚度在1000~1500μm）和高原子序数的铜/钨（cr/ w，厚度在250~500μm）组成，sinx薄膜将电子微弱地小角度散射，而cr/w把电子强散射成大角度。通过投影系统的背焦平面上的光阑将强散射电子滤除掉，以便在硅片上形成高反差图形。scalpel掩模版结构见图4。相对于镂空结构的x 射线掩模版，图4结构的掩模版有其独特的优越性。