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儀器簡介：

在過去的幾年中，半導(dǎo)體器件和IC生產(chǎn)等微電子技術(shù)已發(fā)展到深亞微米階段及納米階段。為了追求晶片更高的運算速度與更高的效能，三十多年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律（Moore’s Law）：每十八個月單一晶片上電晶體的數(shù)量倍增，持續(xù)地朝微小化努力。為繼續(xù)摩爾定律，在此期間，與微電子領(lǐng)域相關(guān)的微/納加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，科學(xué)家提出各種解決方案如：圖形曝光（光刻）技術(shù)、材料刻蝕技術(shù)、薄膜生成技術(shù)等。其中，圖形曝光技術(shù)（微影術(shù)）是微電子制造技術(shù)發(fā)展的主要推動者，正是由于曝光圖形的分辨率和套刻精度的不斷提高，促使集成電路集成度不斷提高和制備成本持續(xù)降低。

電子束曝光系統(tǒng)（electron beam lithography， EBL）是一種利用電子束在工件面上掃描直接產(chǎn)生圖形的裝置。由于SEM、STEM及FIB的工作方式與電子束曝光機十分相近，美國JC Nabity Lithography Systems公司成功研發(fā)了基于改造商品SEM、STEM或FIB的電子束曝光裝置（Nanometer Pattern Generation System納米圖形發(fā)生系統(tǒng)，簡稱NPGS，又稱電子束微影系統(tǒng)）。電子束曝光技術(shù)具有可直接刻畫精細圖案的優(yōu)點，且高能電子束的波長短（< 1 nm），可避免繞射效應(yīng)的困擾，是實驗室制作微小納米電子元件**的選擇。相對于購買昂貴的專用電子束曝光機臺，以既有的SEM等為基礎(chǔ)，外加電子束控制系統(tǒng)，透過電腦介面控制電子顯微鏡中電子束之矢量掃描，以進行直接刻畫圖案，在造價方面可大幅節(jié)省，且兼具原SEM 的觀測功能，在功能與價格方面均具有優(yōu)勢。由于其具有高分辨率以及低成本等特點，在北美研究機構(gòu)中，JC Nabity的NPGS是*熱銷的配套于掃描電鏡的電子束微影曝光系統(tǒng)，而且它的應(yīng)用在世界各地越來越廣泛。

NPGS的技術(shù)目標是提供一個功能強大的多樣化簡易操作系統(tǒng)，結(jié)合使用市面上已有的掃描電鏡、掃描透射電鏡或聚焦離子束裝置，用來實現(xiàn)藝術(shù)級的電子束或離子束平版印刷技術(shù)。NPGS能成功滿足這個目的，得到了當(dāng)前眾多用戶的強烈推薦和一致肯定。

應(yīng)用簡述

NPGS電鏡改裝系統(tǒng)能夠制備出具有高深寬比的微細結(jié)構(gòu)納米線條，從而為微電子領(lǐng)域如高精度掩模制作、微機電器件制造、新型IC研發(fā)等相關(guān)的微/納加工技術(shù)提供了新的方法。NPGS系統(tǒng)作為制作納米尺度的微小結(jié)構(gòu)與電子元件的技術(shù)平臺，以此為基礎(chǔ)可與各種制程技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合。應(yīng)用范圍和領(lǐng)域取決于客戶的現(xiàn)有資源，例如： NPGS電子束曝光系統(tǒng)可與等離子應(yīng)用技術(shù)做***的整合，進行各項等離子制程應(yīng)用的開發(fā)研究，簡述如下：

(一) 半導(dǎo)體元件制程

等離子制程已廣泛應(yīng)用于當(dāng)前半導(dǎo)體元件制程，可視為電子束微影曝光技術(shù)的下游工程。例如：

(1) 等離子刻蝕（plasma etching）

(2) 等離子氣相薄膜沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition， PECVD）

(3) 濺鍍（sputtering）

(二) 微機電元件制程（Semiconductor Processing）

微機電元件在制程上與傳統(tǒng)半導(dǎo)體元件制作有其差異性。就等離子相關(guān)制程而言，深刻蝕（deep etching）是主要的應(yīng)用，其目標往往是完成深寬比達到102 等級的深溝刻蝕或晶圓穿透刻蝕。而為達成高深寬比，深刻蝕采用二種氣體等離子交替的過程。刻蝕完成后可輕易以氧等離子去除側(cè)壁覆蓋之高分子。在微機電元件制作上，深刻蝕可與電子束微影曝光技術(shù)密切結(jié)合。電子束微影曝光技術(shù)在圖案設(shè)計上之自由度十分符合復(fù)雜多變化的微機電元件構(gòu)圖。一旦完成圖案定義，將轉(zhuǎn)由深刻蝕技術(shù)將圖案轉(zhuǎn)移到晶圓基板。

技術(shù)參數(shù)：

型號：NPGS

*細線寬（μm）：根據(jù)SEM

*小束斑（μm）：根據(jù)SEM

掃描場：可調(diào)

加速電壓：根據(jù)SEM，一般為0-40kV

速度：5MHz（可選6MHz）

A. 硬件：

微影控制介面卡：NPGS PCI-516A High Speed Lithography Board，high resolution (0.25%)

控制電腦：Pentium IV 3.0GHz/ 512Mb RAM/ 80G HD/ Windows XP

皮可安培計：KEITHLEY 6485 Picoammeter

B. 軟件：

微影控制軟件 NPGS V9.1 for Windows2000 或 XP

圖案設(shè)計軟件 DesignCAD LT 2000 for Windows

主要特點：

技術(shù)描述：

為滿足納米級電子束曝光要求，JC Nabity出品的NPGS系統(tǒng)設(shè)計了一個納米圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，并采用PC機控制。PC機通過圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路去驅(qū)動SEM等儀器的掃描線圈，從而使電子束偏轉(zhuǎn)并控制束閘的通斷。通過NPGS可以對標準樣片進行圖像采集以及掃描場的校正。配合精密定位的工件臺，還可以實現(xiàn)曝光場的拼接和套刻。利用配套軟件也可以新建或?qū)攵喾N通用格式的曝光圖形。

(一) 電子源（Electron Source）

曝照所需電子束是由既有的SEM、STEM或FIB產(chǎn)生的電子束（離子束）提供。

(二) 電子束掃描控制（Beam Scanning Control）

電子射出后，受數(shù)千乃至數(shù)萬伏特之加速電壓驅(qū)動沿顯微鏡中軸向下移動，并受中軸周圍磁透鏡（magnetic lens）作用形成聚焦電子束而對樣本表面進行掃描與圖案刻畫。掃描方式可分為循序掃描（raster scan）與矢量掃描（vector scan）。

循序掃描是控制電子束在既定的掃描范圍內(nèi)進行逐點逐行的掃描，掃描的點距與行距由程式控制，而當(dāng)掃描到有微影圖案的區(qū)域時，電子束開啟進行曝光，而當(dāng)掃描到無圖案區(qū)域時，電子束被阻斷；矢量掃描則是直接將電子束移動到掃描范圍內(nèi)有圖案的區(qū)域后開啟電子束進行曝光，所需時間較少。

掃描過程中，電子束的開啟與阻斷是由電子束阻斷器（beam blanker）所控制。電子束阻斷器通常安裝在磁透鏡組上方，其功效為產(chǎn)生一大偏轉(zhuǎn)磁場使電子束完全偏離中軸而無法到達樣本。

(三) 阻劑（光阻）

阻劑（resist）是轉(zhuǎn)移電子束曝照圖案的媒介。阻劑通常是以薄膜形式均勻覆蓋于基材表面。高能電子束的照射會改變阻劑材料的特性，再經(jīng)過顯影（development）后，曝照（負阻劑）或未曝照（正阻劑）的區(qū)域?qū)?#63949;在基材表面，顯出所設(shè)計的微影圖案，而后續(xù)的制程將可進一步將此圖案轉(zhuǎn)移到阻劑以下的基材中。

PMMA（poly-methyl methacrylate）是電子束微影中*常用的正阻劑，是由單體甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate， MMA）經(jīng)聚合反應(yīng)而成。用在電子阻劑的PMMA 通常分子量在數(shù)萬至數(shù)十萬之間，受電子束照射的區(qū)域PMMA 分子量將變成數(shù)百至數(shù)千，在顯影時低分子量與高分子量PMMA 溶解度的對比非常大。

負阻劑方面，多半由聚合物的單體構(gòu)成。在電子束曝照的過程中會產(chǎn)生聚合反應(yīng)形成長鏈或交叉鏈結(jié)（crosslinking）聚合物，所產(chǎn)生的聚合物較不易被顯影液溶解因而在顯影后會留在基板表面形成微影圖案。目前常用的負阻劑為化學(xué)倍增式阻劑（chemically amplified resist），經(jīng)電子束曝照后產(chǎn)生氫離子催化鏈結(jié)反應(yīng)，具有高解析度、高感度，且抗蝕刻性高。

(四) 基本工序

電子束微影曝光技術(shù)的基本工序與光微影曝光技術(shù)相似，從上阻、曝照到顯影，各步驟的參數(shù)（如溫度、時間等等）均有賴于使用者視需要進行校對與調(diào)整。