直写式电子束设备的应用和优势

图3-37 电子束投影设备示意图

直写式电子束设备在掩膜制造中已经使用了很长时间^[65，66]。图3-37是这种系统的示意图。从源发射的一束电子通过一组磁透镜聚焦在晶圆上。由于电子束源的尺寸有限，必须在最后可获得的光点直径与电子束强度之间进行折衷。虽然最后的光点直径很大程度上是由电子源的尺寸决定的，但是采用高束流可以提高产量，为此要求大面积的电子源。最初采用的方法是加热硼化镧顶端的电子束源。经由顶端的电子发射是通过加热以及在顶端覆盖一种低功函数材料（即对电子发射的能量势垒较小）实现的。然而，对较高的分辨率系统来说，这些尖端的亮度还不够，因此已经被场致发射源所取代^[67]。在这些源中，金属顶部尖端处集中的电场将电子从金属顶部牵引出。这种源对尖端只要稍许或者不需要加热就能发射电子，这样就减少了发射电子的动能分散。对于存在高阶色差的电子光学，这就有利于提高成像能力。电子光学的基础是磁场以及磁场对带电粒子的作用力。与光学透镜相似，具有适当形状磁极的电磁铁可以对分散的电子束起聚焦作用^[68]。铁磁体材料能使磁场集中并有助于得到需要的磁场分布。在用于电子束写入设备的情况，它们的磁性需要被软化，这样在需要修正磁场强度时，它们不会维持在高磁场状态。遗憾的是，从像差的角度来看，即使是靠近系统轴线移动的电子，电子光学的质量也相当差，而对于与轴成较大的角度移动的电子束，光学质量将急剧退化。这就限制了这些透镜的最大数值孔径，并限制了可实现的最大图像尺寸。电子束还存在一种光学成像情况并不存在的图像模糊机制^[69]。由于电子的相互排斥，聚焦在较小区域的电子束呈现出的随着电流增加而更加严重的图像模糊。这一机制限制了高束流时的成像能力，而从产量的角度来说高束流是必须的。

采用静电偏转器或磁偏转器可以实现束流偏转^[70]，与普通的电视显像管中使用的相似。与不需要纳米级光斑的电视显象管不同，电子束曝光设备中电子束的偏转距离相对较小（约几十个微米），这是因为电子色差随着离开轴线而快速增加。因此，如果晶圆台不移动的话，电子束能能够写的范围较小。图形以光栅的方式写入，与电视屏幕上的图像相似。电子束通过对一条互连的空间信息控制电子束的开-关信息编码，完成对线条的扫描。扫描完一条线条后，继续写下一条线条。在完成约50μm×50μm的面积扫描后，晶圆台移动到下一个方形区域的中心，继续扫描。

在光刻中采用这一技术的主要困难在于数据是串行传送而不是如成像系统中那样采用并行方式。即使通过努力，采用并行电子束方法增加数据传送速率，也改变不了生产效率低下这一恼火的问题，例如，关键掩膜的曝光时间是以小时计。电子束曝光的其他问题与下述事实相关：电子束会导致衬底带电。如果所带的电不能有效的去除，会导致不希望的束偏转。在先进工艺中，栅氧厚度越来越薄，而高能电子束会导致栅氧损伤。此外，与EUV系统类似，电子束曝光系统是在真空环境下工作，很难实现晶圆的快速装载，这也增加了系统的复杂程度。

电子束直写系统的最大优势之一是不需要采用昂贵的掩膜版，因此这个技术对生产量很低而掩膜成本非常昂贵的ASIC设计者来说极具吸引力。生产效率低的缺点对图形密度较低的层次（如接触层）来说不成为问题。当前市场上已实现商品化的可用系统并不多。目前这一领域最令人兴奋的发展^[71]是利用在微机械系统（MEMS）领域发展的制造能力，尝试使用电子束源阵列。现在正研究的方案是采用64×64的源阵列并对每个源都有独立偏转控制，可以实现250μm×250μm的场覆盖。有待进一步解决的问题是能否基于这一技术构建均匀性足够好并且寿命足够长的电子源，进而组建可靠的电子束曝光工具。

生产效率不高的问题可以结合采用光刻中的投影技术来解决。该方案的要点是，不再逐个地写单个像素，而是照射较小的区域（亚场）并将其投影到晶圆上^[72]。单个亚场整合成完整的曝光场。即使亚场之间用支撑件机械隔开，电子束系统的精确偏转控制也可以实现亚场投影^[73]，通过整合工艺可以完全消除亚场之间未被曝光的区域。这一能力非常重要，使得保证掩膜机械稳定性成为可能。因为一方面为了使电子束能够通过，掩膜必须足够薄。为了使掩膜具有足够的机械稳定性，则可以允许在单个亚场之间放置支撑件支柱。(www.xing528.com)

为了提高曝光设备的生产效率，需要采用高束流电子束，由此引起的掩膜加热是制约这一技术的效应之一。由Bell实验室开发的SCALPEL系统是解决这一问题的重大突破^[73]。其关键是改变了原先在掩膜上采用吸收元素的方式，使电子束被衍射并且衍射的电子束由位于设备内部的光栅吸收，这样把所产生的热的吸收转给了对成像过程不重要的设备单元。衍射是采用高原子质量的材料完成的。

虽然投影概念极大地提高了系统的生产效率，但是仍然存在的一个重要制约是电子束的偏转能力有限，这就要求晶圆台的大范围移动。这个问题已在IBM开发的采用可变轴浸入式透镜减小曝光的PREVAIL系统中得到解决。在这种特殊的设计中，能形成高分辨率成像所必须的最小色差透镜的光学中心可以被横向移动，为此只要在聚焦透镜场上叠加附加的偏转场。采用这一技术可以极大改善电子束的偏转，在掩膜版上成像范围高达10mm，在晶圆平面上达±2.5mm。

当初用于SCALPEL系统的技术被转移到了ASML和应用材料联合开发的商业系统中。遗憾的是，这个叫eLith的联合企业，在2001年初解散了^[75]。然而，仍然有一个主要的曝光设备供应商准备提供商用电子束投影设备^[76]。

离子束投影光刻^[77]是被讨论的最后一项技术。与电子束直写设备相似，离子束已经在掩膜修补和300mm晶圆的非损坏性微表征中找到了用武之地。在这些领域，利用了离子束的淀积和去除材料的能力。由奥地利团队开发的系统是投影光刻设备。直写方式最近已经面世，并且在磁性存储碟片中得到应用。

离子束投影光刻系统由三个主要部分组成：源、柱和放置晶圆的腔体。用于掩膜修补的聚焦离子束系统中常用的是镓离子，而在光刻设备中使用带电的氢或氦原子。在这些源中，采用的材料以气态形式引入并经电子轰击发生电离。设置合适的电场，从源中抽取出离子并将其注入到电子光学柱中。这个系统使用的掩膜与电子束投影系统中相似，是镂空掩膜。不像大多数电子束系统那样使用磁性光学透镜，离子束穿过掩膜版后，进入一个多电极静电透镜系统，聚焦在晶圆台上。