電子束光刻（EBL）是一種無(wú)需掩模的直接寫入式光刻技術(shù)，其工作原理是通過(guò)聚焦電子束在電子敏感光刻膠表面進(jìn)行納米級(jí)圖案直寫。該技術(shù)具有兩大顯著優(yōu)勢(shì)：一是具備超高的圖形分辨率（可實(shí)現(xiàn)<10nm的極限特征尺寸），二是支持靈活的無(wú)掩模圖形設(shè)計(jì)。然而，由于存在曝光效率較低、系統(tǒng)控制復(fù)雜等局限性，電子束光刻目前主要應(yīng)用于三個(gè)領(lǐng)域：光刻掩模版的制作、先進(jìn)原理樣機(jī)的開發(fā)，以及納米尺度的科學(xué)研究與器件研制。這種技術(shù)特別適合小批量、高精度的微納結(jié)構(gòu)加工需求。

發(fā)展歷史

電子束光刻（EBL）的發(fā)展歷程可追溯至20世紀(jì)初期聚焦電子束技術(shù)的起源。其技術(shù)演進(jìn)與光學(xué)光刻幾乎同步，但兩者最終形成了互補(bǔ)并存的格局

技術(shù)雛形階段

?早期的聚焦電子束技術(shù)應(yīng)用于陰極射線管（CRT）顯示器，而1960年代掃描電子顯微鏡（SEM）的出現(xiàn)奠定了電子束曝光機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框架。然而，真正的電子束光刻技術(shù)始于電子束敏感抗蝕劑的開發(fā)。

關(guān)鍵突破時(shí)期（1950s–1970s）??

1958年：麻省理工學(xué)院研究人員首次利用電子誘導(dǎo)碳污染形成刻蝕掩模，實(shí)現(xiàn)高分辨率二維圖形制備。
1965年：電子束曝光技術(shù)突破100nm結(jié)構(gòu)加工。
1968年：PMMA被確立為電子束光刻膠，大幅推動(dòng)圖形精度提升。
1970年：采用PMMA制作出0.15μm聲表面波器件。
1972年：在硅表面實(shí)現(xiàn)60nm×60nm橫截面的鋁金屬線條加工。?

1980年代，電子束光刻一度被視為光學(xué)光刻的替代方案，但因其曝光效率低、成本高等固有局限，最終未能取代光學(xué)光刻。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，兩者形成明確分工：電子束光刻專注于掩模制備、納米級(jí)科研樣機(jī)開發(fā)和小批量高精度加工，而光學(xué)光刻主導(dǎo)大規(guī)模集成電路生產(chǎn)。

理論基礎(chǔ)

光刻技術(shù)的核心原理，是利用光輻照聚合物使其發(fā)生變化，進(jìn)而形成所需圖形。在光學(xué)曝光中，分辨率受到光波長(zhǎng)的顯著限制。為了突破這一限制、提高分辨率，光波的選擇經(jīng)歷了持續(xù)縮短的發(fā)展歷程，從最初的 G 線、I 線，逐步發(fā)展到深紫外，再到如今的極紫外。?

電子束從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種帶電粒子，根據(jù)波粒二象性理論，其波長(zhǎng)可通過(guò)特定公式計(jì)算得出。由此可知，電子束的加速電壓越高，對(duì)應(yīng)的電子束波長(zhǎng)就越小，這一特性與電子束曝光系統(tǒng)究竟是高電壓系統(tǒng)還是低電壓系統(tǒng)直接相關(guān)。例如，在 100KV 的加速電壓系統(tǒng)下，電子波長(zhǎng)僅為 0.12nm，這也正是電子束光刻能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的基礎(chǔ)保障。不過(guò)，傳統(tǒng)的電子束光刻采用直寫模式，這一模式是目前電子束光刻效率較低的重要原因，但它也具備顯著優(yōu)點(diǎn) —— 直寫過(guò)程無(wú)需掩膜版，操作簡(jiǎn)單且靈活性強(qiáng)。?

和紫外光一樣，電子束也能使部分聚合物發(fā)生化學(xué)鍵斷裂或交聯(lián)反應(yīng)，從而在顯影過(guò)程中形成相應(yīng)的圖形。甚至一些紫外光刻膠本身就可以當(dāng)作電子束光刻膠使用，所以二者在本質(zhì)上并沒(méi)有太大區(qū)別。為了加以區(qū)分，我們有時(shí)會(huì)將電子束光刻膠稱為抗蝕劑。然而，由于電子束在與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，這使得其作用過(guò)程比紫外光刻復(fù)雜得多。

電子束曝光系統(tǒng)

電子束光刻技術(shù)起源于掃描電鏡，它是一種基于聚焦電子束掃描原理的圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)。?

電子束光刻系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，主要包含 3 個(gè)基本部件和若干輔助部件。其中，基本部件為電子槍、電子透鏡和電子偏轉(zhuǎn)器；輔助部件則有真空系統(tǒng)、工件臺(tái)控制系統(tǒng)等。?

電子槍的作用是產(chǎn)生可被控制和聚焦的電子，根據(jù)工作方式的不同，通常可分為熱電子源（thermionic sources）和場(chǎng)發(fā)射源（field emission sources）。熱電子源的工作原理是，將陰極加熱到足夠高的溫度，使陰極材料中的電子獲得充足的動(dòng)能，從而突破電子槍金屬功函數(shù)的勢(shì)壘并發(fā)射出來(lái)，形成電子束。而場(chǎng)發(fā)射源則是通過(guò)加強(qiáng)電場(chǎng)，讓電子隧穿勢(shì)壘來(lái)形成電子源。?

電子發(fā)射源出射的電子束，其聚焦和偏轉(zhuǎn)過(guò)程是在電子光柱體中完成的。電子光柱體由一系列電子透鏡、光闌、擋板等裝置組成。具體來(lái)說(shuō)，電子先通過(guò)光闌成型，接著經(jīng)過(guò)電子透鏡會(huì)聚成束斑，再通過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)在工作臺(tái)上進(jìn)行曝光。

電子束曝光系統(tǒng)的重要指標(biāo)

電子束曝光系統(tǒng)有多項(xiàng)重要指標(biāo)，具體如下：?

最小束直徑：它直接影響曝光圖形的最小尺寸。若想獲得更小的束斑直徑，可通過(guò)以下措施調(diào)整：①設(shè)置盡量高的加速電壓；②采用較小尺寸的光闌孔徑；③采用小的工作距離；④設(shè)置小的掃描場(chǎng)；⑤設(shè)置小的曝光步長(zhǎng)。?
加速電壓：其數(shù)值一般在 10~100kv 之間。加速電壓越高，系統(tǒng)的分辨率就越高，曝光產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)也越小，同時(shí)還能夠曝光更厚的抗蝕劑。?
電子束流：束流越大，曝光速度就越快，但最大曝光速度會(huì)受到掃描頻率的限制，而且大束流對(duì)應(yīng)的束斑也會(huì)較大。?
掃描速度：掃描速度越快，曝光速度也就越快，通常以頻率來(lái)表示（例如：50MHz）。?
掃描場(chǎng)大小：若掃描場(chǎng)較大，那么曝光圖形的大部分就可以在掃描場(chǎng)內(nèi)完成曝光，從而避免因掃描場(chǎng)拼接而引起的誤差。?

此外，還有工作臺(tái)移動(dòng)精度、套準(zhǔn)精度、場(chǎng)拼接精度等指標(biāo)也較為重要。

電子束曝光方式分類

電子束曝光方式可從不同角度進(jìn)行分類，具體如下：?

按工作方式，可分為投影式曝光和直寫式曝光。其中，投影式曝光需要掩模，而直寫式曝光則不需要掩模。

按掃描方式，可分為光柵掃描（raster scan）和矢量掃描（vector scan）。光柵掃描采用高斯圓形束，電子束在整個(gè)掃描場(chǎng)里作連續(xù)逐點(diǎn)掃描，通過(guò)控制快門（束閘）的通斷來(lái)進(jìn)行圖形的曝光。它的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，不需對(duì)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制；但缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，且由于掃描場(chǎng)的范圍較小，必須配合工件臺(tái)的移動(dòng)來(lái)完成曝光。矢量掃描的優(yōu)點(diǎn)是曝光效率高，只在有圖形區(qū)域進(jìn)行掃描曝光，減少了鏡頭在非圖形區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間，而且可采用可變矩形束；不過(guò)其缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)槭噶繏呙璞仨殞?duì)偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行控制，不像光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。?

按電子束形狀，可分為高斯束（圓形束）和變形電子束（矩形束）。在矢量掃描模式下，圖形的曝光時(shí)間與束斑投射次數(shù)有關(guān)，在固定高斯束（圓形束）斑模式下，需要進(jìn)行 24 次投射。?

為了加快曝光速率，可將圖形分解為最小基本圖形的組合，以最小基本圖形作為電子束斑的形狀。在這種修正束斑模式下，只需 6 次投射即可。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，圖形并非一成不變，需要經(jīng)常重設(shè)基本束斑形狀，因此需要一種更加靈活的投射方式。一種束斑可變的模式能夠應(yīng)用于圖形多樣化的情況，如下圖所示，在可變束斑模式下，電子束斑可根據(jù)具體的圖形進(jìn)行調(diào)整，改變束斑的基本形狀，從而將投射次數(shù)減少到 3 次。

電子束光刻膠介紹

光刻膠（Photoresist，又稱光致抗蝕劑）是一種耐刻蝕薄膜材料，它在紫外光、準(zhǔn)分子激光、電子束、離子束、X 射線等光源的照射或輻射下，溶解度會(huì)發(fā)生變化。?

電子束光刻膠是光刻膠的一種，通?？煞譃檎怨饪棠z和負(fù)性光刻膠，其分類依據(jù)是光刻膠在受到照射后，交聯(lián)反應(yīng)和化學(xué)鍵斷裂這兩種反應(yīng)中哪種占主導(dǎo)地位。不過(guò)，光刻膠的正負(fù)特性并非絕對(duì)，例如電子束正膠 PMMA，當(dāng)受到 10 倍正常曝光劑量的照射時(shí)，曝光區(qū)域的膠會(huì)發(fā)生碳化，在顯影過(guò)程中會(huì)殘留下來(lái)，此時(shí)它的特性就可以當(dāng)作負(fù)膠來(lái)使用。?

正性光刻膠（簡(jiǎn)稱正膠）的特點(diǎn)是，在曝光區(qū)域，光刻膠中的化學(xué)鍵斷裂反應(yīng)占主導(dǎo)，使得該區(qū)域的光刻膠容易溶解于顯影液。?
負(fù)性光刻膠（簡(jiǎn)稱負(fù)膠）則不同，在曝光區(qū)域，光刻膠中的交聯(lián)反應(yīng)占主導(dǎo)，小分子會(huì)通過(guò)交聯(lián)聚合形成大分子，從而導(dǎo)致該區(qū)域的光刻膠難以溶解于顯影液。

光刻膠的關(guān)鍵參數(shù)

紫外光刻膠類似，我們?cè)谶x擇或評(píng)價(jià)一款光刻膠在工藝中的應(yīng)用時(shí)，通常會(huì)參考以下四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：靈敏度、對(duì)比度、分辨率和抗蝕刻性。?

靈敏度：光刻膠的靈敏度越高，所需的曝光劑量（照射量）就越小。其靈敏度會(huì)受到電子能力 keV（或加速電壓 kV）、基底材料、工藝條件、使用的顯影劑等多種因素的影響。?
對(duì)比度：高對(duì)比度的光刻膠能夠獲得更陡的側(cè)壁，提供更大的加工余地，實(shí)現(xiàn)更好的分辨率和更高縱橫比的結(jié)構(gòu)，同時(shí)使其對(duì)鄰近效應(yīng)不太敏感，圖案密度也更高。而低對(duì)比度的光刻膠僅適用于 3D 灰度光刻。?
分辨率：該參數(shù)定義了能夠獲得的最小特征的大小，或者兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的最小距離。?
抗刻蝕性：如果后續(xù)工藝中有刻蝕需求，應(yīng)選擇能在化學(xué)（濕）刻蝕和物理（干）刻蝕過(guò)程中保持自身完整特性的光刻膠。?

此外，在選擇適合的光刻膠時(shí)，還需要結(jié)合光刻膠的正負(fù)特性、工藝寬容度、附著力、熱流動(dòng)性、膨脹效應(yīng)、儲(chǔ)存壽命等參數(shù)綜合考慮。

常用的光刻膠

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要采用不同的光刻膠。本節(jié)主要介紹實(shí)驗(yàn)中常用的幾種電子束光刻膠，包括正膠 PMMA、ZEP-520A、AR-P 6200（SCAR62）以及負(fù)膠 HSQ。?

PMMA（正膠）?

PMMA（poly-methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）是一種高分子聚合物，又稱亞克力或有機(jī)玻璃，是目前應(yīng)用最廣泛的電子束光刻膠。將 5%~10% 的 PMMA 粉末與氯苯或苯甲醚（毒性較小，濃度為 2-4%）充分混合，即可制成 PMMA 光刻膠。?

它具有便宜、耐用、易操作的特點(diǎn)，同時(shí)擁有非常高的分辨率和對(duì)比度，但靈敏度較低，且耐干刻蝕性差（這一特性有利于剝離 lift-off 工藝，卻不適合直接刻蝕的圖案轉(zhuǎn)移）。其靈敏度會(huì)隨相對(duì)分子質(zhì)量的減小而增加，PMMA 典型的相對(duì)分子質(zhì)量有 495 kg/mol 和 950 kg/mol。另外，對(duì)比度和靈敏度可通過(guò)改變顯影劑混合物（MIBK：IPA）中 MIBK 的比例來(lái)調(diào)控，靈敏度會(huì)隨顯影劑中 MIBK 比例的增加而增加，而對(duì)比度則相反。?

Zep-520A（正膠）?

Zep-520A 是最受歡迎的商用光刻膠，由日本 Nippon Zeon 開發(fā)。它是一種 PMMA 加苯環(huán)的改性膠，由 α- 氯甲基丙烯酸酯（α-chloromethacrylate）和 α- 甲基苯乙烯（α-methylstyrene）的共聚物組成，常用于替代 PMMA。?

該光刻膠具有高分辨率和高對(duì)比度，能實(shí)現(xiàn) 10-30nm 的圖形結(jié)構(gòu)，分辨率與 PMMA 相當(dāng)；同時(shí)擁有比 PMMA 更高的靈敏度（為其 3~5 倍）和高抗干刻蝕性（相較 PMMA 有 5 倍以上的抗干刻蝕性能）。不過(guò)，它價(jià)格較貴，保質(zhì)期為一年。需要注意的是，對(duì)于超高分辨率（亞 10nm）的需求，使用 PMMA 可能更好。此外，ZEP-520A 在曝光、顯影和堅(jiān)膜烘烤后不容易去除，通常采用 ZDMAC 進(jìn)行去膠。?

AR-P 6200 (CSAR62) （正膠）?

AR-P 6200 (CSAR62) 具有超高分辨率（＜10nm）和高靈敏度，且靈敏度可通過(guò)選擇合適的顯影液來(lái)調(diào)控，同時(shí)具備高對(duì)比度（＞15）和高深寬比（可達(dá) 20:1）。?

它還具有良好的工藝穩(wěn)定性和抗干刻蝕性，抗干刻蝕性是 PMMA 的 2 倍；與基片的粘著力好，不易發(fā)生脫膠和龜裂現(xiàn)象。但也存在一些缺點(diǎn)，如楊氏模量偏低，容易出現(xiàn)坍塌、粘連、倒覆的情況；熔點(diǎn)較低，會(huì)產(chǎn)生抗蝕劑熔融現(xiàn)象；圖形表面易發(fā)生收縮現(xiàn)象。?

HSQ（負(fù)膠）?

HSQ 由 Dow Corning 開發(fā)，其成分是基于二氧化硅的無(wú)機(jī)類化合物，由甲基異丁基酮 (methylisobutylketone, MIBK) 極性溶劑中的含氫硅酸鹽類 (hydrogen silsesquioxane ,HSQ) 樹脂構(gòu)成。?

HSQ 具有極高的分辨率（＜10nm），但靈敏度低，曝光時(shí)間長(zhǎng)。它通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行顯影（未曝光的 HSQ 與稀釋的 NH4OH 或 NaOH 顯影劑反應(yīng)生成 H2），而非通過(guò)溶解顯影，顯影后的工藝穩(wěn)定性好。此外，它在電子顯微鏡下的觀察性能好，不需要鍍金，是很好的刻蝕硅的掩模材料。?

不過(guò)，HSQ 的保質(zhì)期較短，存放周期只有 6 個(gè)月，而粉末狀的 HSQ（H-SiOx）保質(zhì)期會(huì)更長(zhǎng)。其保存條件也較為苛刻，膠體暴露在空氣中易被氧化，出現(xiàn)膠凍固化現(xiàn)象，需要在低溫（5℃）下密封保存。同時(shí)，它具有極高反差，容易制備剖面陡直的高高寬比結(jié)構(gòu)，屬于伸縮性光刻膠，顯影后線條邊緣垂直度好，且粘附力好、韌性好、不容易斷裂。

領(lǐng)近效應(yīng)

電子束曝光的鄰近效應(yīng)，指的是當(dāng)兩個(gè)曝光圖形距離較近時(shí)，由于電子在光刻膠和襯底中發(fā)生散射，導(dǎo)致電子偏離原本的入射方向。這會(huì)使得原本不應(yīng)曝光的鄰近區(qū)域被曝光，而一些應(yīng)該曝光的區(qū)域卻得不到足夠的曝光量，最終造成曝光圖形發(fā)生畸變，進(jìn)而帶來(lái)對(duì)比度降低、分辨率下降等問(wèn)題。?

校正方式?

鄰近效應(yīng)的校正主要有三種方法：①劑量校正；②圖形尺寸補(bǔ)償；③背景曝光補(bǔ)償。?

劑量校正是應(yīng)用最普遍且效果最好的一種方法，其原理是通過(guò)人為調(diào)控，讓所有曝光圖形都獲得均勻一致的曝光能量。劑量校正又可分為自洽技術(shù)（物理校正）和幾何圖形切割法。其中，自洽技術(shù)（物理校正）的校正結(jié)果比較精準(zhǔn)，但對(duì)于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)而言，計(jì)算量較大；幾何圖形切割法計(jì)算得到的曝光劑量分布相對(duì)粗糙，不過(guò)計(jì)算速度非?？?。?

圖形尺寸補(bǔ)償則是通過(guò)縮小或增大每個(gè)圖形的尺寸，來(lái)補(bǔ)償局部能量過(guò)高或過(guò)低造成的影響，這種方法適用于簡(jiǎn)單且周期重復(fù)的圖形。?

背景曝光補(bǔ)償是通過(guò)二次曝光的能量疊加，使各處的能量分布達(dá)到均衡。該方法不需要計(jì)算能量分布，但可能會(huì)導(dǎo)致曝光圖形的對(duì)比度有所下降，適用于光柵掃描曝光系統(tǒng)。?

此外，最簡(jiǎn)單且有效的減少鄰近效應(yīng)的方法是提高電子束能量和減少電子束光刻膠厚度，但需要考慮到高電子束能量可能會(huì)對(duì)基底造成損傷和導(dǎo)致過(guò)熱的問(wèn)題。

應(yīng)用案例