吳文濤，王振亞，徐 磊

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210016)

基于NBL電子束曝光系統(tǒng)合軸研究

吳文濤，王振亞，徐 磊

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210016)

詳述了電子束曝光系統(tǒng)的原理、種類、系統(tǒng)的構成和合軸的原理，以及如何使NBL(微納投影)電子束曝光系統(tǒng)更好、更快地進行合軸，從而使NBL電子束曝光機處于最佳工作狀態(tài)。

電子束；曝光系統(tǒng)；微納投影(NBL)；合軸

在過去的幾年中，半導體技術取得了飛速的發(fā)展，已正式進入納米階段，因為圖形曝光技術、材料刻蝕技術、薄膜生成技術、離子注入技術和粘結互連技術等領域相關的半導體加工技術取得了飛速發(fā)展。在這些加工技術中，圖形曝光技術是半導體制造技術發(fā)展的主要推動者，由于曝光圖形的線條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成本持續(xù)降低[1]。

電子束曝光技術是光刻技術的延伸，是指利用某些有機聚合物對電子敏感的特性，將其加工成精細掩模圖形的曝光技術。它是近些年才發(fā)展起來的集電子光學，精密機械，超高真空，計算機自動控制技術于一體的新興技術[2]。

1 電子束曝光的原理和優(yōu)缺點

1.1 電子束曝光系統(tǒng)的原理

電子槍的陰極發(fā)射電子經(jīng)加速極，柵極共同作用后，在陽極孔附近由于電磁透鏡徑向場的向軸作用力匯聚成極細的電子束，再由物鏡將它投射到工件表面上，計算機將微型電子器件上復雜而精細的圖形，轉換成數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綀D形發(fā)生器，由圖形發(fā)生器控制束偏轉器和束流的通斷在工件上曝光出圖形[3]。

1.2 電子束曝光的優(yōu)缺點

（1）電子束曝光的分辨率高，電子束曝光在較高的加速電壓情況下，可以得到較小的束班，取得較高的分辨率，較高的分辨率可以提高器件的性能和可靠性。

（2）與傳統(tǒng)的光刻曝光相比較，曝光圖形精度優(yōu)良，電子束的焦深很深，不受工作樣品的表面光潔度的影響，可以制造出光學曝光不能制造的器件。

（3）電子束曝光設備的資金投入小，曝光的圖形容易改變和修整，非常適合小批量，高性能，圖形復雜的器件的研發(fā)。

（4）電子束曝光會產(chǎn)生較嚴重的鄰近效應，一定程度上會影響圖形的分辨率和圖形的精度。

（5）生產(chǎn)率較低，為了提高生產(chǎn)率，人們做出了巨大的努力，使電子束曝光的生產(chǎn)率有了很大的提高，但相對而言，它的生產(chǎn)率還遠遠低于光學曝光[4]。

2 電子束曝光系統(tǒng)的種類

2.1 基于改進掃描電鏡（SEM）的電子束曝光系統(tǒng)

由于SEM的工作方式與電子束曝光機十分相近，最初的電子束曝光機是在SEM的基礎上改裝發(fā)展起來的。掃描電鏡光學系統(tǒng)一般是由電子槍、對中線圈、聚光鏡、物鏡光闌、物鏡線圈、掃描線圈、消像散器等構成，這種電子束曝光系統(tǒng)是電子從電子槍發(fā)射出來，通過聚光鏡和物鏡的聚焦獲得極細電子束；聚焦電子束受到電磁線圈的控制，使電子束能夠通過聚光鏡、物鏡光闌和物鏡等部件最后達到樣品表面的曝光系統(tǒng)[5]。

2.2 高斯電子束曝光系統(tǒng)

高斯電子束掃描系統(tǒng)分為矢量掃描方式和光柵掃描方式。

矢量掃描方式曝光是先將曝光圖形分割成不同的場，在掃描場內(nèi)，以矢量方式從一個單元圖形跳到另一個單元圖形，逐個對單元圖形進行掃描，完成一個掃描場描繪后，移動工件臺再以同樣的方式進行第二個場的掃描，直到完成全部圖形的曝光。

光柵掃描方式采用高速掃描方式對整個圖形場進行掃描，利用快速束閘，實現(xiàn)選擇性曝光[6]。

2.3 成型電子束曝光系統(tǒng)

成形電子束曝光系統(tǒng)按束斑性質可分成固定和可變成形束系統(tǒng)。

固定成形束系統(tǒng)是指采用特殊設計的成形光闌，在成型光闌的作用下形成三角形、梯形、圓形及多邊形等在曝光時尺寸始終不變的束斑形狀。成型束的最小分辨率比其它曝光系統(tǒng)的分辨率要低些且有束斑尺寸整數(shù)倍時會產(chǎn)生重疊區(qū)，但曝光效率高，目前廣泛用于微米、亞微米及深亞微米的曝光領域如用于掩模版制作和小批量器件生產(chǎn)等。

可變成形束系統(tǒng)在曝光時束斑形狀和尺寸可不斷變化。電子束經(jīng)第一方光闌后形成一束方形電子束，再照射到第二方光闌上。該像由成型偏轉器上加上不同的電壓，就能改變穿過下方光闌的束斑的尺寸和位置，形成可變的成形束斑[7]。

2.4 投影電子束曝光系統(tǒng)

現(xiàn)有電子曝光系統(tǒng)雖能得到極高的分辨率，但相對于光學曝光，其生產(chǎn)率仍比較低，為了進一步提高生產(chǎn)率，近年來正在研發(fā)投影電子束曝光系統(tǒng)。它通過由特殊薄膜構成的掩模，經(jīng)過不同的光闌孔，形成需要曝光的圖形角度，再利用分布重復技術，形成所要求的圖形。既能使曝光分辨率達到納米量級，又能大大提高生產(chǎn)率，且不會產(chǎn)生鄰近效應[8]。

3 NBL電子束的介紹

NBL電子束曝光機是一款基于SEM電子束曝光系統(tǒng)的直寫設備，如圖1所示，它主要由主機、邏輯電路、高壓電柜、觸摸控制四個部分組成。

圖1 NBL電子束曝光機

3.1 NBL電子光學曝光系統(tǒng)的基本組成

聚光鏡部分由三級透鏡組成，用來匯聚電子槍發(fā)出的電子束，當電子束偏離第一級透鏡的焦點時，穿過光闌，束流中心周圍的電子被屏蔽，束流變窄變細，經(jīng)過第二級透鏡和物鏡進一步將束斑縮小，電子束經(jīng)過聚光鏡部分使束斑直徑非常小。

電子偏轉部分，通過圖形發(fā)生器和數(shù)模轉換電器去驅動SEM的掃描線圈，每個SEM線圈都包含4個繞組，通過計算機送出的數(shù)字量轉換成相應的模擬量，通過線圈電流的大小變化來控制電子束向X和Y軸兩個不同方向的偏轉，從而使電子束偏轉。一方面使束流進入最后一級透鏡時損失最小，另一方面使電子束在子場內(nèi)不同區(qū)域完成曝光。

圖2 NBL電子光學柱簡圖

3.2 NBL電子束合軸原理

由于有限的加工精度和裝配精度，以及其它不確定因素的干擾，因此裝配好的電子束曝光系統(tǒng)的同軸性通常達不到要求，所以為使一臺NBL電子束達到最佳曝光性能，必須進行嚴格的合軸調(diào)整，對電子束曝光系統(tǒng)的合軸要求是：

（1）電子槍產(chǎn)生的電子束軸線與聚光鏡部分對稱軸重合，使得電子槍電流密度在試樣上對稱而又均與分布。

（2）聚光鏡部分的對稱軸線重合，當調(diào)節(jié)任一聚光鏡激磁電流時，電子束只有孔徑角的大小變化，使得束斑只有大小模糊的變化，而沒有位置的偏移。

（3）偏轉部分軸線的重合，當物鏡調(diào)焦時，圖像只發(fā)生清楚和模糊變化，即圖像的旋轉中心與NBL的公共軸線不發(fā)生偏移[9]。

3.3 NBL電子束合軸調(diào)節(jié)順序

對于NBL電子曝光機來說，利用系統(tǒng)工具SEM，在Mainfield模式下，調(diào)節(jié)電子束的圓形光斑，通過機械合軸和電子合軸方式把電子束的圓形束班調(diào)節(jié)到SEM的中心，然后通過Lens中的wobber工具，利用電子光學的共軛關系，觀察mark的變化，最后調(diào)節(jié)電子束的電子偏轉部分，直到電子束曝光系統(tǒng)的各個部分與公共軸線完全重合，完成合軸工作。NBL電子束合軸調(diào)整流程圖如圖3所示。

3.3.1 電子槍的合軸

電子槍的合軸是NBL電子束合軸調(diào)節(jié)的第一步，也是后面所有合軸的基礎。

圖3 NBL電子束合軸流程圖

（1）移出電子束光闌，使得電子束曝光系統(tǒng)的視場變的最大，電子束不再通過光闌孔到達基片表面。

（2）設置聚光鏡部分的激勵電流為零，使電磁透鏡不再起聚焦的作用，消除電磁透鏡對電子束的聚焦約束作用。

（3）設置電子偏轉線圈的電流為零，消除對電子束兩個方向的偏轉作用。

通過以上步驟，消除一切電子束從電子槍陰極發(fā)射出來后到達基片過程中的一切影響后，通過觀察電子束在基片上的圓形光斑是否在NBL的虛擬中心來判斷電子束的中心，如果電子束的光斑偏于虛擬光斑之外，可以通過調(diào)節(jié)電子光學柱上的4個定位螺絲和通過改變aligner的X，Y值的大小一起把電子槍的中心調(diào)節(jié)到光學柱的中心。

3.3.2 聚光鏡的合軸

電子束的聚光鏡采用的是軸對稱電磁場，它對帶電粒子具有聚焦作用，如果聚光鏡部分的各種透鏡的軸線不重合，這會出現(xiàn)各種有害的像差，嚴重時甚至超過規(guī)定的視場范圍，給使用和調(diào)試帶來不變。在NBL的移動平臺上，有一個金屬聚焦小模塊。稱之為mark，它的作用是在整個合軸系統(tǒng)中作為合軸的參照物。借助于SEM的工具，在不斷的改變聚光鏡的激勵電流的大小和調(diào)節(jié)光闌的位置，直到像只有清晰和模糊的變化，而沒有像的位置改變，如圖4所示，在NBL中wobber狀態(tài)下，mark在原地做心跳式變化，而沒有位置的跳動。

圖4 在wobber工具下的mark

3.3.3 偏轉部分的合軸

對于NBL來說，在NBL的移動平臺上，有一個金屬模塊。它由11個階梯組成，每個階梯相差0.11 mm，每個都有一個固定的聚焦小模塊，它的主要作用是與不同高度的片盤相適應，第一個小模塊處于最高的位置上，并且它最接近法拉第杯，當調(diào)節(jié)偏轉部分的合軸電流時，只有焦點位置的變化，表明偏轉部分的中心也在公共軸線上。圖5所示是NBL選用的mark6，在測量此合軸時，NBL在mark3到mark8不同高度之間測得mark6的焦點，但焦點的變化是線性關系，表明電子束聚焦在mark6時，通過改變偏轉部分的電壓時，mark6的圖像只有清楚和模糊的變化，而不會發(fā)生位置的偏移和旋轉。

圖5 mark6的焦點位置圖

3.4 NBL的自動合軸調(diào)節(jié)

在電子槍合軸，聚光鏡合軸，電子偏轉合軸完成后，對于NBL來說，只是完成了初步合軸。進一步的精密合軸將由所編程序進行完成，在程序合軸中，Aligner x，y，Lens2，Lens3，將不斷反復的進行微調(diào)，以滿足NBL曝光所需要的誤差值。再進行光闌的調(diào)試，確保光闌在控制電路的配合下，能完成對電子束的通斷功能，并且通過法拉第杯測量電子束的基片電流，以便算出所需的曝光時間，在進行合軸時，電子束在不同的主場和子場中，不停地做納米級微位移，通過mark不斷測量和計算合軸的誤差數(shù)據(jù)，最終達到設備所要求的誤差范圍內(nèi)，如圖6所示，整個NBL電子曝光系統(tǒng)的合軸才算最終完成。

圖6 NBL電子束合軸完成圖

4 結 論

要使一臺電子束曝光機處于良好的工作狀態(tài)，整個聚焦成像系統(tǒng)的合軸調(diào)試是十分重要且需要反復進行的復雜工作，本文主要根據(jù)所使用NBL電子束曝光設備，在進行NBL設備合軸調(diào)試過程中，總結出電子束合軸包括電子槍合軸，聚光鏡合軸和電子偏轉系統(tǒng)合軸的過程和原理，在進行合軸時，可以更好更快地調(diào)節(jié)到所需最大的束流和最佳的交叉斑直徑，大大提高了合軸的效率。

[1] 王振宇.電子束曝光技術及其應用綜述[J].半導體技術，2006，31(6)：418-422.

[2] 劉明.電子束曝光技術發(fā)展動態(tài)[J].微電子學，2000，30(2)：117-120.

[3] 顧文琪.電子束曝光微納加工技術[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2004.

[4] 肖士樟，冉啟鈞.電子光學應用[M].成都：電子科技大學出版社，1995.

[5] 劉俊彪.基于SEM納米級電子束曝光機的快速束閘設計[J].晶圓加工設備，2008，10(2)：10-13.

[6] ohta H Matsuzaka T.，Santon N.New optical column with large field for nano-meter e-beam lithography system[A]. Ptoc SPIE2437[C].Bellingham：SPIE，1995.

[7] 吳克華.電子束掃描曝光技術[M].北京：宇航出版社，1987.

[8] 顧文琪，張福安.一種新型的具有角度限制的電子束曝光技術[J].微納電子技術，2002，39(4)：37-41.

[9] 肖士樟，冉啟鈞.電子光學應用[M].成都：電子科技大學出版社，1995.

Study on the Coincidence of the Electron Beam Exposure System Based on NBL

WU Wentao，WANG Zhenya，XU Lei

(The 55ndResearch Institute of CETC，Nanjing 210016，China)

This paper introduces the principle and types of electron beam exposure system，and the principle of coincidence，and how to make the NBL（Nano Beam Lithography)electron beam exposure system better，faster of coincidence，so that the NBL electron beam exposure machine in the best working condition.

Electron beam；Exposure system；NBL（Nano Beam Lithography）；Coincidence

TN305.7

A

1004-4507(2016)12-0025-06

2016-12-04