最新微细加工非光学光刻教学讲义ppt.ppt

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1、微细加工非光学光刻9.1高能束与物体之间的相互作用本节主要讨论X射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。一、X射线与固体之间的相互作用X射线光刻所用的波长在λ=0.2~4nm的范围，所对应的X射线光子能量为1~10keV。在此能量范围，X射线的散射可以忽略。X射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。能量损失与分辨率的关系分辨率取决于X射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个。当X射线波长为5nm左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率，其值即约为5nm。但在X射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因，波长取为

2、0.2~4nm，其相应的光电子射程为70~20nm。但是实际上这并不是限制X射线光刻分辨率的主要因素。后面会讲到，限制X射线光刻分辨率的主要因素是掩模版的分辨率，以及半影畸变和几何畸变。3、光刻胶完成曝光所需的能量密度设g0为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交联或降解）数，即反应产率，则(1/g0)表示每发生一个反应所需的能量。单位体积光刻胶中的分子数可表为，其中NA为阿伏加德罗常数，M为平均分子量。则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为令光刻胶的实际能量吸收密度E(r,z)与完成曝光所需的能量密度E0

3、相等，即E(r,z)=E0，可以得到一个等能量密度曲面。显然，在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应，显影时将全部溶掉（以正性胶为例）。所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓。电子束显影后(1)首先，假设入射电子束的分布是函数，即单位冲击函数，其具有如下性质，4、计算能量吸收密度E(r,z)的方法(2)然后，利用Monte-Carlo法模拟，得到下图的结果通过模拟计算，发现有以下特点，a、β>>α，所以背散射是影响分辨率的主要因素；b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；c、入射电子初始能量E0的影响是：对ff，E0越大，则α越小

4、；对fb，当E0增大时，β先增大，然后减小；d、低原子序数材料中的散射一般要小一些。(3)对此模拟结果进行曲线拟合，可得到近似的分析函数，为双高斯函数，即(4)当入射电子为任意空间分布函数时，其吸收能量密度是与的卷积积分，例如，当电子束分布为高斯圆形束时，式中，为高斯电子束的标准偏差。(5)胶层等能量密度剖面轮廓实际的曝光图形，既不是函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和，如下图所示。设电子束的束流为IB，在每个点上停留的时间为t，则每个束斑上的入射电子数为(IBt/q

5、)，每个束斑产生的吸收能量密度为则在离线条距离为x的点P下面深度为z处的能量吸收密度为用上述模拟方法对硅上的PMMA胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，模拟结果实际结果5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的邻近效应。对于一个其线度L远大于电子散射范围R的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，能量密度内邻近效应互邻近效应无散射时内邻近效应互邻近效应邻近效应的后果(1)对L>>R的孤立图形，使边缘模糊。(2)

6、对L<=R的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来。(3)对间距a<=R的多个图形，使间距变小，甚至相连。减小电子邻近效应的方法减小入射电子束的能量（因β随E0先大后小），或采用低原子序数的衬底与光刻胶。修正电子邻近效应的方法电子束图形曝光显影后有邻近效应几何修正剂量修正离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、激发、电离、电子发射、二次离子发射等。这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于集成电路制造技术的入射离子能量范围为三、离子束与固体之间的相互作

7、用刻蚀、镀膜：<10keV曝光：10keV~50keV离子注入：>50keV9.2直写电子束光刻系统电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。质量m和加速电压Va越大，则波长λ越小。电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系又由代入波长λ中，得考虑到相对论效应后，λ应修正为电子束曝光的加速电压范围一般在Va=10~30kV，这时电子波长λ的范围为0.012~0.007nm。将h=6.62×10-27erg/s，q=4.8×10-10绝对静电单位，电子质量m=9.1×10-27g代

8、入，得电子束本身的分辨率极高，可以达到0.01m以下，但是在光刻胶上一般只能获得0.1m左右的线宽。限制电子束曝光分辨率的因素有，1、光刻胶本身的分辨率2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应3、对准问题电子束曝光方式