1998年微 细 加 工 技 术№.2
第2期M icrofabricati on T echno logy1998电子束纳米加工技术研究现状 卢维美
(中国科学院电工研究所，北京100080)
【摘要】 纳米科学技术是80年代后期发展起来面向21世纪的高新技术，纳米
加工技术是制造量子微结构的主导技术。电子束纳米加工推动着微细加工技术的研
究向着分子、原子量级的纳米层次发展。本文重点介绍电子束纳米曝光技术的研究现
状及发展前景。
关键词：纳米技术；电子束曝光技术；研究现状
1 概 述
随着微电子技术的发展和应用市场的开发，对集成电路要求的集成密度越来越高，电路设计尺寸不断缩
小，从微米级到亚微米级深入到分子、原子量级的纳米级。预计在2000年0.25Λm到0.18Λm线宽的加工将得到普及和应用，集成电路将达到109吉级电路，生产出1GB的动态存贮器、每秒执行1吉条指令的微处理器和每秒1吉字节的通讯芯片，人们将实现在一个芯片上集成10亿个晶体管元件的超大规模集成电路的设想。到2010年将是0107Λm 线宽的加工能力，集成电路将迈进1012太极电路,0107Λm线宽加工促使器件的结构产生革新，一方面对材料的性能参数和加工工艺提出更高要求，另一方面也面临“一个极限问题”，迫使人们去探索及认识微细加工的极限，研究基本的曝光过程，探索未来下一代新的集成电路产品。应运而生的纳米加工技术的出现及发展，必将在微电子学领域中引起巨大的技术开拓，例如量子效应的出现将会导致器件的革新。随着器件尺寸进一步缩小，一旦电子运动的空间被限制在德波罗意波长(几十纳米)时，各类器件便按量子力学规律运行，即电子移动呈现低维性，由三维宏观系统变为二维甚至0维系统，形成超晶格层和量子结构。利用超晶格、量子阱、量子线和量子点等微结构所具有的各种量子化效应，设计和制作新一代的量子功能器件，如量子线、量子点激光器，高速逻辑和多值逻辑器件，高速开关器件及大容量的存贮器。传统的微电子学发展到纳米电子学，这是目前相当活跃的新的研究领域〔1,4〕。
按加工尺寸而言，微细加工技术可划分为：微米技术(1Λm以上)，亚微米技术(500nm ～100nm)，纳米技术(100nm～1nm)，原子技术(1nm～011nm以下)，纳米微结构一般指结管仲相齐
收稿日期:1997—12—18
构尺寸从几nm到几十nm的低维量子体系。硅的微加工工艺技术的进步以及微细束加工技术的日渐成熟，人们常用M B E、M OCVD、X射线、离子束、电子束等技术制备各类纳米量子微结构。电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段，是生产及研制集成光学器件、更高频的FET器件、量子效应器件以及超微细曝光的主导技术之一，以下主要介绍电子束纳米曝光技术发展和研究现状，并简单介绍电子束纳米诱导表面淀积技术和电子束全息干涉纳米曝光技术。
2 电子束纳米曝光技术发展和研究现状
电子束纳米曝光的核心问题是设计一个高分辨率的电子光学系统，使其具有高质量的纳米曝光能力。最初人们用改进的扫描电子显微镜(SE M)，理论上可以将电子束聚焦到10nm 以下，由于邻近效应等因素的影响，在抗蚀剂上图象的分辨率往往大于10nm。另一方面，采用扫描透射电子显微镜(ST E M)和扫描隧道显微镜(STM)作为曝光手段。如剑桥大学工程系和I BM公司T1J1沃森研究中心合作在JEOL的JE M40000E透射镜(T E M)设备的基础上增加双偏转扫描系统，以及I BM的PC图形发生器改制成ST E M，用L ab6阴极和350kV甚高加速电压，在样品上高斯束斑的最小值为5014nm，加工出线宽小于10nm的金属微结构〔2〕。用ST E M作为电子束纳米曝光设备，一般场深很小(几百nm)，由于样品表面不平度和工件台运动时偏摆，当样品随工件台移动时，很难保持电子束在样品上的最佳聚焦状态。英国格拉斯哥大学纳米电子学研究中心，在JEOL100CX ST E M设备上安装双频激光外差干涉仪，检测样品相对于物镜之间工作距离的变化，把所对应的测量干涉信号，送到聚焦控制电路中检测
及信号处理电路，最后送到主透镜的控制电路，接到物镜线圈，动态校正电流值，从而达到最佳聚焦状态。该设备场深是200nm，加速电压100kV时，束径是2～3nm，束流是10～15PA，在硅基片上加工出线宽38nm周期光栅图形〔3〕。
图1 STM作图原理图
1982年,I BM公司苏黎世实验室的G1Bm n ing博士和H1Roh rer博士发明了STM，人类第一次能够观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为，了解有关物理及化学性质，人们发现STM探针在电子抗蚀剂表面上移动时可以产生曝光效应。STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，工作时探针和样品之间的间距小于1nm，用压电陶瓷作为高精度三维扫描控制器，控制探针对样品扫描作图(见图1)。探针和样品之间一般加几伏电压，此时间隙间产生隧道电流，用电子反馈电路控制隧道电流的恒定。由于探针充分接近样品，在其间产生一高度空间限制的电子束，因此电子成象时STM具有极高的空间分辨率，横向可达1nm，纵向优于0101nm，在抗蚀剂上的曝光仅仅是一次束的相互作用而产生的，因而能加工出更精细的图形。在纳米加工领域中,STM的应用和研究已涉及到表面的直接光刻、电子束微区辅助淀积和刻蚀、掩模的修补，进一步深入到对表面单个原子进行操纵，以及对抗蚀剂的曝光机理进行研究诸多方面的工作〔1〕。日本松下公司最早用STM制作10nm高质量硅量子线,1994年在瑞士召开的国际纳米工程会议上，首次展示用STM探针制作的晶体管单元电路。
由于STM曝光速度低，目前仅限于制作很小尺寸的单个器件，尚未在生产上实用。但是STM是目前实现10nm以下的原子及分子操纵，以及提供具有纳米尺度低能(20eV以下)电子的唯一手段，是纳米科学技术研究热点，在材料科学、生命科学等领域有着极其广阔的应用前景。
在研制新型的电子源方面，如采用L aB6和热场致发射(T FE)的高亮度长寿命阴极，提高阴极发射电流密度。70年代中期各大公司着手于T FE阴极的制备及机理的研究工作，历经十多年的实验研究,T FE在电子束曝光设备上的应用日趋成熟。1988年美国I BM公司研制成功用低逸出功的锆钨阴极(Zr O W)热场致发射电子源曝光设备，在20nm束尺寸下，束流密度高达2600A c m2，电子源亮度达到9×107A c m2sr,40小时束流稳定度到千分之一，阴极使用寿命大于4000小时，因而开拓了T FE阴极在电子束纳米曝光设备中的应用〔5〕。电子束纳米曝光另一方面重要工作是研制新型高分辨率的抗蚀性优良的电子抗蚀剂，一般PMM A 的灵敏度从几十到200Λc c m2,Sh i p lay公司新近研制的SAL601型高分辨率化学放大负抗蚀剂，灵敏度是2～3Λc c m2。加工微小结构如量子点，用化学放大负抗蚀剂有明显优点，因为负抗蚀剂可以直接作为掩模刻蚀〔6〕。文中报导用束径2nm的SE M，在Si基片上涂复SAL601型负抗蚀剂并进行刻蚀，得到线宽20nm，高20nm的抗蚀剂图象，并试图进一步研究点图形分辨率极限。有机抗蚀剂中金属氧化物、金属卤化物有高的灵敏度及耐干法刻蚀性，是纳米加工中最有潜力的抗蚀剂。
圆形电子束和成形电子束曝光目前仍然是电子束曝光技术中主导加工技术，成形电子束曝光机目前达到的最小分辨率一般大于100nm，广泛地用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域，深入到纳米量级曝光尚有距离。圆形电子束曝光机的最高分辨率可达几nm。
最近报道的电子束投影曝光技术和微电子光柱曝光技术引起人们广泛的兴趣，电子束投影曝光技术通
过转写掩模对样品曝光，把光学投影曝光高生产率的特点和T E M均匀照射的技术二者结合起来，是目前最有希望高效率的掩模加工设备发展方向。日立公司针对012～013Λm水平UL S I电路而开发的HL2800D电子束投影曝光机，生产率是20片 小时。东芝公司和超大规模共同研究室共同开发的EX28D型机，用于0115Λm线宽1Gb it电路加工。富士通公司1997年报道的F5120型机，最小加工线宽0113Λm，生产率是15片 小时(8英寸圆
片)，但是目前都未进入到纳米曝光领域。80年代初期STM的发明，促使人们去深入探索电子束光柱微型化的工作,1989年I BM公司T1J1沃森研究中心报道在对准冷场致发射源扫描隧道显微镜(SA FE)基础上，增加一级束成形透镜构成的微电子光柱，由于电子源采用场致发射尖端，在低电压下得到很高的亮度。微电子光柱主要特点是有极高分辨率，高电流密度及小的物理尺寸，主要用于线宽小于100nm纳米曝光领域。目前达到的水平是，在1keV时光柱长度是315nm，探针尺寸是10nm，束流大约为1nA。后来T1J1沃森研究中心和Co rnell 大学国家纳米加工研究所合作研制了阵列式微型光柱曝光系统，采用多束工作方式，每一个芯片上用多个微型光柱同时曝光，达到提高生产率的目的。微型光柱曝光技术目前处于实验研究阶段，例如微场致发射源及微电子的制作等高难技术有待攻克〔7〕。表1列出各类电子束曝光设备的性能比较〔8〕。
表1 各类电子束曝光设备的性能比较
设备类型特 点存在问题
ST E M高分辨率(～015nm)
高电流密度(场致发射源)
高加速电压(>100kV)小扫描场(控制范围受限)样品室小(加工容量受限)
坎儿井英文
圆形束 高控制速度，完全工艺化
大样品室(150mm×150mm)
中等分辨率215～8nm
中等加速电压一般≤50kV
成形束 高作图速度，高电流
生产效率较高
束尺寸(>100nm)
结构较复杂
投影曝光
并行的曝光方式(通过转写掩模对
芯片曝光)，生产效率高
畸变及覆盖精度很难控制
束间哥伦布干扰大
STM 极小的探针，高电流，结构简单
极高的空间分辨率(横向011nm
纵向<0101nm)
曝光速度慢尚未满足大规模生产要求
探针及样品间的干扰
微电子光 柱小的探针，高电流密度
用于阵列曝光
小扫描场，低电压，尚未使用
3 电子束纳米曝光设备研制现状
国际上几大公司在研制先进的电子束纳米曝光设备做了大量工作，前后推出多种机型。
(1)美国
I BM公司T1J1沃森研究中心从80年代初期就致力于电子束纳米曝光技术的研究，基本设计思想是采用矢量扫描方式圆形电子束曝光设备，经过多年不断改进，如提高机械稳定性和精度，在未级透镜用双层屏蔽外壳降低磁干扰等措施,1989年报道为解决特征尺寸小于100nm超高速FET电路及高精度微结构的制造，研制成功V S26型电子束纳米曝光机，用L aB6阴极，加速电压是15kV，最小分辨率是8nm，电流密度最大达500A c m2，拼接精度≤30nm，在氮化硅基片上加工出线宽70nm的图形〔9〕。后来M1A1Gesleg等人研制的场致发射
曝光系统(T FEL S)，经校正邻近效应后，在011Λm厚的PMM A上(灵敏度是150Λc c m2)加工出纵横比是8，特征尺寸小于75nm的线条〔5〕。从理论上说：当入射电子能量大于40keV 或者小于10keV时，邻近效应的影响减少，人们用高电压(100kV～350kV)电子束曝光技术，试图获得高的分辨率及加
工图形陡直的边壁。M1A1M cCo ro l等人研制的100kV热场致发射电子束曝光设备，束径30nm，加工出特征尺寸小于75nm，纵横比是10的X射线掩模，并继续深入对X射线曝光极限进行基础研究〔10〕。
ET EC公司1993年推出最新研制的光栅扫描式M EB ES2I V2T FE型电子束曝光机，在探讨电子束纳米曝光方面，重点放在光柱系统设计上，用Zr O W<100>场致发射阴极，以及低象差大孔径静电透镜，并装有自动阴极高温计监测阴极温度，经反馈控制电路得到稳定发射电流。并对该设备纳米曝光能力进行预测，当加速电压从10kV提高到100kV时，束斑尺寸从60nm减到8nm，干涉仪的分辨率从Κ 96提高到Κ 512，在25Λm2扫描场内条的拼接精度小于24nm〔11〕。
(2)日本
日本JEOL一直积极从事电子束纳米曝光机的研制，从实验机推进为商用机方面一直走在各公司前列,1985年首先成功推出兼有亚微米及纳米曝光JBX25D 型机，该设备完全由计算机控制，具有八种作图方式，用L aB6阴极，在50kV时得到的最小束径是8nm，在50nm 厚的PMM A抗蚀层上加工的最小线宽是20nm〔12〕。1987年又成功推出采用场致发射源的电
JBX25FE型机，用Zr O W阴极、光路中的可变焦透镜，调节透镜2和物镜之间的焦距改变束流，加速电压是50kV下取得最小束径小于5nm，在PMM A抗蚀层上加工出10nm线宽的图形〔13〕。接着1990
年又研制成功高精度高速度直接作图JBX26000L S 型商用机，光柱系统中用Zr O W阴极和有变焦距功能的三级透镜，设计了低象差物镜，使工作距离和光学路径最短，当源尺寸是30nm时，发射电流能量散度是1eV，在加速电压50kV 下，得到的最小束径是3nm。在30nm厚的PMM A抗蚀层和20mm厚的Si O2上加工出线宽分别是40nm和15nm的图形。该设备有双室工件台系统，纳米加工时，引入合适的气体(N2)进入到超高真空样品室，即产生电子束诱导表面反应而形成各种图形，其最小尺寸由探针的尺寸确定〔14〕。最新报道宽束径调节范围用于基础研究JBX25000L S系统，用L aB6阴极，束径变化从8nm到1Λm，该设备主要用于器件的研究及发展，纳米作图能力的最小线宽为20nm。
超大规模集成电路共同研究所(N T T)研制的应用于硅纳米加工的电子束曝光设备，其电子光学的设计同日立公司HL2700F型机兼容，用热场致发射阴极，加速电压从50kV提高到70kV，此时束径为6nm，采用480Λm×480Λm大偏转场，扫描速度100M H z，用YA G检测器及光波导检测背散射电子，比一般SSD检测器输出功率高100倍，响应时间是10n s，提高了检测精度。用ZEP520高灵敏度、高分辨率正抗蚀剂，再通过ECR等离子体氧化的图象反转工艺，加工出10nm的硅量子线〔15〕。
(3)欧洲
荷兰Ph ili p s公司也是最早生产圆形电子束曝光机的厂商,1988年报道用于研究与发展EB PG24HR型机用L aB6阴极，加速电压为50kV，最小束斑是12nm，德国F raunhofer学院用该设备进行X射线掩模
版纳米刻蚀，在厚350mm PMM A抗蚀层上加工出线宽45nm、间隔105nm的图形〔16〕。1990年推出EB PG25HR纳米曝光机，加速电压提高到100kV，束径小于
12nm，加工出直径30nm间隔200nm网状量子点尺寸测试图形。接着1993年发展了EB PG2 5FE型机，加速电压100kV，束径为10nm,D elft大学用该设备在GaA s上用A u Pd剥离工艺，加工出线宽小于20nm的线条图型〔17〕。
英国Cam b ridge仪器公司1990年报道有宽范围作图能力EBM L2300型商用机，用L aB6阴极，加速电压为50kV时束径25nm，加工线宽优于100nm。L eica Cam b ridge公司又开发了用于纳米曝光研究与发展的VB62HR型机。表2列出各国具有代表性的电子束纳米曝光装置的性能指标。
表2具有代表性的电子束纳米曝光装置的性能指标
局地战斗机装置名称厂 商公布年代JBX25FE
日本电子
1987
JBX26000FS
日本电子
1990
JBX25000L S
日本电子
1995
V S26
I BM
1989
EBPG25FE
PH I L IPS
1993
M EBES2I V2T FE
ET EC
1993
加速电压
(kV)
25 5025 5025 5025100100
阴极材料
Zr O W
(T FE)
Zr O W
(T FE)
L aB6
L aB6
Zr O W
(T FE)
Zr O W
(T FE)
束径(nm)5(m in)5(m in)8(m in)8108(m in)
束流密度(A c m2)
2000
(m ax)
50
70
400(m ax)
扫描场(Λm2)160×160
80×80
160×160
80×80
1500×1500
80×80
从700×700
仪用放大器到500×500
560×560
125×125
最大扫描速
度(M H z)
6126610160最小扫描
增量(nm)
2151125521553
拼接精度
(nm)
21(2Ρ)40(2Ρ)25(Ρ)30(2Ρ)1424(3Ρ)套刻精度
(nm)
16(2Ρ)40(2Ρ)15(Ρ)30(2Ρ)14
作图范围(mm2)150×150
150×150
200×200
120×120125×125125×125125×125
激光分辨率
(nm)Κ 1024
(5nm)
Κ 1024
(5nm)
Κ 1024
(5nm)
纯粹理性批判读后感
Κ 1024
(5nm)
Κ 1024
(5nm)
Κ 512
(10nm)
孔东梅的孩子工件台速度
(mm sec)
5(m ax)50(m ax)950
4 电子束诱导表面淀积技术
电子束诱导表面淀积技术是超微细加工中非常有前途的加工技术，是一种在液体或气体氛围下在材料表面形成各种微结构的方法，可以认为是在气体和液体氛围下的直接光刻。基
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