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本文是一篇针对电子束光刻技术的介绍文章，本文不仅介绍了电子束光刻的原理还介绍了工艺流程 ，案例 和 一些 常见的 名词概念和意义。

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几种曝光方式的对比 

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摘要

电子束光刻 (EBL) 是在各种材料上写入微米和纳米结构的首选工具之一。这主要是因为现代 EBL 机器能够在高达 mm 2 的区域上写入纳米尺寸的结构。本贡献的目的是提供这种极其灵活的纳米制造技术的技术和实践背景。

介绍

电子束光刻 (EBL) 是让我们能够创建纳米级图案的关键制造技术之一。EBL 工具的开发始于 20 世纪 60 年代末（参考文献¹ ），通过修改扫描电子显微镜 (SEM) 的设计来实现。EBL 的工作原理相对简单，与光刻非常相似：聚焦电子束在覆盖有电子敏感材料（抗蚀剂）的基板上扫描，该材料根据电子束沉积的能量改变其溶解度特性。根据抗蚀剂的色调，曝光或未曝光的区域通过显影去除。自从 Hatzakis ²于 1969 年发现聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA ) 作为电子抗蚀剂以来，EBL 已被用于制造各种器件，从集成电路生产³ , ⁴ , ⁵到光子晶体⁶ , ⁷ , ⁸ , ⁹至纳米流体实验的通道。 ¹⁰ , ¹¹为了让读者有基本的了解，本文分为三个部分。在秒。参见图2 ，给出了典型EBL系统的简要描述，而Sec.图 3解释了术语并概述了获取模式所涉及的步骤。第4节将在整篇论文讨论的基础上展示一个简化的工作示例。假设读者具有标准光刻工艺的基本知识（例如，请参阅参考文献12的第 1 章）。

电子束系统

根据电子束的扫描方式，可以识别 EBL 系统的两个主要类别，如图1示意性所示。第三类目前主要涉及实验系统，其电子束通过不同类型的模板投射到基板上。 ¹³由于多种原因，本文的讨论仅限于高斯光束工具；特别是，它们在学术纳米制造环境中绝大多数是最常见的，可以说它们对于研究目的是最灵活的，并且它们提供低于 5 nm 的最高空间分辨率。 ¹⁴

根据光束形状对 EBL 系统进行分类

典型的 EBL 系统与 SEM 非常相似。SEM 和 EBL 之间的主要区别在于，在 EBL 中，光束根据来自图案生成器的指令扫描到样品上，而在 SEM 中，光束在样品上进行光栅扫描，以收集二次电子形成图像。如图2所示，EBL示意性地由腔室、电子枪和镜筒组成。通过一组合适的泵将柱和室保持在高真空中。该柱包含产生电子束、将其加速到工作电压、打开和关闭电子束、聚焦以及根据要写入的图案的要求偏转电子束所需的所有电子光学元件。样品通常通过负载锁加载到主室中，并且通常放置在干涉台上以精确定位工件。图2未显示计算系统、模式生成器、操作员界面以及控制和操作机器所需的所有电子设备。由于 SEM 和 EBL 之间非常相似，SEM 镜筒通常会转换为光刻系统。 ¹⁵ , ¹⁶ EBL 工具的一些供应商是参考文献中的供应商。 ^{17、18、19 。}

典型的 EBL 系统由腔室、电子枪、包含聚焦、扫描以及打开或关闭电子束所需的所有电子光学器件的镜筒组成。

最大加速电压是转换后的 SEM 和 EBL 之间的主要区别之一。前者的工作电压通常高达 30 kV，而后者的工作电压则高达 100 kV。通常，EBL 和改装的 SEM 之间存在的价格差异约为 2 倍：EBL 的成本超过 2,000,000 美元，而改装的 SEM 的售价约为 1,000,000 美元。多种技术解决方案证明了价格差异的合理性，这些解决方案使专为光刻设计的机器在光刻性能方面远远优于改装的 SEM。尽管如此，改装后的 SEM 是使用此类图案工具的经济高效的解决方案。

术语和概念工作流程

在详细了解 EBL 实际涉及的每个步骤之前，为了避免混淆，有必要介绍一下该领域使用的一些术语

。

书写区域：是在载物台不移动的情况下暴露的最大区域，典型尺寸从几十微米到几毫米。视场大小通常由操作员决定，其选择是最小化载物台移动和从系统获得所需分辨率之间的权衡。

曝光元素：每个写入域被细分为固定数量的曝光元素（ EXEL ），由每个工具上安装的特定主数模转换器（DAC）决定；因此，较小的字段可以更好地定义更精细的特征。例如，15 位 DAC 将每个场细分为每侧32 768 个 EXEL 的写入网格，这意味着对于 327.68 μm 的场，EXEL 尺寸为 10 nm。

缝合：如果图案尺寸使得曝光需要多个写入区域，则通过载物台移动将这些区域缝合在一起。拼接的精度取决于平台的质量，干涉控制的平台通常比机械平台提供更好的结果，取决于系统及其环境的稳定性（即温度、湿度和噪声控制），还取决于实施了特定的软件，可以补偿不同类型的漂移。

曝光剂量：单位面积上沉积的能量的量。由于在单次曝光期间加速电压和电子束电流是固定的，因此剂量实际上以每单位面积沉积的电流μC cm -2来测量。每次曝光的剂量主要取决于所使用的抗蚀剂以及所写入图案的密度和尺寸。

系统时钟：也称为写入速度。它是波束驻留在 EXEL 上的时间的倒数，例如 47.832 MHz 或 500 kHz。时钟数字越高，曝光越快。每个工具的特点是其最大写入速度，这取决于机器本身安装的硬件。商业系统的最高速度范围为 1 至 50 MHz。例如，以 10 MHz (10 7 s -1 ) 运行且 EXEL 为 1 nm (10 -9 m) 的机器上的光束以 10 mm/s 的速度移动。

邻近效应：由于电子一旦进入基底就会经历多次弹性和非弹性散射事件，因此有限的能量会沉积在距所需区域几微米远的地方。 ²⁰这会产生开发时显露的不需要的特征∕几何形状。邻近效应可以通过使用专门开发的软件来校正。较高的加速电压有助于减少邻近效应。

束流：它定义每秒有多少电子撞击样品。它的值影响最大可获得的分辨率；由于空间电荷密度问题，高电流电子束的物理尺寸往往大于小电流电子束。通常，高分辨率工作是在 0.05 至 0.5 pA 的电流范围内完成的。

获得 EBL 图案化样品所需的逻辑和实际步骤取决于用于图案化的特定系统，特别是在数据转换方面，因为这可能会在曝光之前即时自动完成。一般来说，工艺流程概述如下。

概念设计

在实验室开始任何工作之前，必须设计最终设备。一般来说，精确定义最终几何形状并明确确定最终器件的关键尺寸和总体尺寸非常重要。该信息转化为需要什么写入区域和什么束流。在制造最终器件所需的完整处理过程中考虑 EBL 步骤非常重要，因为这可能会影响抗蚀剂类型和色调、剂量、牺牲层沉积等的选择。在此阶段结束时，整个器件制造的全套参数应该很清楚。

CAD设计

要曝光的图案是通过合适的CAD软件包设计的。这种设计的行业接受的格式是 GDSII 文件²¹ ，并且大多数可用的CAD软件包都能够生成 GDSII 格式的文件，即使该软件可能无法在内部处理 GDSII 文件。有多种选项可供选择，包括免费的和出售的，例如，参见参考文献。 ^{22、23、24、25 。}

转换和邻近校正

曝光前需要一个称为压裂的过程。在此过程中，专有软件转换器将 GDSII 数据转换为机器可处理的文件，其中包含图案生成器根据图案数据文件的要求引导和扫描光束所需的所有指令。为了校正邻近效应，在数据文件上运行软件，根据其中实现的物理模型校正曝光剂量。EBL 曝光并不总是需要邻近校正，因为操作员经验有时可以补偿邻近效应。此外，该模式的本质可能使得校正变得不必要。一旦数据文件被转换并处理邻近效应（如果需要），它就会被传输到模式生成器的内存中。

 样品制备

准备 EBL 样品需要注意，因为所需特征的尺寸低于 100 nm。这需要在国际标准组织 (ISO) 5 级或更好的清洁环境中工作，并在所有准备和后续阶段小心处理样本。由于电子束的焦深有限（几微米），EBL 基板必须具有平坦的表面，而该表面又必须完全垂直于入射束。这是通过使用精心加工的样品支架来实现的，其中样品通过运动安装座固定。一些系统允许样品的表面高度校正（通过激光束测量），但这适用于约±50μm的范围。典型的样品制备程序概述如下：

(1)用温丙酮清洗（45–50 °C，5 分钟）；

• 快速用冷丙酮冲洗，然后用异丙醇 ( IPA ) 冲洗；

• (3)在氮气下吹干；

• (4)抗沉积和烘烤。

应在概念设计阶段选择抗蚀剂，以符合后续制造步骤的要求。由于在电子束光刻过程中，样品受到精细聚焦的高能电子束的强烈照射，因此它们需要电气接地，以避免充电效应，从而导致图案精度损失。通过在基板和抗蚀剂层之间或抗蚀剂顶部沉积薄金属层（通常为 10-30 nm 厚的 Al 或 Au），可以成功曝光绝缘基板。样品准备好后，将其安装在样品支架上，然后将样品支架转移到真空室中，准备曝光。

例子

一系列 1000 个纳米通道，每个通道宽 80 nm，深 300 nm，间隔 1 μm，长 1 mm，由抗蚀剂制成，必须以 EBL 方式写入硅晶圆上以用于纳米流体。因此，图案的总尺寸为1000×1000μm ² 。可用的 EBL 系统具有一个 16 位容量的主 DAC，运行电压为 100 kV，并配备了干涉级。给定DAC容量，主写入字段每侧分为2 ¹⁶ =65 536个EXEL。为了对通道进行合理的定义，至少需要十个EXEL。因此，可接受的最大EXEL尺寸为8nm，这意味着写入域为8nm×2 ¹⁶ =524.288μm，这又意味着必须将四个写入域缝合在一起。因此，使用L-Edit（参考文献²⁴ ） CAD软件，使用矩阵复制功能，在500×500μm ²区域中设计图案，并通过专有转换器将其转换为EBL特定格式。认为没有必要进行接近校正，因此不进行接近校正，并且将图案文件传输到主EBL计算机中。由于掺杂硅的导电性足以避免充电效应，因此样品没有金属涂层。将基材在热丙酮中清洗5分钟，在冷丙酮和IPA中漂洗，并在氮气流下吹干。通过旋涂沉积 300 nm 厚的 PMMA 层，并将样品在热板上于 170 °C 下烘烤 5 分钟。为了建立最佳处理条件，首先写入剂量矩阵（也称为剂量阵列）。该图案以 4×4 几何阵列形式曝光，单个 524。288 μm 视野，每个点具有不同的剂量，范围从 200 到 1400 μC cm ² 。然后将样品在甲基异丁基酮和 IPA（体积 1:3）溶液中在 21 °C 下显色 1 分钟，然后在 IPA 中冲洗并在氮气下小心吹干。SEM分析表明最佳剂量为920 μC cm ² 。在此剂量下，所有通道均完全显影，侧壁垂直且光滑，并且通道底部没有光刻胶残留物。然后在与上述完全相同的条件下制备另一个样品。该作业设置为曝光 4524.288 μm 场，在 X 或 Y 方向移动载物台 500 μm，以便在 920 μC cm ²下获得 1×1 mm ²总写入面积。曝光完成后，按照上述方法对样品进行显影，并在 SEM 下检查质量