电子束光刻的参数优化及常见问题介绍

本文从光刻图案设计、特征尺寸、电镜参数优化等方面介绍电子束光刻的参数优化，最后介绍了一些常见问题。

“电镜的电压、束流、工作距离等参数在电子束光刻中起着至关重要的作用。通过合理选择和优化这些参数，可以实现更好的成像效果、加工精度和效率。此外，在电子束光刻中，电子束像散、聚焦不良以及曝光参数的合理控制都对加工效果有重要影响。通过定期维护设备、优化操作流程和校准系统，可以有效减少这些问题带来的负面影响。”

电子束光刻的整个图案生成过程包括从最初的图案概念到使用电镜实际书写的整个过程。虽然使用 CAD 界面定义图案元素的形状、大小和位置的图案设计相对简单，但在布局时应考虑到书写系统的某些限制。除设计外，还需要调整一些电镜参数，以便正确配置系统参数，如工作距离、加速电压、束流或束斑大小。最后一步是通过适当的优化和样品放置来正确设置电镜。

1 图案设计

使用设计程序，最常见的是CAD类型，可以构建任何形状并与书写软件连接。如前所述，图案设计会受到一些限制，例如书写区域的大小和特征本身。同样重要的是，要考虑电子束是如何实际暴露光刻胶的，以及这带来的限制。设计图案时的另一个考虑因素是特征的密度。这种现象被称为邻近效应，是书写高密度图案时的一个重要因素。例如，与书写单个点或低密度阵列相比，高密度点阵列所需的曝光剂量更低。

备注：电子束光刻中的邻近效应是指在进行微纳米级图案加工时，由于电子束的散射和传输效应，导致图案边缘处的曝光剂受到影响而产生的现象。

邻近效应通常包括以下两种：正向邻近效应：在正常情况下，靠近暗区（未曝光区）的亮区（已曝光区）图案的边缘会受到暗区的影响而变窄或形变。这是由于暗区的边缘会发生电子束的漫反射，导致曝光剂在边缘处的吸收变强。负向邻近效应：与正向邻近效应相对，靠近亮区的暗区图案边缘会因为亮区的影响而变宽。这是由于亮区的边缘处会有电子束的主要透射，使得暗区边缘所需的曝光剂量减少。

写入区域的大小由电镜的放大倍率决定。精细特征通常可以通过50 × 50 µm2 到 200 × 200 µm2 的写入区域大小来实现，具体取决于电镜的类型，每种电镜型号通常都有特定的放大倍率值，可以在该设备内提供最佳信噪比。

如果需要大面积的精细特征，可以将几个区域定位，使区域边缘相互对齐，这就是通常所说的拼接。除非小心谨慎，否则图案的边缘会因平台运动的不规则而不匹配。然而，使用对准程序，可将这些不规则性最小化到20nm。根据图案的用途，这种误差通常是可以接受的。

2 特征尺寸与点间距

图案设计的另一个重要限制是特征的尺寸，这受到光刻胶分辨率和电镜优化的限制。通过适当的电镜优化和高分辨率光刻胶，大多数W或LaB6 SEM 型号都能常规生成 50 nm 的特征，而FE SEM则能常规生成20 nm或更小的特征。

要想从任何光刻系统中获得最佳效果，尤其是在要求苛刻的研究应用中，了解电子束是如何移动以产生图案的非常重要。要产生最精细的线条，通常使用电子束的单次通过，它由相邻的曝光点组成，具有确定的中心到中心的距离。在这种情况下，中心到中心的距离必须设置为最终线宽的四分之一到一半（相邻曝光点充分重叠）。对于宽线或填充区域，将使用单独定义的线间距参数来控制相邻电子束通过之间的间距。

在先进的光刻系统中，用户可以独立调整中心到中心的距离和线间距参数，而在较为有限的系统中，只能为这两个参数提供单一参数。利用独立间距的一种应用是，有意将曝光点定义为在矩形阵列中产生孤立的点。使用这种方法，阵列中的点将是在系统配置和电镜设置条件下可以实现的最小点。

3 电镜参数优化

除了图案设计外，还需要根据应用调整系统参数，比如工作距离（WD）会对书写过程的许多方面产生影响，其它参数例如束斑大小、干涉和放大倍数。此外，在考虑设计配置和材料特性的同时，还需要调整加速电压和电流，以确定适合预期应用的电子束。

3.1 工作距离（WD）

工作距离会影响可达到的最小束斑尺寸、对外部干扰的敏感性以及某些电镜应使用的最佳放大倍率设置。较短的工作距离将提高电镜的分辨率，并降低电子束受外部干扰的敏感性。在电镜环境有磁场的情况下，使用较短的工作距离可能会对书写质量产生巨大影响。对于大多数电镜，5至10毫米的工作距离适合书写精细特征。

工作距离也会影响最佳放大倍率设置。在所有的电镜中，总放大倍率范围将被划分为较小的范围，每个范围将在电镜扫描控制电子装置中使用不同的电路。当扫描控制电子元件从一个子范围切换到另一个子范围时，通常会产生轻微的临时图像失真和/或机械继电器发出的咔嗒声。扫描控制电子元件内的最佳信噪比将出现在转换后的较高倍率值上。在某些型号的电镜中，发生过渡的放大倍率值取决于工作距离和电子束的加速电压。对于这些型号的电镜，使用相同的工作距离进行所有精细光刻通常是有益的，这样过渡的放大倍率值和最佳放大倍率就不会发生变化。

3.2 加速电压与电子束电流（束斑尺寸）

增加加速电压将产生更大的电子穿透深度，从而降低光刻胶中散射电子的数量，使线宽更细。加速电压还可以与前面提到的工作距离一起影响放大倍率的设置。大多数 STEM 的最大加速电压为30千伏，这也是大多数精细书写所使用的电压。在使用STEM时，可以使用100 kV ~300 kV的加速电压；但是，这些型号通常只允许非常有限的样品尺寸，这就降低了它们在光刻方面的通用性。

与较大的束流相比，较小的束流在样品上产生的束斑尺寸较小。使用最高的加速电压和低的电子束电流可以获得最小的束斑尺寸。用于精细光刻的典型束流范围为 5-50 pA，最佳值因扫描电镜的型号和灯丝类型而异。一些常见的范围如下W 灯丝电镜为 5-10 pA，LaB6 灯丝电镜为10-20 pA，场发射电镜为20-50 pA。一般来说，目标是使用足够小的电子束电流来产生所需的特征尺寸，但同时也要足够大，以便电镜易于优化。

此外，探测器类型会影响成像效果，因为不同类型的探测器可以用于检测不同种类的信号，例如二次电子、背散射电子等，从而影响成像效果。

4 电镜的合轴与样品定位

正确的设置电镜光路是写入开始前的最后一步，通常包括两个部分：电镜优化和样品定位。精细光刻要求对电镜进行仔细优化，以确保电子束具有最优设置。样品的定位会影响曝光定位和轴对准。

在需要优化的设置中，聚焦和像散是新用户最难调整的。因此，在尝试书写图案之前，熟悉电镜以及如何正确优化正常成像非常重要，而在使用金标样时，电镜的优化通常是最容易的。从低倍镜开始，应交替调整焦距和像散，直到可以在大约 1 × 1µm2 或更小的视野尺寸下获得清晰图像。此外，还应解决灯丝电流、合轴、光阑居中（通常称为 “wobble-晃动”）等问题。由于这些问题取决于正在优化的电镜型号的具体情况。

在金标样上对电子束进行优化后，应将载物台置于样品边缘，使光刻胶表面远离写入区域。建议使用平台Z控制对焦，因为这样可以在不改变电镜电子设备设置的情况下将样品物理升高或降低到适当的高度。这种技术消除了金标样与书写表面处于同一高度的要求。最后的电子焦距调整可在高度调整后进行，因为此时只需稍作改动，不会对电子束优化产生任何不利影响。

在初学光刻技术时，最好在一些明显的标记附近写上图案，如在基底上用金刚石刻刀划出的细小划痕。将图案放置在划痕末端附近会使图案在显影后更容易定位。此外，当图案放置在离最后优化位置较远的位置时必须小心，因为如果平台运动使样品高度发生显著变化，电子束就会发生散焦。

样品相对于书写轴的方向会影响图案在样品上的位置，因此必须将书写轴与样品边缘对齐。这可以通过改变平台旋转、调整扫描旋转和/或使用光刻软件的定位功能来实现。从书写样品的一侧移动到另一侧时，垂直位置每毫米的变化应小于1µm。如果不作此调整，写入的图案之间的相对位置将是正确的，但与样品之间的位置却不正确。

5 图案处理工艺

图案在光刻胶中曝光后，后续加工将图案转移到基底或光刻后添加的层上。所用的加工工艺取决于材料系统和所需的最终结构。与任何多步骤光刻工艺一样，后一步骤的失败总是比前一步骤的失败更为严重，因此避免出现问题变得越来越重要。

在曝光过程中，光刻胶中的分子键会产生或断裂，这分别取决于光刻胶是正性还是负性。如果光刻胶在显影液中停留时间过长，溶解度较低的光刻胶区域也会溶解；不过，当显影时间在一分钟左右时，很容易获得相当一致的结果。此外，显影速度取决于显影液的温度，因此建议保持可控的显影温度。显影药剂和显影时间取决于所使用的光刻胶类型，但整个程序基本相同。曝光后，用显影剂覆盖涂有光刻胶的基片一定时间，冲洗，然后干燥，通常是通过吹干N2来实现。

5.1 镀膜和剥离

溅射和蒸发是两种常见的镀膜方法。溅射和蒸发的一个显著区别是对沉积材料方向的控制。在典型的溅射系统中，沉积的目的是以大范围的入射角打击基底，而蒸发通常接近准直。由于入射电子束的前向散射，以及部分电子从基底散射并暴露出光刻胶底部，因此图案横截面呈梯形，如图1所示。

图1. 正极光刻胶曝光后的下切横截面示意图

剥离是去除光刻胶和涂在光刻胶上的材料的过程。然后留下附着在基底上的材料，从而产生所需的图案。移除的成功与否主要取决于涂层与基底的附着力，以及涂层是否覆盖了光刻胶的侧壁。一般来说，蒸发电子束的准直度足以使侧壁不被涂层覆盖，而溅射电子束则更有可能使侧壁被涂层覆盖，从而增加脱膜步骤的难度。对于剥离，重要的是了解光刻胶的厚度，并将涂层厚度保持在光刻胶厚度的三分之二以下。

对于PMMA而言，丙酮是脱模过程中通常使用的溶剂。PMMA和丙酮的脱模步骤可通过多种方式完成。一般来说，建议使用最温和的升华过程，以获得稳定的良好结果。最简单的方法是让样品在室温丙酮中浸泡约20分钟，或直到可以看到涂层浮起为止。越来越激进的方法包括使用注射器或超声波清洗器帮助去除金属涂层，甚至用小刷子刷洗样品。有时也使用加热的丙酮，但只有在采取适当的安全措施后才能使用。

5.2 镀膜：溅射与蒸发

在等离子体-磁控溅射系统中，来自等离子体的离子撞击导致金属靶上的原子从各个角度喷射出来。溅射材料覆盖在靶材下方的试样上。溅射材料的轨迹范围很广，这对于SEM试样来说是非常理想的，因为金属将覆盖大部分表面，防止成像过程中产生电荷。

然而，对于光刻技术来说，通常不希望在确定图案的电阻壁侧面进行涂层，因为这可能会在升空后导致边缘粗糙，或者如果边缘涂层太厚，图案的某些部分可能根本无法剥离。对于较大的图案来说，边缘粗糙可能不是什么大问题，但在对非常小的特征进行升空时，拥有干净的侧壁就变得非常重要。

图2显示了溅射过程示意图和溅射后图案的横截面图。

图 2：(a) 溅射过程示意图；(b) 溅射镀膜后图案的横截面图

如图3所示，在热蒸发过程中，源材料被放置在舟形或灯丝线圈中，利用电流对其进行加热。也可以使用电子束溅射系统，该系统使用电子束加热源材料中的局部光点。样品可以放置在源材料的上方或下方，具体取决于所使用的设备。蒸发的材料几乎是准直的，因此与溅射相比，不太可能覆盖图案的两侧。这使得去除光刻胶后的边缘更整洁，这对高分辨率图案制作至关重要。

不过，即使是准直沉积，也必须注意确保沉积材料以接近正常入射角的角度入射，否则沉积材料可能会覆盖部分侧壁，或无法到达光刻胶厚度与特征尺寸之间具有较高纵横比的窄特征底部。

图3. (a) 显示的是丝状蒸发过程的示意图；舟状蒸发过程与此类似，只是样品位于源材料之上；(b) 显示的是使用蒸发法涂覆图案后的横截面图

5.3 蚀刻

可以使用多种蚀刻方法，包括湿化学蚀刻和反应离子蚀刻，根据蚀刻方法的不同，蚀刻可能是各向同性或非各向同性的。一般来说，光刻胶将用于保护基底的部分区域，而暴露的区域将被蚀刻掉。蚀刻时的一个重要问题是，与光刻胶的蚀刻速率相比，基底的蚀刻速率相对较低。在某些情况下，如果光刻胶不能用作适当的蚀刻掩膜，则会使用额外的一层作为最终蚀刻掩膜，而光刻胶则用于对中间层进行图案化。

6 检查图案以及正确书写

对于初学者来说，在每个样品上绘制一个标准图案是非常有用的（比如下面示例的"轮子"图案），这是一种非常有效的诊断工具，因为它可以很容易地识别出由于电子束聚焦不良和/或像散造成的图案问题。

图案曝光正确时，线条应笔直，边缘清晰，粗细均匀。电子束单线通过的最终线宽主要取决于光刻胶、书写过程中的电子束聚焦/像散以及应用的线剂量。图4显示了一个正确刻线的例子。“轮子”内部略深的楔形区域表明，该区域在观察时正在带电。这表明涂层没有覆盖图案的两侧，在去除光刻胶时很可能会完全脱落。

图 4正确书写的轮廓图案示例

7 电子束光刻的常见问题

通过查看诊断图案可以确定几种类型的错误。图案生成过程中最常见的三种错误是电子束像散、聚焦不良以及曝光过度和曝光不足。通常情况下，对于新用户来说，图案曝光问题是由于电子束优化不佳造成的，但随着用户对电镜操作的熟练程度提高，情况也会有所改善。系统性问题，例如线噪声、无效的电子束消隐或电镜本身的一般问题，通常会对图案的结果产生明显的影响。

7.1 图案生成过程中最常见的三种错误：

1.像散：像散是指电子束的横截面拉长，如图5中的椭圆形，而不是理想的圆形。当电子束沿着椭圆的长轴方向（图5a 中为垂直方向）从一点移动到另一点时，所有的外加剂量都会沿着电子束的狭窄路径照射。然而，当电子束沿椭圆形的短轴方向（图5a 中为水平方向）移动时，剂量会沿线路照射到更宽的区域。这种效应会在图案中产生 90˚ 的不对称，在车轮图案中尤其容易识别。图5a 显示了沿长轴和短轴方向的剂量分布示意图。图5b 显示了用 PMMA 书写的车轮图案的实际曝光情况。在这种情况下，拉长的横梁位于车轮 5-11 点钟和 6-12 点钟辐条之间，90˚ 不对称非常明显。这是典型的电子束像散图案。

图5. (a) 显示电子束形状如何影响应用剂量的示意图；以及(b) 显示像散电子束影响的轮廓图

2.聚焦不良：当电子束不能很好地聚焦在光刻胶表面时，大的特征只会产生很小的影响，角上的半径会比预期的大。然而，当使用失焦电子束书写窄线时，会产生很大的变化。一般来说，聚焦不良会导致窄线的应用剂量分散到比预期更大的区域。如果谱线剂量接近书写最小谱线的临界剂量，这种扩大将导致谱线曝光不足。

当线条剂量远高于临界剂量时，电子束的增宽将使曝光的线条大于预期。在这两种情况下，电子束单次通过的任何交界处都会有效地接收到双倍剂量，与附近的线条相比，通常会显得 "发亮"。图7 显示的是在 PMMA 中写入的轮廓图案，焦点略有降低。在这种情况下，图案的线条略微曝光不足，而交界处则曝光过度。这是电子束聚焦不良的典型表现。

3. 曝光**：**曝光过度会导致图案放大，或者在极端情况下，正极光刻胶受到的剂量足以使其交联，显影效果与负极光刻胶相同。图7显示了放大图案和正/负极图案的图像。在这种情况下，中心白点是 PMMA 交联的地方，因为12 倍剂量，12条线从中心开始，整个中心区域因高剂量而放大。当施加的剂量过小时，所产生的曝光线会变浅和/或不连续。

图7. 电子束失焦时写入的轮廓图（左）；使用高剂量写入的轮廓图（右）

一般来说，编写一个图案阵列是非常有用的，在这个阵列中，应用的剂量系统地从过低剂量逐步过渡到过高剂量。通过这种方法，新操作者可以快速识别由不同剂量造成的结构范围。

4.总结：电子束像散会导致成像分辨率下降，造成加工图案模糊不清、失真或边缘模糊等问题；聚焦不良会导致成像模糊、失真和图案精度下降等问题；曝光剂吸收不均匀会导致图案边缘效应，如正向邻近效应和负向邻近效应，影响图案的精度和清晰度。

7.2 外部因素

电镜外部的干扰源（如声学噪声、物理振动或电磁场）会导致波浪线或中断线。一般来说，解决办法是找出并消除干扰源，或屏蔽电镜，使其不受噪音影响。可以通过在墙壁上使用隔音泡沫和/或在电镜的整个柱子周围增加隔音罩来降低噪音。通过在整个镜筒上使用空气支撑系统或在柱子和地板之间添加泡沫或橡胶垫，可以最大限度地减少物理振动。

干扰电子束的电磁场通常是由其他房间的设备或穿过天花板或地板的电线造成的。这些电磁场会使电子束在电磁场频率下发生偏转，从而导致图案书写失真。解决方法包括将电镜移到更好的位置、移动或屏蔽干扰源、在镜筒和/或室周围安装磁屏蔽（μ-金属）以及安装主动场消除系统，该系统可引入磁场以消除外部噪音。

7.3 电子束光刻还包括以下的常见问题

1.位置漂移问题：电子束在长时间运行中可能会出现位置漂移，导致成像不准确。定期进行系统校准以减少位置漂移。遵循正确的操作步骤以减少位置漂移的发生。

2.边缘效应：电子束光刻在图案的边缘可能会出现模糊或形变，这可能与散射、电子束形状等因素有关。改变加工参数以减少边缘效应的影响，如调整电子束的形状和大小。在设计阶段考虑到边缘效应，采用补偿技术或特殊设计来减轻影响。

3.残渣问题：电子束光刻后可能会留下未完全去除的曝光剂残留物，影响器件的性能。改进清洁过程，确保残留物完全去除。选择更易清除的曝光剂可以减少残渣问题的发生。

4.成本问题：电子束光刻设备和曝光剂的成本较高，特别是针对小批量生产。优化生产计划以提高设备利用率，降低成本。考虑使用更便宜的材料或工艺，或者与其他厂商合作以降低成本。



审核编辑：刘清