大有前途的電子束光刻技術(shù)

摘 要：本文介紹了電子束光刻技術(shù)的基本原理及發(fā)展情況，對(duì)電子束光刻技術(shù)在現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的重要作用進(jìn)行了論述，并對(duì)比其他微細(xì)加工技術(shù)，提出要大力發(fā)展我國(guó)的電子束光刻技術(shù)與設(shè)備。

關(guān)鍵詞：微電子技術(shù) 電子束 光刻 前途

中圖分類號(hào)：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0072-01

光刻是現(xiàn)代集成電路制造的基礎(chǔ)工藝技術(shù)，也是最關(guān)鍵、最核心的加工技術(shù)。它就像洗相片一樣，將電路圖形投影到底片（硅芯片）上，然后刻蝕加工出電路、元器件。制造一片集成電路，要經(jīng)過(guò)200～300多道工序，其中要經(jīng)過(guò)多次光刻，占用總加工時(shí)間的40%～50%，光刻工藝的水準(zhǔn)直接決定了一國(guó)電子技術(shù)的水平。

現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律，也就是說(shuō)：每18個(gè)月左右，集成電路元器件的特征尺寸要縮小1/2，集成密度要增加一倍。西方發(fā)達(dá)國(guó)家把微電子技術(shù)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，對(duì)發(fā)展中國(guó)家嚴(yán)格實(shí)行技術(shù)封鎖限制。像美國(guó)國(guó)會(huì)就規(guī)定，賣給中國(guó)的集成電路關(guān)鍵加工設(shè)備要比美國(guó)的水平低2代。今天，INTEL（英特爾）公司已經(jīng)可以投產(chǎn)元器件尺寸為10 nm左右的集成電路，而我國(guó)相應(yīng)的水平只有40 nm，加工水平相差2代（即20 nm、10 nm）。

我國(guó)已經(jīng)在過(guò)去數(shù)個(gè)五年計(jì)劃中將微電子技術(shù)列為高技術(shù)重點(diǎn)工程，在一些方面取得了一定進(jìn)展。這其中光刻加工設(shè)備一直是重點(diǎn)中的重點(diǎn)。目前，國(guó)際上采用的主流工藝是光學(xué)光刻。光學(xué)光刻的光源從波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線一直發(fā)展到了今天的紫外線，但是光學(xué)光刻正在日益接近其物理極限，也就是說(shuō)再往小的加工，就會(huì)遇到原理性的障礙，而無(wú)法進(jìn)行下去。各工業(yè)強(qiáng)國(guó)都在加緊開發(fā)下一代光刻工藝，主要的技術(shù)方法有：x射線光刻、深紫外線投影光刻、電子束光刻、離子束光刻等。在各種方案中，電子束光刻以其特有的魅力，成為大有前途的下一代加工技術(shù)。

所謂電子束光刻，就是用電子源發(fā)出電子束，經(jīng)過(guò)掩膜和電子透鏡，將圖案投射到硅片上，從而形成電子線路的工藝技術(shù)。電子束加工技術(shù)是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它集電子光學(xué)、精密機(jī)械、超高真空、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等近代高新技術(shù)于一體，是推動(dòng)微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，因而已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家整體技術(shù)水平的象征。電子束曝光技術(shù)廣泛地應(yīng)用于高精度掩膜、新一代集成電路研制及新器件、新結(jié)構(gòu)的研究與加工等方面。目前，世界各國(guó)都投入了大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行電子束微細(xì)加工技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美、日的一些研究部門采用電子束曝光技術(shù)，已經(jīng)制造出高精度納米級(jí)掩膜和器件。電子束光刻也是研究新一代量子器件的有力工具。

電子束光刻中使用的曝光機(jī)一般有兩種類型：直寫式與投影式。直寫式就是直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的芯片上，不需要光學(xué)光刻工藝中最昂貴和制備費(fèi)時(shí)的掩膜；投影式則是通過(guò)高精度的透鏡系統(tǒng)將電子束通過(guò)掩膜圖形平行地縮小投影到表面涂有光刻膠的襯底上。一般直寫式曝光機(jī)主要使用的是熱場(chǎng)發(fā)射源（表面鍍ZrO的鎢金屬針尖），工作溫度在1800K，和冷場(chǎng)發(fā)射源相比可以有效地防止針尖的污染并提供穩(wěn)定的光源。電子源發(fā)射出來(lái)的電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)是在鏡筒中完成的。鏡筒通常包含有光闌、電子透鏡、擋板、像散校正器和法拉第電流測(cè)量筒等裝置。光闌的作用主要是設(shè)定電子束的會(huì)聚角和電子束電流。電子透鏡的作用是通過(guò)靜電力或是磁力改變電子束的運(yùn)動(dòng)。電子透鏡類似光學(xué)透鏡，也存在球差和色差（當(dāng)外圈電子會(huì)聚比內(nèi)圈電子強(qiáng)時(shí)就形成了球差，而當(dāng)能量有微小差異的電子聚焦在不同平面上時(shí)就形成了色差），從而限制了束斑的大小和會(huì)聚角的范圍。像散校正器可以補(bǔ)償不同方位角電子束的像差。擋板的作用是開啟或關(guān)閉電子束。結(jié)合刻蝕和沉積工藝，利用直寫式曝光技術(shù)可以制備20 nm甚至更細(xì)的圖形，最小尺寸達(dá)10 nm的原理型納米電子器件也已經(jīng)制備出來(lái)。由于直寫式曝光技術(shù)所具有的超高分辨率，無(wú)需昂貴的投影光學(xué)系統(tǒng)和費(fèi)時(shí)的掩膜制備過(guò)程，它在微納加工方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。但由于直寫式的曝光過(guò)程是將電子束斑在表面逐點(diǎn)掃描，每一個(gè)圖形的像素點(diǎn)上需要停留一定的時(shí)間，這限制了圖形曝光的速度。直寫式電子束光刻在產(chǎn)能上的瓶頸使得它在微電子工業(yè)中一般只作為一種輔助技術(shù)而存在，主要應(yīng)用于掩膜制備、原型化、小批量器件的制備和研發(fā)。但直寫式電子束曝光系統(tǒng)在納米物性測(cè)量、原型量子器件和納米器件的制備等科研應(yīng)用方面已顯示出重要的作用。

投影式曝光機(jī)是指將大束的電子束，照射到掩膜上，然后通過(guò)掩膜上的圖案縫隙，將圖案投影到芯片上。這種方法和當(dāng)前的光學(xué)光刻技術(shù)是相同的。由于電子束不像光那樣有光學(xué)的衍射效應(yīng)，因此可以將圖案做的很小，大大提高集成度。

這兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，用直寫式加工方法，電子束直接在芯片上掃描，形成圖案，優(yōu)點(diǎn)是省卻了制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴的掩膜，缺點(diǎn)是電子束能量太小，因而要在一個(gè)點(diǎn)上投射很長(zhǎng)時(shí)間，這就限制了加工速度，使其不能在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。而用投影式曝光加工方法，需要制備昂貴的掩膜，而且由于電子能量太小，打到任何物質(zhì)上都會(huì)發(fā)生反射、散射等情況，這使得成像效果大打折扣。

然而，這些問(wèn)題都不能掩蓋電子束加工技術(shù)的未來(lái)希望。例如：臺(tái)灣第一大集成電路代工廠—— 臺(tái)積電，已經(jīng)開發(fā)出了一種直寫式電子束加工設(shè)備，它用幾千個(gè)電子束形成掃描陣列，大大加快了掃描速度。美國(guó)的麻省理工學(xué)院最近開發(fā)出了新的投影式電子束加工設(shè)備，用新開發(fā)的光刻膠，并把它更薄地涂覆在硅片上，從而減低了電子束的散射所帶來(lái)的鄰近效應(yīng)，大大加快了生產(chǎn)速度。

雖然上述技術(shù)上的進(jìn)展并不能立即使電子束光刻技術(shù)取代光學(xué)光刻，但正如一位哲人說(shuō)過(guò)：只有登上山頂，才能看到那邊的風(fēng)光！中國(guó)的半導(dǎo)體微細(xì)加工制造業(yè)要迎頭趕上世界先進(jìn)水平，就要發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，正確把握技術(shù)發(fā)展的方向，做到后發(fā)而先至。電子束光刻加工技術(shù)正是未來(lái)大有希望的發(fā)展方向。