大有前途的電子束光刻技術

摘 要：本文介紹了電子束光刻技術的基本原理及發展情況，對電子束光刻技術在現代高技術產業中的重要作用進行了論述，并對比其他微細加工技術，提出要大力發展我國的電子束光刻技術與設備。

關鍵詞：微電子技術 電子束 光刻 前途

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0072-01

光刻是現代集成電路制造的基礎工藝技術，也是最關鍵、最核心的加工技術。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，要經過200～300多道工序，其中要經過多次光刻，占用總加工時間的40%～50%，光刻工藝的水準直接決定了一國電子技術的水平。

現代微電子技術的發展基本遵循摩爾定律，也就是說：每18個月左右，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。西方發達國家把微電子技術作為一項戰略產業，對發展中國家嚴格實行技術封鎖限制。像美國國會就規定，賣給中國的集成電路關鍵加工設備要比美國的水平低2代。今天，INTEL（英特爾）公司已經可以投產元器件尺寸為10 nm左右的集成電路，而我國相應的水平只有40 nm，加工水平相差2代（即20 nm、10 nm）。

我國已經在過去數個五年計劃中將微電子技術列為高技術重點工程，在一些方面取得了一定進展。這其中光刻加工設備一直是重點中的重點。目前，國際上采用的主流工藝是光學光刻。光學光刻的光源從波長較長的紅外線一直發展到了今天的紫外線，但是光學光刻正在日益接近其物理極限，也就是說再往小的加工，就會遇到原理性的障礙，而無法進行下去。各工業強國都在加緊開發下一代光刻工藝，主要的技術方法有：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。

所謂電子束光刻，就是用電子源發出電子束，經過掩膜和電子透鏡，將圖案投射到硅片上，從而形成電子線路的工藝技術。電子束加工技術是近30年來發展起來的一門新興技術，它集電子光學、精密機械、超高真空、計算機自動控制等近代高新技術于一體，是推動微電子技術和微細加工技術進一步發展的關鍵技術之一，因而已經成為一個國家整體技術水平的象征。電子束曝光技術廣泛地應用于高精度掩膜、新一代集成電路研制及新器件、新結構的研究與加工等方面。目前，世界各國都投入了大量人力、物力、財力進行電子束微細加工技術研究。20世紀90年代以來，美、日的一些研究部門采用電子束曝光技術，已經制造出高精度納米級掩膜和器件。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一般有兩種類型：直寫式與投影式。直寫式就是直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的芯片上，不需要光學光刻工藝中最昂貴和制備費時的掩膜；投影式則是通過高精度的透鏡系統將電子束通過掩膜圖形平行地縮小投影到表面涂有光刻膠的襯底上。一般直寫式曝光機主要使用的是熱場發射源（表面鍍ZrO的鎢金屬針尖），工作溫度在1800K，和冷場發射源相比可以有效地防止針尖的污染并提供穩定的光源。電子源發射出來的電子束的聚焦和偏轉是在鏡筒中完成的。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量筒等裝置。光闌的作用主要是設定電子束的會聚角和電子束電流。電子透鏡的作用是通過靜電力或是磁力改變電子束的運動。電子透鏡類似光學透鏡，也存在球差和色差（當外圈電子會聚比內圈電子強時就形成了球差，而當能量有微小差異的電子聚焦在不同平面上時就形成了色差），從而限制了束斑的大小和會聚角的范圍。像散校正器可以補償不同方位角電子束的像差。擋板的作用是開啟或關閉電子束。結合刻蝕和沉積工藝，利用直寫式曝光技術可以制備20 nm甚至更細的圖形，最小尺寸達10 nm的原理型納米電子器件也已經制備出來。由于直寫式曝光技術所具有的超高分辨率，無需昂貴的投影光學系統和費時的掩膜制備過程，它在微納加工方面有著巨大的優勢。但由于直寫式的曝光過程是將電子束斑在表面逐點掃描，每一個圖形的像素點上需要停留一定的時間，這限制了圖形曝光的速度。直寫式電子束光刻在產能上的瓶頸使得它在微電子工業中一般只作為一種輔助技術而存在，主要應用于掩膜制備、原型化、小批量器件的制備和研發。但直寫式電子束曝光系統在納米物性測量、原型量子器件和納米器件的制備等科研應用方面已顯示出重要的作用。

投影式曝光機是指將大束的電子束，照射到掩膜上，然后通過掩膜上的圖案縫隙，將圖案投影到芯片上。這種方法和當前的光學光刻技術是相同的。由于電子束不像光那樣有光學的衍射效應，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缺點，用直寫式加工方法，電子束直接在芯片上掃描，形成圖案，優點是省卻了制作復雜、價格昂貴的掩膜，缺點是電子束能量太小，因而要在一個點上投射很長時間，這就限制了加工速度，使其不能在大規模生產中應用。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，打到任何物質上都會發生反射、散射等情況，這使得成像效果大打折扣。

然而，這些問題都不能掩蓋電子束加工技術的未來希望。例如：臺灣第一大集成電路代工廠—— 臺積電，已經開發出了一種直寫式電子束加工設備，它用幾千個電子束形成掃描陣列，大大加快了掃描速度。美國的麻省理工學院最近開發出了新的投影式電子束加工設備，用新開發的光刻膠，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的鄰近效應，大大加快了生產速度。

雖然上述技術上的進展并不能立即使電子束光刻技術取代光學光刻，但正如一位哲人說過：只有登上山頂，才能看到那邊的風光！中國的半導體微細加工制造業要迎頭趕上世界先進水平，就要發揮后發優勢，正確把握技術發展的方向，做到后發而先至。電子束光刻加工技術正是未來大有希望的發展方向。