4700S電子束曝光機(jī)圖形曝光模式及其應(yīng)用

董 磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

4700S電子束曝光機(jī)圖形曝光模式及其應(yīng)用

董 磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

通過(guò)對(duì)MEBES 4700S電子束曝光機(jī)不同圖形曝光模式特性的比較和分析，得到其在160MHz和320MHz曝光像素頻率和不同設(shè)計(jì)柵格尺寸下的適用范圍，以利用MEBES 4700S生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版，達(dá)到最佳的制版效果。

MEBES 4700S；電子束曝光機(jī)；圖形曝光模式

1 引 言

MEBES 4700S是一套由美國(guó)ETEC公司生產(chǎn)的，具有熱場(chǎng)致發(fā)射（TFE）鏡筒和320MHz曝光像素頻率的高精度、高分辨率和高產(chǎn)量的電子束曝光系統(tǒng)。它可以用于微電子領(lǐng)域的掩模版制造和硅片直寫(xiě)。

由于MEBES 4700S具有多種不同的圖形曝光模式，在利用其制作掩模版的時(shí)候，需要根據(jù)每一種圖形曝光模式的特點(diǎn)靈活選用其中的一種或幾種組合來(lái)達(dá)到最佳的制版效果。通過(guò)對(duì)不同圖形曝光模式特性的比較和分析得到了其在不同設(shè)計(jì)柵格尺寸和曝光像素頻率下的適用范圍，在實(shí)際生產(chǎn)中，以此作為指導(dǎo)可以更好地發(fā)揮每種圖形曝光模式的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版。

2 MEBES4700S系統(tǒng)概述

2.1 高精度

MEBES 4700S具有的動(dòng)態(tài)校正技術(shù)可以補(bǔ)償工作臺(tái)位置、寫(xiě)掃描線(xiàn)性度、光柵畸變和襯底平整度等幾個(gè)主要系統(tǒng)誤差源的誤差。提高精度的動(dòng)態(tài)校正模塊包括：

·自動(dòng)寫(xiě)掃描校正——通過(guò)使用電荷放大技術(shù)，優(yōu)化了掃描帶的拼接

·動(dòng)態(tài)柵格匹配——提高了版對(duì)柵格的對(duì)準(zhǔn)和成套版間的套準(zhǔn)精度

·高度檢測(cè)和校正——減小了X方向和Y方向掃描帶拼接誤差

·線(xiàn)性度校正——提高了圖形定位精度

·光柵校正——減小了系統(tǒng)定位誤差

·自動(dòng)版架裝載系統(tǒng)——提高了裝版精度，減少版的沾污

·熱場(chǎng)致發(fā)射高溫計(jì)控制——增強(qiáng)了曝光劑量的穩(wěn)定性和線(xiàn)寬的均勻性

2.2 高產(chǎn)量

MEBES 4700S通過(guò)使用以下幾方面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量：

·超快速高吞吐量圖形存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)通路——直接接收來(lái)自圖形文件管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，節(jié)省了圖形填充時(shí)間

·草寫(xiě)模式——減少了工作臺(tái)移動(dòng)

·可選的多級(jí)灰度寫(xiě)策略——實(shí)現(xiàn)了掃描質(zhì)量、曝光劑量和生產(chǎn)能力的同步提高

·TFE鏡筒——能產(chǎn)生高劑量等級(jí)的束斑，可對(duì)0.4～2.5μC／cm2感度的光致抗蝕劑曝光

2.3 高分辨率

MEBES 4700S可以滿(mǎn)足最小圖形特征尺寸350nm的1∶1掩模版制版要求。

·TFE鏡筒——可在80～400nm圓形高斯束斑直徑上提供很高的電流密度

·25nm最小寫(xiě)地址——可實(shí)現(xiàn)精確的圖形邊緣定位精度

·GHOST臨近效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)——可實(shí)現(xiàn)350nm最小圖形特征尺寸

3 圖形曝光模式

對(duì)于MEBES 4700S來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的圖形曝光模式包括：2倍多相位打印（2×MPP）、單次打印（SPP）、虛擬地址（VA）、偏移掃描表決（OSV）、鄰近效應(yīng)補(bǔ)償（OPC）和相移掩模對(duì)準(zhǔn)（PSM）等幾種曝光模式。另外，還有作為可選項(xiàng)的多級(jí)灰度（MPG）曝光模式。

3.1 2×MPP曝光模式

2×MPP曝光模式的曝光劑量和曝光質(zhì)量可以和MPG曝光模式相媲美，但曝光速度和SPP曝光模式相同。對(duì)于大于40nm小于80nm范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)柵格尺寸推薦使用2×MPP曝光模式。如果沒(méi)有MPG選項(xiàng)，對(duì)于小于40nm范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)柵格也推薦使用2×MPP曝光模式。

2×MPP曝光模式對(duì)同一個(gè)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行四次曝光，其寫(xiě)地址尺寸是設(shè)計(jì)柵格尺寸的兩倍，即每一個(gè)曝光像素對(duì)應(yīng)四個(gè)數(shù)據(jù)像素。

3.2 SPP曝光模式

SPP曝光模式是MEBES的一種傳統(tǒng)曝光模式，適用于曝光設(shè)計(jì)柵格尺寸大于等于80nm范圍內(nèi)的掩模版，如圖1所示，其一個(gè)曝光像素對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)像素。

3.3 虛擬地址

虛擬地址修改了圖形數(shù)據(jù)的處理。如圖2所示，一個(gè)曝光像素對(duì)應(yīng)四個(gè)數(shù)據(jù)像素。對(duì)位于圖形邊緣的曝光像素每隔一個(gè)曝光像素曝光一次，即只曝光位于奇數(shù)寫(xiě)地址的邊緣曝光像素，通過(guò)這種方式來(lái)保持圖形邊緣的定位精度。

圖1 SPP曝光模式

圖2 虛擬地址曝光模式

3.4 偏移掃描表決

偏移掃描表決多次曝光同一個(gè)圖形，每次曝光都比前一次曝光偏移一個(gè)平均誤差。用戶(hù)可以確定曝光次數(shù)，一般為兩次或四次。在沒(méi)有其它曝光模式確定曝光像素和數(shù)據(jù)像素比例的情況下，偏移掃描表決的一個(gè)曝光像素對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)像素。使用曝光次數(shù)為四次的偏移掃描枚舉時(shí)，圖形被曝光四次，每次寫(xiě)掃描邊緣上移掃描高度的四分之一。由于在MPP曝光模式中圖形也被曝光四次，所以它通常跟偏移掃描表決結(jié)合使用，如圖3所示，這樣不會(huì)對(duì)生產(chǎn)能力造成額外損失。OSV可以提高精度和標(biāo)稱(chēng)分辨率，但生產(chǎn)能力因此下降。它適和應(yīng)用于那些需要通過(guò)多次曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)某一具體曝光劑量的場(chǎng)合。

圖3 偏移掃描表決曝光模式

3.5 臨近效應(yīng)補(bǔ)償

臨近效應(yīng)補(bǔ)償可以使用戶(hù)能夠制作更細(xì)線(xiàn)寬的掩模版。MEBES使用GHOST技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)亞半微米圖形線(xiàn)寬控制的均勻性。如圖4所示，整個(gè)工藝過(guò)程需要對(duì)圖形進(jìn)行兩次曝光。第一次曝光，或者說(shuō)主曝光，是對(duì)圖形的正常曝光；第二次曝光，或者說(shuō)GHOST曝光，和第一次曝光相比，曝光束斑比主曝光束斑大，同時(shí)圖形的數(shù)據(jù)區(qū)黑白相反，即原來(lái)圖形曝光的部分，這次不曝光，原來(lái)圖形不曝光的部分，這次曝光。GHOST技術(shù)所提供的背景曝光使臨近圖形之間的背散射劑量得以平衡。

圖4 GHOST鄰近效應(yīng)補(bǔ)償

3.6 相移掩模對(duì)準(zhǔn)

相移掩模對(duì)準(zhǔn)可用于對(duì)一個(gè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)整個(gè)制版工藝處理并重新涂上光致抗蝕劑的掩模版進(jìn)行二次曝光時(shí)的對(duì)準(zhǔn)。要對(duì)準(zhǔn)相移掩模，在第一次圖形曝光開(kāi)始前，掩模版上的圖形必須包含一組對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，用于二次曝光對(duì)準(zhǔn)。

3.7 MPG曝光模式

作為可選項(xiàng)，MPG曝光模式是MEBES 4700S最先進(jìn)的圖形曝光模式，它對(duì)于新型高對(duì)比度的光致抗蝕劑具有傳統(tǒng)SPP曝光模式四倍的曝光劑量，它通過(guò)多次曝光和偏移掃描曝光，減少了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，顯著提高了曝光質(zhì)量。其對(duì)版的曝光速度是SPP或者2×MPP曝光模式的四倍，如圖5所示。MPG曝光模式適用于設(shè)計(jì)柵格尺寸小于等于40nm的掩模版。對(duì)于設(shè)計(jì)柵格尺寸大于40nm的掩模版，由于最大電流、聚焦束斑大小等系統(tǒng)限制，會(huì)影響灰度等級(jí)的表現(xiàn)能力，所以不推薦使用。

通過(guò)使用灰度等級(jí)來(lái)提高印刷、視頻顯示和激光掩模圖形發(fā)生器等領(lǐng)域圖形產(chǎn)生的質(zhì)量，基本光柵技術(shù)的應(yīng)用得到增強(qiáng)。MPG曝光模式把這種增強(qiáng)的光柵灰度等級(jí)技術(shù)引進(jìn)到了MEBES平臺(tái)。

圖5 MPG曝光模式

3.7.1 MPG曝光模式的圖形邊緣灰度等級(jí)

MPG曝光模式通過(guò)對(duì)襯底進(jìn)行四次偏移曝光來(lái)產(chǎn)生灰度等級(jí)。由于每一次曝光都會(huì)貢獻(xiàn)總的可獲得曝光劑量的25%，因此四次曝光會(huì)產(chǎn)生四種灰度等級(jí)，即25%、50%、75%和100%，如圖6所示。

使用MPG曝光模式曝光的圖形其圖形邊緣位置是曝光柵格尺寸和傳導(dǎo)到數(shù)據(jù)像素上的曝光劑量的函數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)傳導(dǎo)到離散灰度等級(jí)上的數(shù)據(jù)像素的曝光劑量，MPG曝光模式可以使圖形邊緣的位置按照灰度等級(jí)等分的曝光柵格距離移動(dòng)。

圖6 MPG曝光模式圖形邊緣灰度等級(jí)示意圖

3.7.2 MPG曝光模式的生產(chǎn)能力

MPG曝光模式使用的曝光柵格尺寸是設(shè)計(jì)柵格尺寸的4倍，理論上每次曝光速度是SPP的16倍，由于MPG需要通過(guò)4次曝光產(chǎn)生4個(gè)灰度等級(jí)，所以其生產(chǎn)能力是SPP曝光模式的4倍。

4 不同圖形曝光模式的分析和比較

MEBES 4700S工作在320MHz數(shù)據(jù)通路時(shí)可以有兩種曝光像素頻率即320MHz和160MHz。頻率越快，其對(duì)應(yīng)的最大設(shè)計(jì)柵格尺寸越小。工作在160MHz曝光像素頻率時(shí)其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)柵格尺寸的最大值不能超過(guò)275nm，工作在320MHz曝光像素頻率時(shí)的設(shè)計(jì)柵格尺寸的最大值為160MHz時(shí)的一半即137.5nm。在320MHz數(shù)據(jù)通路下，MEBES 4700S不能生產(chǎn)設(shè)計(jì)柵格尺寸大于275nm的掩模版。

通過(guò)以上對(duì)MEBES各種曝光模式的研究和分析，根據(jù)它們自身的特點(diǎn)，結(jié)合其在不同曝光像素頻率和不同設(shè)計(jì)柵格尺寸的適用范圍，可以得到以下結(jié)論，如表1所示。

表1 MEBES 4700S圖形曝光模式適用范圍

5 結(jié)束語(yǔ)

表1對(duì)采用MEBES 4700S制作掩模版具有指導(dǎo)意義。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)柵格尺寸的大小選擇合適的曝光像素頻率和曝光模式，生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版，以達(dá)到最佳的制版效果。

［1］Etec systems，Inc.MEBES 4500 Technical Description［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，1999.

［2］Etec Systems，Inc.MEBES 4500／S Product Introduction［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，2000.

Pattern Exposure Modes and Application of MEBES 4700S Exposure Device

DONG Lei
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Through the comparison and analysis for the features of pattern exposuremodes of MEBES 4700S exposure device，the applicable range is obtained under 160MHz and 320MHz pixel-incrementing rates and different design grids consideration，in order to gain desirable pattern precision and the best effect ofmaking photomask bymeans of MEBES 4700S.

MEBES 4700S；Electron Beam Exposure System；Pattern Exposure Modes

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.003

TN305.6

：A

：1002-2279（2014）05-0008-03

董磊（1981-），男（蒙古族），遼寧朝陽(yáng)人，工程師，主研方向：掩模加工制造。

2014-01-06