微细加工9非光学光刻

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1、通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了0.1m的分辨率。若能开发出适合157nm光源的光学材料，甚至可扩展到0.07m。第9章非光学光刻技术但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来。已开发出许多新的光刻技术，如将X射线、电子束和离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学光刻技术，或下一代光刻技术。它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源。投影式X射线（极紫外光）X射线电子束

2、离子束接近式X射线直写曝光（无掩模）投影曝光（有掩模）9.1高能束与物体之间的相互作用本节主要讨论X射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。一、X射线与固体之间的相互作用X射线光刻所用的波长在λ=0.2~4nm的范围，所对应的X射线光子能量为1~10keV。在此能量范围，X射线的散射可以忽略。X射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。能量损失与分辨率的关系分辨率取决于X射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个。当X射线波长为5nm左右时两者相等，这时可获得最佳分辨

3、率，其值即约为5nm。但在X射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因，波长取为0.2~4nm，其相应的光电子射程为70~20nm。但是实际上这并不是限制X射线光刻分辨率的主要因素。后面会讲到，限制X射线光刻分辨率的主要因素是掩模版的分辨率，以及半影畸变和几何畸变。二、电子束与固体之间的相互作用电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X射线、俄歇电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是散射电子。1、电子的散射入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与

4、能量的转移，方向改变，能量减少，波长增大。电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量E0成反比，典型值为几到几十次。散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。前散射（小角散射）：散射角<90o背散射（大角散射）：散射角=90o~180o实验表明，前散射使电子束变宽约0.1m，而背散射电子的分布区域可达到0.1~1m。所以背散射是影响电子束曝光分辨率的主要因素。2、光刻胶的能量吸收密度电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围，而此范围可用光刻胶的能量吸收密度分

5、布函数来表示。由于能量密度函数是轴对称的，与变量无关，故可表为E(r,z)。3、光刻胶完成曝光所需的能量密度设g0为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交联或降解）数，即反应产率，则(1/g0)表示每发生一个反应所需的能量。单位体积光刻胶中的分子数可表为，其中NA为阿伏加德罗常数，M为平均分子量。则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为令光刻胶的实际能量吸收密度E(r,z)与完成曝光所需的能量密度E0相等，即E(r,z)=E0，可以得到一个等能量密度曲面。显然，在这个曲

6、面之内的光刻胶将全部发生化学反应，显影时将全部溶掉（以正性胶为例）。所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓。电子束显影后(1)首先，假设入射电子束的分布是函数，即单位冲击函数，其具有如下性质，4、计算能量吸收密度E(r,z)的方法(2)然后，利用Monte-Carlo法模拟，得到下图的结果通过模拟计算，发现有以下特点，a、β>>α，所以背散射是影响分辨率的主要因素；b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；c、入射电子初始能量E0的影响是：对ff，E0越大，则α越小；对fb，当E0增大时，β先增

7、大，然后减小；d、低原子序数材料中的散射一般要小一些。(3)对此模拟结果进行曲线拟合，可得到近似的分析函数，为双高斯函数，即(4)当入射电子为任意空间分布函数时，其吸收能量密度是与的卷积积分，例如，当电子束分布为高斯圆形束时，式中，为高斯电子束的标准偏差。(5)胶层等能量密度剖面轮廓实际的曝光图形，既不是函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和，如下图所示。设电子束的束流为IB，在每个点上停留的时间为t，则每个束斑上的入射电子数为(

8、IBt/q)，每个束斑产生的吸收能量密度为则在离线条距离为x的点P下面深度为z处的能量吸收密度为用上述模拟方法对硅上的PMMA胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，模拟结果实际结果5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的邻近效应。对于一个其线度L远大于电子散射范围R的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，能量密度内邻近效应互邻近效应无散射时内邻近效应互邻近效应邻近效应的