基于NBL电子束曝光系统合轴研究

吴文涛，王振亚，徐 磊

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016)

基于NBL电子束曝光系统合轴研究

吴文涛，王振亚，徐 磊

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016)

详述了电子束曝光系统的原理、种类、系统的构成和合轴的原理，以及如何使NBL(微纳投影)电子束曝光系统更好、更快地进行合轴，从而使NBL电子束曝光机处于最佳工作状态。

电子束；曝光系统；微纳投影(NBL)；合轴

在过去的几年中，半导体技术取得了飞速的发展，已正式进入纳米阶段，因为图形曝光技术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等领域相关的半导体加工技术取得了飞速发展。在这些加工技术中，图形曝光技术是半导体制造技术发展的主要推动者，由于曝光图形的线条分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和成本持续降低[1]。

电子束曝光技术是光刻技术的延伸，是指利用某些有机聚合物对电子敏感的特性，将其加工成精细掩模图形的曝光技术。它是近些年才发展起来的集电子光学，精密机械，超高真空，计算机自动控制技术于一体的新兴技术[2]。

1 电子束曝光的原理和优缺点

1.1 电子束曝光系统的原理

电子枪的阴极发射电子经加速极，栅极共同作用后，在阳极孔附近由于电磁透镜径向场的向轴作用力汇聚成极细的电子束，再由物镜将它投射到工件表面上，计算机将微型电子器件上复杂而精细的图形，转换成数据并传输到图形发生器，由图形发生器控制束偏转器和束流的通断在工件上曝光出图形[3]。

1.2 电子束曝光的优缺点

（1）电子束曝光的分辨率高，电子束曝光在较高的加速电压情况下，可以得到较小的束班，取得较高的分辨率，较高的分辨率可以提高器件的性能和可靠性。

（2）与传统的光刻曝光相比较，曝光图形精度优良，电子束的焦深很深，不受工作样品的表面光洁度的影响，可以制造出光学曝光不能制造的器件。

（3）电子束曝光设备的资金投入小，曝光的图形容易改变和修整，非常适合小批量，高性能，图形复杂的器件的研发。

（4）电子束曝光会产生较严重的邻近效应，一定程度上会影响图形的分辨率和图形的精度。

（5）生产率较低，为了提高生产率，人们做出了巨大的努力，使电子束曝光的生产率有了很大的提高，但相对而言，它的生产率还远远低于光学曝光[4]。

2 电子束曝光系统的种类

2.1 基于改进扫描电镜（SEM）的电子束曝光系统

由于SEM的工作方式与电子束曝光机十分相近，最初的电子束曝光机是在SEM的基础上改装发展起来的。扫描电镜光学系统一般是由电子枪、对中线圈、聚光镜、物镜光阑、物镜线圈、扫描线圈、消像散器等构成，这种电子束曝光系统是电子从电子枪发射出来，通过聚光镜和物镜的聚焦获得极细电子束；聚焦电子束受到电磁线圈的控制，使电子束能够通过聚光镜、物镜光阑和物镜等部件最后达到样品表面的曝光系统[5]。

2.2 高斯电子束曝光系统

高斯电子束扫描系统分为矢量扫描方式和光栅扫描方式。

矢量扫描方式曝光是先将曝光图形分割成不同的场，在扫描场内，以矢量方式从一个单元图形跳到另一个单元图形，逐个对单元图形进行扫描，完成一个扫描场描绘后，移动工件台再以同样的方式进行第二个场的扫描，直到完成全部图形的曝光。

光栅扫描方式采用高速扫描方式对整个图形场进行扫描，利用快速束闸，实现选择性曝光[6]。

2.3 成型电子束曝光系统

成形电子束曝光系统按束斑性质可分成固定和可变成形束系统。

固定成形束系统是指采用特殊设计的成形光阑，在成型光阑的作用下形成三角形、梯形、圆形及多边形等在曝光时尺寸始终不变的束斑形状。成型束的最小分辨率比其它曝光系统的分辨率要低些且有束斑尺寸整数倍时会产生重叠区，但曝光效率高，目前广泛用于微米、亚微米及深亚微米的曝光领域如用于掩模版制作和小批量器件生产等。

可变成形束系统在曝光时束斑形状和尺寸可不断变化。电子束经第一方光阑后形成一束方形电子束，再照射到第二方光阑上。该像由成型偏转器上加上不同的电压，就能改变穿过下方光阑的束斑的尺寸和位置，形成可变的成形束斑[7]。

2.4 投影电子束曝光系统

现有电子曝光系统虽能得到极高的分辨率，但相对于光学曝光，其生产率仍比较低，为了进一步提高生产率，近年来正在研发投影电子束曝光系统。它通过由特殊薄膜构成的掩模，经过不同的光阑孔，形成需要曝光的图形角度，再利用分布重复技术，形成所要求的图形。既能使曝光分辨率达到纳米量级，又能大大提高生产率，且不会产生邻近效应[8]。

3 NBL电子束的介绍

NBL电子束曝光机是一款基于SEM电子束曝光系统的直写设备，如图1所示，它主要由主机、逻辑电路、高压电柜、触摸控制四个部分组成。

图1 NBL电子束曝光机

3.1 NBL电子光学曝光系统的基本组成

聚光镜部分由三级透镜组成，用来汇聚电子枪发出的电子束，当电子束偏离第一级透镜的焦点时，穿过光阑，束流中心周围的电子被屏蔽，束流变窄变细，经过第二级透镜和物镜进一步将束斑缩小，电子束经过聚光镜部分使束斑直径非常小。

电子偏转部分，通过图形发生器和数模转换电器去驱动SEM的扫描线圈，每个SEM线圈都包含4个绕组，通过计算机送出的数字量转换成相应的模拟量，通过线圈电流的大小变化来控制电子束向X和Y轴两个不同方向的偏转，从而使电子束偏转。一方面使束流进入最后一级透镜时损失最小，另一方面使电子束在子场内不同区域完成曝光。

图2 NBL电子光学柱简图

3.2 NBL电子束合轴原理

由于有限的加工精度和装配精度，以及其它不确定因素的干扰，因此装配好的电子束曝光系统的同轴性通常达不到要求，所以为使一台NBL电子束达到最佳曝光性能，必须进行严格的合轴调整，对电子束曝光系统的合轴要求是：

（1）电子枪产生的电子束轴线与聚光镜部分对称轴重合，使得电子枪电流密度在试样上对称而又均与分布。

（2）聚光镜部分的对称轴线重合，当调节任一聚光镜激磁电流时，电子束只有孔径角的大小变化，使得束斑只有大小模糊的变化，而没有位置的偏移。

（3）偏转部分轴线的重合，当物镜调焦时，图像只发生清楚和模糊变化，即图像的旋转中心与NBL的公共轴线不发生偏移[9]。

3.3 NBL电子束合轴调节顺序

对于NBL电子曝光机来说，利用系统工具SEM，在Mainfield模式下，调节电子束的圆形光斑，通过机械合轴和电子合轴方式把电子束的圆形束班调节到SEM的中心，然后通过Lens中的wobber工具，利用电子光学的共轭关系，观察mark的变化，最后调节电子束的电子偏转部分，直到电子束曝光系统的各个部分与公共轴线完全重合，完成合轴工作。NBL电子束合轴调整流程图如图3所示。

3.3.1 电子枪的合轴

电子枪的合轴是NBL电子束合轴调节的第一步，也是后面所有合轴的基础。

图3 NBL电子束合轴流程图

（1）移出电子束光阑，使得电子束曝光系统的视场变的最大，电子束不再通过光阑孔到达基片表面。

（2）设置聚光镜部分的激励电流为零，使电磁透镜不再起聚焦的作用，消除电磁透镜对电子束的聚焦约束作用。

（3）设置电子偏转线圈的电流为零，消除对电子束两个方向的偏转作用。

通过以上步骤，消除一切电子束从电子枪阴极发射出来后到达基片过程中的一切影响后，通过观察电子束在基片上的圆形光斑是否在NBL的虚拟中心来判断电子束的中心，如果电子束的光斑偏于虚拟光斑之外，可以通过调节电子光学柱上的4个定位螺丝和通过改变aligner的X，Y值的大小一起把电子枪的中心调节到光学柱的中心。

3.3.2 聚光镜的合轴

电子束的聚光镜采用的是轴对称电磁场，它对带电粒子具有聚焦作用，如果聚光镜部分的各种透镜的轴线不重合，这会出现各种有害的像差，严重时甚至超过规定的视场范围，给使用和调试带来不变。在NBL的移动平台上，有一个金属聚焦小模块。称之为mark，它的作用是在整个合轴系统中作为合轴的参照物。借助于SEM的工具，在不断的改变聚光镜的激励电流的大小和调节光阑的位置，直到像只有清晰和模糊的变化，而没有像的位置改变，如图4所示，在NBL中wobber状态下，mark在原地做心跳式变化，而没有位置的跳动。

图4 在wobber工具下的mark

3.3.3 偏转部分的合轴

对于NBL来说，在NBL的移动平台上，有一个金属模块。它由11个阶梯组成，每个阶梯相差0.11 mm，每个都有一个固定的聚焦小模块，它的主要作用是与不同高度的片盘相适应，第一个小模块处于最高的位置上，并且它最接近法拉第杯，当调节偏转部分的合轴电流时，只有焦点位置的变化，表明偏转部分的中心也在公共轴线上。图5所示是NBL选用的mark6，在测量此合轴时，NBL在mark3到mark8不同高度之间测得mark6的焦点，但焦点的变化是线性关系，表明电子束聚焦在mark6时，通过改变偏转部分的电压时，mark6的图像只有清楚和模糊的变化，而不会发生位置的偏移和旋转。

图5 mark6的焦点位置图

3.4 NBL的自动合轴调节

在电子枪合轴，聚光镜合轴，电子偏转合轴完成后，对于NBL来说，只是完成了初步合轴。进一步的精密合轴将由所编程序进行完成，在程序合轴中，Aligner x，y，Lens2，Lens3，将不断反复的进行微调，以满足NBL曝光所需要的误差值。再进行光阑的调试，确保光阑在控制电路的配合下，能完成对电子束的通断功能，并且通过法拉第杯测量电子束的基片电流，以便算出所需的曝光时间，在进行合轴时，电子束在不同的主场和子场中，不停地做纳米级微位移，通过mark不断测量和计算合轴的误差数据，最终达到设备所要求的误差范围内，如图6所示，整个NBL电子曝光系统的合轴才算最终完成。

图6 NBL电子束合轴完成图

4 结 论

要使一台电子束曝光机处于良好的工作状态，整个聚焦成像系统的合轴调试是十分重要且需要反复进行的复杂工作，本文主要根据所使用NBL电子束曝光设备，在进行NBL设备合轴调试过程中，总结出电子束合轴包括电子枪合轴，聚光镜合轴和电子偏转系统合轴的过程和原理，在进行合轴时，可以更好更快地调节到所需最大的束流和最佳的交叉斑直径，大大提高了合轴的效率。

[1] 王振宇.电子束曝光技术及其应用综述[J].半导体技术，2006，31(6)：418-422.

[2] 刘明.电子束曝光技术发展动态[J].微电子学，2000，30(2)：117-120.

[3] 顾文琪.电子束曝光微纳加工技术[M].北京：北京工业大学出版社，2004.

[4] 肖士樟，冉启钧.电子光学应用[M].成都：电子科技大学出版社，1995.

[5] 刘俊彪.基于SEM纳米级电子束曝光机的快速束闸设计[J].晶圆加工设备，2008，10(2)：10-13.

[6] ohta H Matsuzaka T.，Santon N.New optical column with large field for nano-meter e-beam lithography system[A]. Ptoc SPIE2437[C].Bellingham：SPIE，1995.

[7] 吴克华.电子束扫描曝光技术[M].北京：宇航出版社，1987.

[8] 顾文琪，张福安.一种新型的具有角度限制的电子束曝光技术[J].微纳电子技术，2002，39(4)：37-41.

[9] 肖士樟，冉启钧.电子光学应用[M].成都：电子科技大学出版社，1995.

Study on the Coincidence of the Electron Beam Exposure System Based on NBL

WU Wentao，WANG Zhenya，XU Lei

(The 55ndResearch Institute of CETC，Nanjing 210016，China)

This paper introduces the principle and types of electron beam exposure system，and the principle of coincidence，and how to make the NBL（Nano Beam Lithography)electron beam exposure system better，faster of coincidence，so that the NBL electron beam exposure machine in the best working condition.

Electron beam；Exposure system；NBL（Nano Beam Lithography）；Coincidence

TN305.7

A

1004-4507(2016)12-0025-06

2016-12-04