電子束光刻(EBL)在現代電子工業(yè)中，尤其是集成電路領域精細圖案的制作中占據核心地位。這項技術起源于早期的掃描電子顯微鏡，其基本過程是將一束電子掃描過覆蓋有對電子敏感的光阻薄膜的表面，從而以所需圖案的形式在光阻薄膜中沉積能量。
電子束曝光技術的主要特點包括：
1) 它能夠實現分辨率(優(yōu)于20納米)；
2) 它是一種靈活的技術，可以應用于多種材料；
3) 它的速度較慢，比光學光刻慢一個或多個數量級；
4) 它昂貴且復雜(由于鄰近效應的影響)。
EBL技術在高精度和靈活性方面展現出的優(yōu)勢，盡管其速度和成本問題限制了其大規(guī)模應用的可能性。然而，在需要超精細結構和定制化設計的領域，如納米電子學、生物傳感器和量子計算，EBL仍然需要的工具。隨著技術的進步和成本的降低，未來EBL有望在更廣泛的領域發(fā)揮重要作用。
正性光刻膠的工藝流程
在正性光刻膠(positive-tone resist)中，被電子束照射的區(qū)域會發(fā)生化學變化，使其溶解度在顯影液中增加。這意味著被電子束曝光的區(qū)域將在顯影過程中被去除，留下未曝光區(qū)域形成所需的圖案。下面是使用正性光刻膠進行電子束光刻的一般步驟：
基底準備：首先，清潔和處理基底(通常是硅片)，以確保其表面干凈無雜質。
光阻涂布：將正性光刻膠均勻地涂覆在基底上，通常通過旋涂法(spin-coating)來完成，以確保刻蝕劑涂層的厚度均勻。
前烘烤：涂覆后，進行預烘烤(pre-bake)，以減少光刻膠中的溶劑含量并穩(wěn)定其性能。
電子束曝光：使用電子束光刻機，按照預先設計的圖案對光刻膠進行精確曝光。電子束會根據設計要求在光刻膠上沉積能量，改變其化學性質。
顯影：曝光后的光刻膠被放入顯影液中，曝光區(qū)域由于溶解度增加而被去除，留下未曝光的光刻膠作為掩模。
后烘烤：顯影后，進行后烘烤(post-bake)以進一步固化光刻膠，并減少濕氣對后續(xù)加工的影響。
金屬沉積/蝕刻：在光阻掩模保護下，進行金屬沉積或蝕刻，以在基底上形成所需的導電線路或結構。
光刻膠的去除：最后，使用適當的溶劑或等離子體處理去除剩余的光刻膠，暴露出完整的結構。
這些步驟構成了使用正性光刻膠進行電子束光刻的基本流程，每一步都對最終圖案的精度和質量至關重要。
電子束光刻(EBL)的核心概念與光學光刻相似，兩者均涉及在基板上涂覆一層薄薄的光刻膠，隨后通過特定的曝光過程對其進行化學改性。然而，它們之間的關鍵區(qū)別在于曝光源的不同：EBL使用電子束，而光學光刻則利用光。
在EBL中，首先在基板上通過旋涂法均勻地涂覆一層光刻膠。接著，電子束按照預定的圖案對光刻膠進行精確曝光，導致被曝光區(qū)域的光刻膠會發(fā)生化學變化。這些變化使得暴露于電子束下的(或未暴露的，取決于所用光刻膠類型)區(qū)域在特定溶劑中變得可溶，因此在顯影過程中可以被去除。這一過程被稱為“顯影”。
顯影之后，光刻膠上的圖案便顯現出來，形成了一個掩模。此時，可以通過蝕刻、摻雜或涂層等方式將此圖案轉移到基板上，具體方法取決于目標應用和材料特性。例如，如果目標是在半導體材料上創(chuàng)建電路，可能需要進行選擇性蝕刻，以移除未被光刻膠所保護的材料；如果目的是引入某種類型的摻雜劑，則會在光阻掩模的保護下進行熱處理或離子注入。
整個過程完成后，通常還需要進行光阻去除步驟，以清除所有殘留的光刻膠，暴露出完整的圖案化結構。這一步驟對于確保后續(xù)處理的精確性和可靠性至關重要。
總的來說，電子束光刻提供了一種高精度、高靈活性的圖案化手段，尤其是在需要亞微米乃至納米尺度特征的應用中。然而，它也伴隨著成本高昂和處理時間長的挑戰(zhàn)，這限制了其在大規(guī)模生產環(huán)境中的應用。盡管如此，在科研和制造領域，EBL仍然是實現微細化圖案的關鍵技術。
納米制造中的剝離工藝
剝離工藝在納米制造中是一項關鍵步驟，尤其在金屬薄膜和其他材料的圖案化過程中，這些材料無法使用傳統(tǒng)的光刻技術直接蝕刻。剝離工藝通常在材料沉積后使用，用于選擇性地從不需要的區(qū)域移除材料，留下精確的圖案。以下是剝離工藝的詳細解析：
掩模準備：首先在基板上旋涂一層犧牲層(通常是光刻膠)；然后，通過掩模對光刻膠進行曝光，開發(fā)出所需的圖案。
材料沉積：當光刻膠中的圖案建立后，將要圖案化的材料薄膜(如用于電氣接觸的金屬或用于絕緣的介電質)沉積在整個基板表面上。
剝離：材料沉積完成后，將基板浸泡在一種溶劑中，這種溶劑能溶解光刻膠，但不會破壞沉積的材料；隨著光刻膠的溶解，未被光刻膠所保護的材料部分也會隨之脫落，因為它們僅通過光刻膠與基板間接相連；結果是，僅在原先由光刻膠所保護的區(qū)域留下了沉積的材料，形成了所需的圖案。
清洗：最后，對基板進行清洗，去除所有殘留的光刻膠和碎屑，確保圖案的完整性和表面清潔度。
剝離工藝特別適用于需要在非平面或復雜幾何形狀的基板上形成圖案的情況，以及當材料對蝕刻工藝不兼容時。通過這一系列步驟，可以高效且精準地在基板上形成各種復雜的圖案，滿足微電子、納米技術和生物醫(yī)學工程等領域的需求。
其中，在成功移除光刻膠的過程中，下切邊緣(undercutting edges)扮演著重要角色。下切指的是在光刻膠和基板之間形成的側面角度小于90度的結構，這樣的結構在光刻膠底部形成了一定的空間，便于在剝離過程中溶劑和光刻膠的接觸，從而有效促進光刻膠的溶解和移除。
在材料沉積后，未被光刻膠覆蓋的區(qū)域直接與基板相連，而在光刻膠下方的材料則通過光刻膠間接與基板相連。當基板浸泡在溶劑中時，溶劑會滲透到光刻膠和基板之間的間隙，溶解光刻膠，并逐漸削弱其與材料的連接。如果光刻膠與材料和基板之間的界面沒有足夠的下切角度，那么殘留的光刻膠是難以移除的，導致圖案缺陷或材料性能受損。
為了確保剝離過程的順利進行，光刻工藝的設計和實施需要考慮以下幾點：
光刻膠的選擇：不同的光刻膠具有不同的溶解特性和對溶劑的響應，選擇合適的光刻膠對實現良好的下切效果至關重要。
曝光和顯影參數：正確的曝光時間和強度，以及顯影條件，可以影響光刻膠的側壁形狀和穩(wěn)定性，從而影響下切效果。
溶劑的選擇和剝離條件：溶劑的類型及其與光刻膠的相互作用直接影響剝離效率，同時剝離過程中的溫度和時間也需要適當控制。
通過優(yōu)化上述因素，可以有效地產生下切邊緣，確保在剝離過程中光刻膠的移除，從而在基板上留下清晰、無殘留的圖案，這對于后續(xù)的納米制造步驟至關重要。
EBL中的束流遮斷策略
在電子束光刻(EBL)技術中，束流遮斷(Beam Blanking)策略是實現高精度圖案化的重要組成部分。束流遮斷是指在電子束掃描過程中，通過快速切換電子束的開啟與關閉狀態(tài)，以精確控制電子束在樣品表面的能量沉積位置，從而實現對圖案細節(jié)的精確控制。
硬件遮斷（Hardware Blanking）：這是最直接的束流遮斷方法，通過電子束光刻機內部的機械或電磁裝置，物理地切斷或重新引導電子束路徑，從而在不需要沉積能量的區(qū)域阻止電子束到達樣品表面。這種方法響應速度快，但可能受到機械或電磁延遲的影響。
軟件遮斷（Software Blanking）：軟件遮斷策略依賴于電子束控制系統(tǒng)中的算法，通過對電子束發(fā)射信號的實時控制，實現電子束在掃描過程中的動態(tài)開啟和關閉。這種方法允許更靈活的圖案生成，但對系統(tǒng)的響應時間和控制精度有較高要求。
束流遮斷策略的選擇和優(yōu)化對于提升電子束光刻的分辨率、速度和圖案質量至關重要。通過精確控制電子束在樣品表面的能量沉積，可以實現復雜圖案的高效和準確生成，滿足微納米器件制造領域的高要求。然而，這也帶來了對電子束光刻系統(tǒng)硬件和控制軟件的更高挑戰(zhàn)，需要不斷的技術創(chuàng)新和優(yōu)化來克服。
駐留時間
盡管在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)中，入射電子束的直徑約為幾個納米，但分辨率實際上受到電子束在光刻膠中因入射和二次電子散射效應導致的束流展寬所限。這種散射效應，也稱為鄰近效應，會導致作用體積急劇增大，進而使得被照射材料的直徑顯著增加。由此可知，可實現的最小圖案尺寸取決于電子-光刻膠相互作用和電子-基底相互作用，這些相互作用由以下因素決定：
電子束能量：較高的電子束能量會導致更深的穿透和更大的散射，從而影響分辨率。
光刻膠類型：不同類型的光刻膠對電子的吸收和散射特性不同，這會影響圖案的形成和分辨率。
光刻膠厚度：光刻膠的厚度會影響電子束的穿透深度，進而影響圖案的清晰度和分辨率。
曝光時間（劑量）：曝光時間越長，劑量越大，電子束對光刻膠的影響也越大，可能會影響圖案的精細度。
顯影時間：顯影過程會進一步影響圖案的形成，不當的顯影時間可能導致圖案的模糊或變形。
雖然電子束直徑是影響分辨率的一個因素，但在電子束光刻中，上述因素對最終圖案的清晰度和精度影響更大。因此，要優(yōu)化分辨率，就需要細致調整上述參數，以平衡各種相互作用，確保電子束能量的精確傳遞和圖案的清晰形成。這通常需要實驗和理論模型的結合，以找到最佳的工藝參數組合，從而在給定的材料和設備條件下實現最高的分辨率。
鄰近效應
7.1 前向散射（Forward scattering）
在前向散射過程中，入射電子可能與基板或光刻膠中的原子電子碰撞。入射電子的方向會因此改變，并將部分能量轉移給目標原子。如果目標原子是光刻膠分子的一部分，這種激發(fā)或電離可能會導致分子鏈斷裂。由于非彈性散射造成的散射角通常較小。概括而言，前向散射通過電子與之間的相互作用導致聚焦電子束展寬，進而決定了單個特征的分辨率極限。
要減少前向散射的影響，可以采取以下措施：
提高電子束電壓：更高的電子束電壓可以使電子更容易穿透光刻膠和基板材料，減少與原子的非彈性散射事件，從而減小散射對分辨率的負面影響。
降低光刻膠厚度和原子質量/原子數：較薄的光刻膠層和較低的原子質量/原子數意味著電子在光刻膠中的穿透路徑較短，與原子相互作用的機會減少，從而降低散射概率，有助于提高分辨率。
需要注意的是，雖然提高電子束電壓可以減少散射效應，但它也可能帶來其他問題，比如增加對光刻膠的損傷和降低對比度。同樣，降低光刻膠厚度雖然可以改善分辨率，但可能會對圖案的保真度和穩(wěn)定性產生不利影響。因此，在實際應用中，需要仔細權衡這些因素，以達到最佳的工藝結果。
7.2 背向散射（Backscattering）
背散射是指入射電子與基板中較重的原子核發(fā)生碰撞，導致彈性散射的現象。在這種情況下，電子保留了大部分能量，但改變了其運動方向。背散射的散射角度可能很大。經過大角度散射后，電子可能從遠離入射電子束的位置重新穿過光刻膠返回，從而造成額外的光阻曝光。簡而言之，來自基底的背散射電子會因為對光刻膠底部的額外曝光(過曝)而導致特征的下切邊沿受到影響。這些電子由于能夠曝光相鄰的特征，從而限制了圖案間距的分辨率。
要減少背散射的影響，可以采取以下措施：降低基底的原子質量/原子數。使用原子質量或原子數較低的材料作為基板可以減少背散射事件的發(fā)生，因為輕元素的原子核與電子碰撞時，電子改變方向的概率較小，從而減少了背散射電子的數量和影響。
劑量調制
劑量調制是一種常用的方法，用于校正鄰近效應，其中可以為每個像素應用不同的劑量因子F。通常，圖案中的每個單獨形狀都被分配一個劑量，使得(理論上)該形狀以正確的尺寸打印出來。為了解決形狀之間的相互作用所需要的計算是非常耗時的。盡管電子散射的實際效果是增加了大面積區(qū)域接收到的劑量，但出于實際考慮，近距離校正通常認為大面積區(qū)域接收的基本劑量是統(tǒng)一的，而較小和/或孤立的特征接收更大的劑量來補償。
劑量調制的工作原理是基于這樣的認識：電子在光刻膠中的散射會導致大面積區(qū)域接收到的劑量高于預期，而小面積或孤立的特征則可能接收到的劑量不足。為了保證所有特征都能正確地曝光，必須對不同特征施加不同的劑量。對于大面積特征，由于其本身就會接收到過多的劑量，因此可以使用較低的劑量。而對于小面積或孤立的特征，由于其周圍缺少其他特征導致的散射電子補充，所以需要施加更高的劑量來確保這些特征能夠充分曝光。
劑量調制的具體實施通常涉及到復雜的計算和模擬，以確定每個特征所需的正確劑量。這包括考慮電子散射的范圍、光刻膠的性質、電子束的能量以及特征的尺寸和位置等因素。通過這些計算，可以生成一個劑量圖，指導電子束光刻機如何在圖案的不同部分施加不同的劑量。劑量調制的計算非常耗時，尤其是在處理復雜圖案或大規(guī)模集成電路時。因此，高效的計算算法和強大的計算資源對于實現快速而準確的劑量調制至關重要。
