大有前途的电子束光刻技术

摘 要：本文介绍了电子束光刻技术的基本原理及发展情况，对电子束光刻技术在现代高技术产业中的重要作用进行了论述，并对比其他微细加工技术，提出要大力发展我国的电子束光刻技术与设备。

关键词：微电子技术 电子束 光刻 前途

中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0072-01

光刻是现代集成电路制造的基础工艺技术，也是最关键、最核心的加工技术。它就像洗相片一样，将电路图形投影到底片（硅芯片）上，然后刻蚀加工出电路、元器件。制造一片集成电路，要经过200～300多道工序，其中要经过多次光刻，占用总加工时间的40%～50%，光刻工艺的水准直接决定了一国电子技术的水平。

现代微电子技术的发展基本遵循摩尔定律，也就是说：每18个月左右，集成电路元器件的特征尺寸要缩小1/2，集成密度要增加一倍。西方发达国家把微电子技术作为一项战略产业，对发展中国家严格实行技术封锁限制。像美国国会就规定，卖给中国的集成电路关键加工设备要比美国的水平低2代。今天，INTEL（英特尔）公司已经可以投产元器件尺寸为10 nm左右的集成电路，而我国相应的水平只有40 nm，加工水平相差2代（即20 nm、10 nm）。

我国已经在过去数个五年计划中将微电子技术列为高技术重点工程，在一些方面取得了一定进展。这其中光刻加工设备一直是重点中的重点。目前，国际上采用的主流工艺是光学光刻。光学光刻的光源从波长较长的红外线一直发展到了今天的紫外线，但是光学光刻正在日益接近其物理极限，也就是说再往小的加工，就会遇到原理性的障碍，而无法进行下去。各工业强国都在加紧开发下一代光刻工艺，主要的技术方法有：x射线光刻、深紫外线投影光刻、电子束光刻、离子束光刻等。在各种方案中，电子束光刻以其特有的魅力，成为大有前途的下一代加工技术。

所谓电子束光刻，就是用电子源发出电子束，经过掩膜和电子透镜，将图案投射到硅片上，从而形成电子线路的工艺技术。电子束加工技术是近30年来发展起来的一门新兴技术，它集电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代高新技术于一体，是推动微电子技术和微细加工技术进一步发展的关键技术之一，因而已经成为一个国家整体技术水平的象征。电子束曝光技术广泛地应用于高精度掩膜、新一代集成电路研制及新器件、新结构的研究与加工等方面。目前，世界各国都投入了大量人力、物力、财力进行电子束微细加工技术研究。20世纪90年代以来，美、日的一些研究部门采用电子束曝光技术，已经制造出高精度纳米级掩膜和器件。电子束光刻也是研究新一代量子器件的有力工具。

电子束光刻中使用的曝光机一般有两种类型：直写式与投影式。直写式就是直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的芯片上，不需要光学光刻工艺中最昂贵和制备费时的掩膜；投影式则是通过高精度的透镜系统将电子束通过掩膜图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上。一般直写式曝光机主要使用的是热场发射源（表面镀ZrO的钨金属针尖），工作温度在1800K，和冷场发射源相比可以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。电子源发射出来的电子束的聚焦和偏转是在镜筒中完成的。镜筒通常包含有光阑、电子透镜、挡板、像散校正器和法拉第电流测量筒等装置。光阑的作用主要是设定电子束的会聚角和电子束电流。电子透镜的作用是通过静电力或是磁力改变电子束的运动。电子透镜类似光学透镜，也存在球差和色差（当外圈电子会聚比内圈电子强时就形成了球差，而当能量有微小差异的电子聚焦在不同平面上时就形成了色差），从而限制了束斑的大小和会聚角的范围。像散校正器可以补偿不同方位角电子束的像差。挡板的作用是开启或关闭电子束。结合刻蚀和沉积工艺，利用直写式曝光技术可以制备20 nm甚至更细的图形，最小尺寸达10 nm的原理型纳米电子器件也已经制备出来。由于直写式曝光技术所具有的超高分辨率，无需昂贵的投影光学系统和费时的掩膜制备过程，它在微纳加工方面有着巨大的优势。但由于直写式的曝光过程是将电子束斑在表面逐点扫描，每一个图形的像素点上需要停留一定的时间，这限制了图形曝光的速度。直写式电子束光刻在产能上的瓶颈使得它在微电子工业中一般只作为一种辅助技术而存在，主要应用于掩膜制备、原型化、小批量器件的制备和研发。但直写式电子束曝光系统在纳米物性测量、原型量子器件和纳米器件的制备等科研应用方面已显示出重要的作用。

投影式曝光机是指将大束的电子束，照射到掩膜上，然后通过掩膜上的图案缝隙，将图案投影到芯片上。这种方法和当前的光学光刻技术是相同的。由于电子束不像光那样有光学的衍射效应，因此可以将图案做的很小，大大提高集成度。

这两种方法各有其优缺点，用直写式加工方法，电子束直接在芯片上扫描，形成图案，优点是省却了制作复杂、价格昂贵的掩膜，缺点是电子束能量太小，因而要在一个点上投射很长时间，这就限制了加工速度，使其不能在大规模生产中应用。而用投影式曝光加工方法，需要制备昂贵的掩膜，而且由于电子能量太小，打到任何物质上都会发生反射、散射等情况，这使得成像效果大打折扣。

然而，这些问题都不能掩盖电子束加工技术的未来希望。例如：台湾第一大集成电路代工厂―― 台积电，已经开发出了一种直写式电子束加工设备，它用几千个电子束形成扫描阵列，大大加快了扫描速度。美国的麻省理工学院最近开发出了新的投影式电子束加工设备，用新开发的光刻胶，并把它更薄地涂覆在硅片上，从而减低了电子束的散射所带来的邻近效应，大大加快了生产速度。

虽然上述技术上的进展并不能立即使电子束光刻技术取代光学光刻，但正如一位哲人说过：只有登上山顶，才能看到那边的风光！中国的半导体微细加工制造业要迎头赶上世界先进水平，就要发挥后发优势，正确把握技术发展的方向，做到后发而先至。电子束光刻加工技术正是未来大有希望的发展方向。