摘要
微納制造（Micro-nanofabrication）、電子束光刻系統(tǒng)（Electron Beam Lithography System）、圖形發(fā)生器（Pattern Generator）、 拼接（Stitching）、套刻（Overlay）
簡介
在電子和電氣制造業(yè)中，光刻技術(shù)是制造無源/有源器件的重要步驟。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米光刻技術(shù)作為一種重要的納米結(jié)構(gòu)和納米器件制造技術(shù)，越來越受到人們的關(guān)注。尤其是電子束光刻技術(shù)（EBL），以其高分辨率和出色的靈活性在納米光刻技術(shù)中發(fā)揮著不可替代的作用。電子束的束斑尺寸可聚焦到小于一個納米，并可生成超高分辨率的圖案。因此，EBL 在納米電子學(xué)、納米光學(xué)和其他大多數(shù)納米制造領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。
掃描電子顯微鏡是核心部件，為EBL系統(tǒng)提供電子光學(xué)系統(tǒng)。電子光學(xué)性能直接影響到EBL系統(tǒng)的分辨率和穩(wěn)定性，因此必須選擇合適的掃描電鏡。經(jīng)過分析和比較，我們發(fā)現(xiàn)熱場發(fā)射掃描電鏡在電子束束流的整體穩(wěn)定性、最大化探針電流和降低電子束噪聲以及對環(huán)境的敏感性等方面均優(yōu)于冷場發(fā)射掃描電鏡。掃描電子顯微鏡的主要功能是產(chǎn)生電子束、聚焦電子束和控制電子束的開和關(guān)，從而實現(xiàn)電子束掃描。
圖形發(fā)生器是利用掃描電子顯微鏡組裝EBL系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。圖形發(fā)生器的主要功能是解釋軟件包生成的數(shù)據(jù)，并控制掃描電子顯微鏡的電子束偏轉(zhuǎn)和電子束束閘的工作，以實現(xiàn)高分辨率電子束光刻。圖2顯示了圖形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。它由操作控制單元、掃描單元、圖像采集單元等組成。
圖形發(fā)生器在將圖形數(shù)據(jù)（pattern data）轉(zhuǎn)換為shot數(shù)據(jù)（shot data：曝光區(qū)域）的過程中需要高速度和高精度。因此，操作控制單元采用了數(shù)字信號處理器（DSP）。DSP具有強(qiáng)大的運算能力，可在80個時鐘周期內(nèi)完成32浮點運算的乘除運算。因此，圓、環(huán) 和其他復(fù)雜的曲線形狀都能以極快的速度進(jìn)行解釋。
掃描單元由兩組 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 控制。兩組DAC均包括一個主DAC和三個乘法DAC。主DAC接收圖形坐標(biāo)，三個乘法DAC接收增益、偏移、旋轉(zhuǎn)和工件臺的位置修正。掃描單元還能產(chǎn)生blanking信號，以控制電子束束閘的工作。
EBL系統(tǒng)非常復(fù)雜和精密，需要一個功能齊全、易于操作的軟件系統(tǒng)來確保其正常運行。軟件系統(tǒng)的主要功能包括初始化系統(tǒng)、生成曝光數(shù)據(jù)、檢測系統(tǒng)組件的狀態(tài)、校正掃描區(qū)域、傳輸曝光數(shù)據(jù)和參數(shù)以及控制曝光過程。根據(jù)這些功能要求，軟件系統(tǒng)設(shè)計了三個模塊：曝光布局處理功能模塊、對位控制功能模塊和曝光控制功能模塊。軟件系統(tǒng)是基于Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)。曝光布局處理模塊的主要目的是生成曝光數(shù)據(jù)格式（EDF：exposure data format）文件。這需要經(jīng)過兩個過程，一個是曝光布局設(shè)計，另一個是格式轉(zhuǎn)換。可以通過繪制和編輯圖形直接設(shè)計各種布局。另一種創(chuàng)建曝光布局的方法是導(dǎo)入常見的工業(yè)布局（industrial layout），如 Caltech Intermediate Format (CIF) 和 Graphic Design System II (GDSII) 格式文件，這個文件都是可以方便地進(jìn)行編輯的。文件格式的解析以BNF（Backus-Naur Form）規(guī)則為基礎(chǔ)，采用遞歸下降解析法。無論是直接設(shè)計的布局，還是導(dǎo)入的常見工業(yè)布局，都可以傳輸?shù)紼DF文件中。
對準(zhǔn)控制模塊用于實現(xiàn)掃描場對準(zhǔn)和坐標(biāo)對準(zhǔn)。這可以通過掃描和獲取標(biāo)準(zhǔn)棋盤圖像、調(diào)整標(biāo)記位置、計算校正參數(shù)并將其傳送給圖形發(fā)生器來實現(xiàn)。然后，圖形發(fā)生器根據(jù)這些校正參數(shù)控制電子束偏轉(zhuǎn) 再次掃描，完成掃描場和坐標(biāo)對準(zhǔn)。
其中，A 是電子束的束流大小，單位為皮安（pA）。TA、TL和TD分別是區(qū)域、線和點的曝光停留時間，單位為毫秒（ms）。SA和SL分別是區(qū)域和線條的步長，單位為微米（um）。然后，從曝光布局處理模塊獲取的EDF文件，這些曝光參數(shù)被傳輸?shù)綀D形發(fā)生器，圖形發(fā)生器將根據(jù)存儲在EDF文件中的布局信息控制電子束偏轉(zhuǎn)。
曝光實驗是在基于JSM-35CF SEM的電子束光刻系統(tǒng)上進(jìn)行的。曝光實驗包括拼接實驗、套刻實驗和圖案曝光。拼接和套刻精度是評價EBL設(shè)備性能的重要評價指標(biāo)。
“非接觸式方法還將減少差錯和掩模上的灰塵。即使有一點灰塵最終在晶圓上也會變得很小，通常不會造成任何問題：這最終將提高芯片的良率。
他們的設(shè)備還必須能夠?qū)⒕A移動到1微米精度的光區(qū)里，以便以極高的準(zhǔn)確度曝光下一個圖案。其中對準(zhǔn)是一個主要問題。大約10次的連續(xù)曝光必須精確疊加。
最大的問題是，機(jī)器將如何在晶圓上準(zhǔn)確定位？這不是一個容易解決的問題：由于中間所有的化學(xué)和物理處理，他們在晶圓上制作的任何標(biāo)記或其他圖案最終都會消失不見；此外，晶圓也會被一層新的光刻膠覆蓋以曝光下一個圖案。是否能制造出這樣一種設(shè)備，可以一個接一個地把所有的圖案都投射到晶圓上，同時將誤差保持在幾十分之一微米的范圍內(nèi)？
“如何以最快的速度將只有幾微米寬的圖案投射到晶圓上？其中最困難的地方之一是對準(zhǔn)掩膜和晶圓。就像前面說到的，非接觸式光學(xué)投影的原理大部分是明白易懂的，但對準(zhǔn)問題是如此棘手，以至于范?？撕筒夹菘梢宰龅降?，但要想完成這件事，還需要瘋狂的努力。他們想要制造的這種設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)是相當(dāng)大的：它需要絕對高的精度，而且還必須可靠和快速。舉例來說，鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)格。要精確地疊加10層投影或10層以上的曝光，鏡頭必須沒有絲毫失真。但這一切都是從對準(zhǔn)開始的，對準(zhǔn)從字面上和實際意義上來說都是一個簡單的詞。在機(jī)器將圖案投射到整個晶圓上之前，首先要知道晶圓的確切位置；然后，晶圓的坐標(biāo)必須與掩模的坐標(biāo)完全一致，且必須達(dá)到幾十分之一微米的精度。這不是手工可以做到的事情，因為這將花費太多時間。
“讓機(jī)器首先大致確定晶圓的位置，它們首先需要做到粗控制，以使對準(zhǔn)標(biāo)記在激光束的范圍內(nèi)；然后，設(shè)備必須以極高的精度對準(zhǔn)晶圓和掩模上的標(biāo)記，一旦做到了這一點，設(shè)備就能準(zhǔn)確地定位晶圓；最后，它可以投射圖案到晶圓上。”
