4700S電子束曝光機圖形曝光模式及其應用

董 磊

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

4700S電子束曝光機圖形曝光模式及其應用

董 磊

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

通過對MEBES 4700S電子束曝光機不同圖形曝光模式特性的比較和分析，得到其在160MHz和320MHz曝光像素頻率和不同設計柵格尺寸下的適用范圍，以利用MEBES 4700S生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版，達到最佳的制版效果。

MEBES 4700S；電子束曝光機；圖形曝光模式

1 引 言

MEBES 4700S是一套由美國ETEC公司生產(chǎn)的，具有熱場致發(fā)射（TFE）鏡筒和320MHz曝光像素頻率的高精度、高分辨率和高產(chǎn)量的電子束曝光系統(tǒng)。它可以用于微電子領域的掩模版制造和硅片直寫。

由于MEBES 4700S具有多種不同的圖形曝光模式，在利用其制作掩模版的時候，需要根據(jù)每一種圖形曝光模式的特點靈活選用其中的一種或幾種組合來達到最佳的制版效果。通過對不同圖形曝光模式特性的比較和分析得到了其在不同設計柵格尺寸和曝光像素頻率下的適用范圍，在實際生產(chǎn)中，以此作為指導可以更好地發(fā)揮每種圖形曝光模式的優(yōu)勢，生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版。

2 MEBES4700S系統(tǒng)概述

2.1 高精度

MEBES 4700S具有的動態(tài)校正技術可以補償工作臺位置、寫掃描線性度、光柵畸變和襯底平整度等幾個主要系統(tǒng)誤差源的誤差。提高精度的動態(tài)校正模塊包括：

·自動寫掃描校正——通過使用電荷放大技術，優(yōu)化了掃描帶的拼接

·動態(tài)柵格匹配——提高了版對柵格的對準和成套版間的套準精度

·高度檢測和校正——減小了X方向和Y方向掃描帶拼接誤差

·線性度校正——提高了圖形定位精度

·光柵校正——減小了系統(tǒng)定位誤差

·自動版架裝載系統(tǒng)——提高了裝版精度，減少版的沾污

·熱場致發(fā)射高溫計控制——增強了曝光劑量的穩(wěn)定性和線寬的均勻性

2.2 高產(chǎn)量

MEBES 4700S通過使用以下幾方面技術來實現(xiàn)高產(chǎn)量：

·超快速高吞吐量圖形存儲器數(shù)據(jù)通路——直接接收來自圖形文件管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，節(jié)省了圖形填充時間

·草寫模式——減少了工作臺移動

·可選的多級灰度寫策略——實現(xiàn)了掃描質(zhì)量、曝光劑量和生產(chǎn)能力的同步提高

·TFE鏡筒——能產(chǎn)生高劑量等級的束斑，可對0.4～2.5μC／cm2感度的光致抗蝕劑曝光

2.3 高分辨率

MEBES 4700S可以滿足最小圖形特征尺寸350nm的1∶1掩模版制版要求。

·TFE鏡筒——可在80～400nm圓形高斯束斑直徑上提供很高的電流密度

·25nm最小寫地址——可實現(xiàn)精確的圖形邊緣定位精度

·GHOST臨近效應補償技術——可實現(xiàn)350nm最小圖形特征尺寸

3 圖形曝光模式

對于MEBES 4700S來說，標準的圖形曝光模式包括：2倍多相位打?。?×MPP）、單次打?。⊿PP）、虛擬地址（VA）、偏移掃描表決（OSV）、鄰近效應補償（OPC）和相移掩模對準（PSM）等幾種曝光模式。另外，還有作為可選項的多級灰度（MPG）曝光模式。

3.1 2×MPP曝光模式

2×MPP曝光模式的曝光劑量和曝光質(zhì)量可以和MPG曝光模式相媲美，但曝光速度和SPP曝光模式相同。對于大于40nm小于80nm范圍內(nèi)的設計柵格尺寸推薦使用2×MPP曝光模式。如果沒有MPG選項，對于小于40nm范圍內(nèi)的設計柵格也推薦使用2×MPP曝光模式。

2×MPP曝光模式對同一個圖形數(shù)據(jù)進行四次曝光，其寫地址尺寸是設計柵格尺寸的兩倍，即每一個曝光像素對應四個數(shù)據(jù)像素。

3.2 SPP曝光模式

SPP曝光模式是MEBES的一種傳統(tǒng)曝光模式，適用于曝光設計柵格尺寸大于等于80nm范圍內(nèi)的掩模版，如圖1所示，其一個曝光像素對應一個數(shù)據(jù)像素。

3.3 虛擬地址

虛擬地址修改了圖形數(shù)據(jù)的處理。如圖2所示，一個曝光像素對應四個數(shù)據(jù)像素。對位于圖形邊緣的曝光像素每隔一個曝光像素曝光一次，即只曝光位于奇數(shù)寫地址的邊緣曝光像素，通過這種方式來保持圖形邊緣的定位精度。

圖1 SPP曝光模式

圖2 虛擬地址曝光模式

3.4 偏移掃描表決

偏移掃描表決多次曝光同一個圖形，每次曝光都比前一次曝光偏移一個平均誤差。用戶可以確定曝光次數(shù)，一般為兩次或四次。在沒有其它曝光模式確定曝光像素和數(shù)據(jù)像素比例的情況下，偏移掃描表決的一個曝光像素對應一個數(shù)據(jù)像素。使用曝光次數(shù)為四次的偏移掃描枚舉時，圖形被曝光四次，每次寫掃描邊緣上移掃描高度的四分之一。由于在MPP曝光模式中圖形也被曝光四次，所以它通常跟偏移掃描表決結(jié)合使用，如圖3所示，這樣不會對生產(chǎn)能力造成額外損失。OSV可以提高精度和標稱分辨率，但生產(chǎn)能力因此下降。它適和應用于那些需要通過多次曝光來實現(xiàn)某一具體曝光劑量的場合。

圖3 偏移掃描表決曝光模式

3.5 臨近效應補償

臨近效應補償可以使用戶能夠制作更細線寬的掩模版。MEBES使用GHOST技術來實現(xiàn)對亞半微米圖形線寬控制的均勻性。如圖4所示，整個工藝過程需要對圖形進行兩次曝光。第一次曝光，或者說主曝光，是對圖形的正常曝光；第二次曝光，或者說GHOST曝光，和第一次曝光相比，曝光束斑比主曝光束斑大，同時圖形的數(shù)據(jù)區(qū)黑白相反，即原來圖形曝光的部分，這次不曝光，原來圖形不曝光的部分，這次曝光。GHOST技術所提供的背景曝光使臨近圖形之間的背散射劑量得以平衡。

圖4 GHOST鄰近效應補償

3.6 相移掩模對準

相移掩模對準可用于對一個已經(jīng)經(jīng)過整個制版工藝處理并重新涂上光致抗蝕劑的掩模版進行二次曝光時的對準。要對準相移掩模，在第一次圖形曝光開始前，掩模版上的圖形必須包含一組對準標記，用于二次曝光對準。

3.7 MPG曝光模式

作為可選項，MPG曝光模式是MEBES 4700S最先進的圖形曝光模式，它對于新型高對比度的光致抗蝕劑具有傳統(tǒng)SPP曝光模式四倍的曝光劑量，它通過多次曝光和偏移掃描曝光，減少了系統(tǒng)誤差和隨機誤差，顯著提高了曝光質(zhì)量。其對版的曝光速度是SPP或者2×MPP曝光模式的四倍，如圖5所示。MPG曝光模式適用于設計柵格尺寸小于等于40nm的掩模版。對于設計柵格尺寸大于40nm的掩模版，由于最大電流、聚焦束斑大小等系統(tǒng)限制，會影響灰度等級的表現(xiàn)能力，所以不推薦使用。

通過使用灰度等級來提高印刷、視頻顯示和激光掩模圖形發(fā)生器等領域圖形產(chǎn)生的質(zhì)量，基本光柵技術的應用得到增強。MPG曝光模式把這種增強的光柵灰度等級技術引進到了MEBES平臺。

圖5 MPG曝光模式

3.7.1 MPG曝光模式的圖形邊緣灰度等級

MPG曝光模式通過對襯底進行四次偏移曝光來產(chǎn)生灰度等級。由于每一次曝光都會貢獻總的可獲得曝光劑量的25%，因此四次曝光會產(chǎn)生四種灰度等級，即25%、50%、75%和100%，如圖6所示。

使用MPG曝光模式曝光的圖形其圖形邊緣位置是曝光柵格尺寸和傳導到數(shù)據(jù)像素上的曝光劑量的函數(shù)。通過調(diào)節(jié)傳導到離散灰度等級上的數(shù)據(jù)像素的曝光劑量，MPG曝光模式可以使圖形邊緣的位置按照灰度等級等分的曝光柵格距離移動。

圖6 MPG曝光模式圖形邊緣灰度等級示意圖

3.7.2 MPG曝光模式的生產(chǎn)能力

MPG曝光模式使用的曝光柵格尺寸是設計柵格尺寸的4倍，理論上每次曝光速度是SPP的16倍，由于MPG需要通過4次曝光產(chǎn)生4個灰度等級，所以其生產(chǎn)能力是SPP曝光模式的4倍。

4 不同圖形曝光模式的分析和比較

MEBES 4700S工作在320MHz數(shù)據(jù)通路時可以有兩種曝光像素頻率即320MHz和160MHz。頻率越快，其對應的最大設計柵格尺寸越小。工作在160MHz曝光像素頻率時其對應的設計柵格尺寸的最大值不能超過275nm，工作在320MHz曝光像素頻率時的設計柵格尺寸的最大值為160MHz時的一半即137.5nm。在320MHz數(shù)據(jù)通路下，MEBES 4700S不能生產(chǎn)設計柵格尺寸大于275nm的掩模版。

通過以上對MEBES各種曝光模式的研究和分析，根據(jù)它們自身的特點，結(jié)合其在不同曝光像素頻率和不同設計柵格尺寸的適用范圍，可以得到以下結(jié)論，如表1所示。

表1 MEBES 4700S圖形曝光模式適用范圍

5 結(jié)束語

表1對采用MEBES 4700S制作掩模版具有指導意義。在實際應用中，應該根據(jù)設計柵格尺寸的大小選擇合適的曝光像素頻率和曝光模式，生產(chǎn)具有期望精度值圖形的掩模版，以達到最佳的制版效果。

［1］Etec systems，Inc.MEBES 4500 Technical Description［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，1999.

［2］Etec Systems，Inc.MEBES 4500／S Product Introduction［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，2000.

Pattern Exposure Modes and Application of MEBES 4700S Exposure Device

DONG Lei
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Through the comparison and analysis for the features of pattern exposuremodes of MEBES 4700S exposure device，the applicable range is obtained under 160MHz and 320MHz pixel-incrementing rates and different design grids consideration，in order to gain desirable pattern precision and the best effect ofmaking photomask bymeans of MEBES 4700S.

MEBES 4700S；Electron Beam Exposure System；Pattern Exposure Modes

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.003

TN305.6

：A

：1002-2279（2014）05-0008-03

董磊（1981-），男（蒙古族），遼寧朝陽人，工程師，主研方向：掩模加工制造。

2014-01-06