熱場(chǎng)發(fā)射電子槍在電子束光刻機(jī)中的應(yīng)用研究*

郝曉亮，趙英偉，孫 虎，王秀海，曹 健，馬培圣，任澤生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

光刻工藝是半導(dǎo)體加工領(lǐng)域的核心工藝，光刻工藝的水平體現(xiàn)了半導(dǎo)體工藝的發(fā)展水平。光刻機(jī)作為光刻工藝的關(guān)鍵加工設(shè)備，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

電子束光刻是利用電子束在涂有感光膠的晶片上直接描繪圖形的技術(shù)[1]，它的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，焦深比較深，圖形容易修改；缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低。電子束光刻機(jī)主要應(yīng)用在掩膜版的制造領(lǐng)域和芯片的納米級(jí)的加工領(lǐng)域，特別是近年來二、三代半導(dǎo)體的發(fā)展為電子束光刻機(jī)提供了更廣闊的應(yīng)用前景；另外由于變光柵在光波導(dǎo)和激光器領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，電子束光刻機(jī)成為了此領(lǐng)域必備的加工設(shè)備。

電子束光刻機(jī)主要包含真空系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng)，其中電子光學(xué)系統(tǒng)是核心部分，它的性能好壞直接影響著設(shè)備的性能指標(biāo)。

電子光學(xué)系統(tǒng)主要部件包括電子槍、對(duì)中系統(tǒng)、束、光闌、電子透鏡、偏轉(zhuǎn)線圈、消像散器和背散射電子探測(cè)器等，其功能是產(chǎn)生電子束，將電子束加速，并聚焦成極小的電子束束斑，打在需要曝光的位置[2]。

電子槍作為電子光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有重要影響。

1 電子槍的分類和特點(diǎn)

電子槍是能產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)、束流大小和束流密度可控，并具有一定能量的聚焦電子束的部件。電子槍發(fā)射的電子束形狀，可以是空心或者實(shí)心圓截面的微細(xì)束，也可以是層流、片狀束或線狀束。各種電子槍被廣泛應(yīng)用在電真空器件、電子顯微鏡、電子束光刻機(jī)、電子束蒸發(fā)臺(tái)等設(shè)備上。

按電子束束流大小劃分，束流在微安量級(jí)的屬于弱流電子槍，束流在毫安到安培量級(jí)的屬于強(qiáng)流電子槍。通常電子束光刻機(jī)的電子槍屬于弱流電子槍[3]。

電子槍按燈絲引出電子的方式可以分為熱游離式電子槍和場(chǎng)致發(fā)射電子槍[4]。

1.1 熱游離式電子槍

熱游離式電子槍(Thermionic Emission Gun)是利用高溫使電子獲得足夠的能量，去克服電子槍的功函數(shù)能障而逃離出金屬表面。有鎢燈絲和六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種類型，鎢絲加熱溫度是2 800 K，六硼化鑭加熱溫度是1 900 K。

1.2 場(chǎng)致發(fā)射電子槍

當(dāng)在真空下的金屬表面受到一定強(qiáng)度的電場(chǎng)作用，將產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，會(huì)有數(shù)量可觀的電子發(fā)射出來，即場(chǎng)發(fā)射現(xiàn)象[5]。場(chǎng)發(fā)射電子是從很尖銳的陰極尖端所發(fā)射出來的，因此可以得到極細(xì)而又具有高密度的電子束，其亮度可達(dá)到熱游離電子槍的數(shù)百倍，甚至上千倍。

場(chǎng)致發(fā)射電子槍(Field Emission Gun)又分為冷場(chǎng)發(fā)射電子槍(Cold Field Emission)和熱場(chǎng)發(fā)射電子槍(Thermal Field Emission)。

1.2.1 冷場(chǎng)發(fā)射電子槍

冷場(chǎng)發(fā)射電子槍工作溫度是300 K，最大的優(yōu)點(diǎn)是電子束的直徑最小，亮度最高，因此影像分辨率最優(yōu)，能量分布最小。為避免針尖被外來氣體吸附而降低場(chǎng)發(fā)射電流并使發(fā)射電流不穩(wěn)定，冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍必須要在10×10-10Torr 的真空度下操作，雖然如此還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2 500 K(Flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流最小，發(fā)射電流不穩(wěn)定。

1.2.2 熱場(chǎng)發(fā)射電子槍

熱場(chǎng)發(fā)射電子槍也叫肖特基電子槍(Schottky Emitter)，是集場(chǎng)致發(fā)射電子槍與熱游離電子槍的特點(diǎn)于一體。靠熱及尖端表面極強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度兩種方式來發(fā)射電子。在1 800 K 溫度下工作[6]，避免了大部分的氣體分子吸附在針尖表面。它是在鎢單晶上加氧化鋯涂覆層(如圖1 所示)，這樣可以使W(100)晶面的功函數(shù)從4.5 eV 降到2.8 eV，從而大大降低了場(chǎng)發(fā)射所需的電場(chǎng)強(qiáng)度[7]，所需的真空度為10×10-8～10×10-9Torr。其發(fā)射電流穩(wěn)定度好，而且發(fā)射的總電流也大，電子的能量分布很小，稍遜于冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍。影像分辨率比冷場(chǎng)發(fā)射式稍差。

圖1 熱場(chǎng)發(fā)射電子槍燈絲結(jié)構(gòu)圖

電子束光刻機(jī)要求電子槍燈絲不僅要有非常好的參數(shù)性能，更重要的是要有非常好的電流穩(wěn)定性。冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍由于電流不穩(wěn)定，因此雖然各項(xiàng)參數(shù)非常出色，但是不適合電子束光刻機(jī)。早期的電子束光刻機(jī)使用的是熱游離式電子槍，隨著熱場(chǎng)發(fā)射式電子槍的發(fā)展，現(xiàn)在的電子束光刻機(jī)一般使用的是熱場(chǎng)發(fā)射式電子槍。

2 熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的結(jié)構(gòu)和原理

熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的電子發(fā)射通過加熱和電場(chǎng)兩種方式，但電場(chǎng)起主導(dǎo)作用。主要應(yīng)用在電子束光刻機(jī)、高端掃描電鏡等領(lǐng)域。

熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的結(jié)構(gòu)如圖2 所示：主要包含燈絲(Filament)、抑制極(Suppressor)、提取極(Extractor)、聚焦極(Focus)、陽極(Anode)等。

圖2 熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的結(jié)構(gòu)圖

燈絲：也稱陰極，作用是提供電子，通常處于陰極電位(負(fù)高壓)。

抑制極：作用是抑制電子的發(fā)射和發(fā)散發(fā)射，保證電子的成束發(fā)射。

提取極：也稱第一陽極，作用是產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使電子能突破勢(shì)能壁壘發(fā)射出來。

聚焦極：作用是對(duì)電子進(jìn)行初步會(huì)聚，使其能量集中，使電子以電子束的形態(tài)發(fā)出電子槍[8]。

陽極：也稱第二陽極，通常是地電位，作用是將電子槍發(fā)出的電子束進(jìn)行加速。

3 電子槍各參數(shù)對(duì)電子束光刻機(jī)束流的影響分析

3.1 電子束光刻機(jī)的束流

電子束光刻機(jī)的束流是指從電子槍發(fā)射出來的電子束經(jīng)過電子槍內(nèi)聚焦極的會(huì)聚、對(duì)中模塊的偏轉(zhuǎn)對(duì)中、多級(jí)透鏡的會(huì)聚、光闌的會(huì)聚、偏轉(zhuǎn)模塊的偏轉(zhuǎn)，最終到達(dá)基片上的束流。通常束流的大小是通過安裝在工件臺(tái)上的法拉第杯來檢測(cè)的。

3.2 提取極電流與束流的關(guān)系

提取極電流指的是通過提取極加的電場(chǎng)和燈絲加熱激發(fā)出來的電子束束流。提取極電流再經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)后，最終到達(dá)基片表面，此時(shí)的束流稱為電子束光刻機(jī)的束流。提取極電流是電子束束流形成的來源，因此本節(jié)后面討論的電子槍各參數(shù)與束流的關(guān)系，是與提取極電流的關(guān)系。

提取極電流是電子束光刻機(jī)的電子槍的一個(gè)重要的參數(shù)。由于電子束光刻機(jī)在進(jìn)行工藝時(shí)要求非常穩(wěn)定的束流，因此在進(jìn)行電子槍調(diào)校時(shí)，需要通過調(diào)節(jié)使得提取極電流能穩(wěn)定在某個(gè)要求的范圍內(nèi)。一般電子束光刻機(jī)要求的范圍是100～150 μA，要求的波動(dòng)率是±1%/h。

提取極電流近似等于電子槍燈絲發(fā)出的發(fā)射電流。

在熱場(chǎng)發(fā)射的條件下，電子槍燈絲發(fā)射電流為I 為[9]：

式(1)中的r、φ 和k 分別是陰極尖端曲率半徑、陰極材料功函數(shù)和普朗克常數(shù)。T 為燈絲針尖的溫度，單位為K，E 為針尖表面電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m。

式中V 為引出電壓。

式中L 為燈絲針尖與提取極之間的距離，單位μm，r 單位為nm。

式(1)中的q 為無量綱因子，用于總發(fā)射電流中的熱發(fā)射修正，其定義為：

q 的大小表示遂穿效應(yīng)電流對(duì)總發(fā)射電流的貢獻(xiàn)的多少。例如當(dāng)q 取0.5 時(shí)，就表示熱場(chǎng)發(fā)射電流的一半來自遂穿效應(yīng)。

式(1)中的m 也是一個(gè)無量綱因子，用于針尖表面發(fā)射面的面積修正，定義為：

3.3 燈絲電流對(duì)束流的影響分析

燈絲電流的作用是對(duì)燈絲進(jìn)行加熱，它的大小決定了燈絲溫度T 的大小。從式(1)可以得出，溫度T 越高，燈絲發(fā)射的電流越大，因此，調(diào)節(jié)燈絲電流可以控制燈絲的發(fā)射電流。熱場(chǎng)發(fā)射燈絲在出廠時(shí)通常有一個(gè)燈絲電流的范圍值，一般新燈絲的電流需要設(shè)置在最低值，如果發(fā)射電流不夠可以逐漸增加燈絲電流，但是當(dāng)增大到燈絲出廠時(shí)規(guī)定的最大電流值，燈絲發(fā)射電流依然無法滿足要求，說明燈絲的氧化鋯已耗盡，需要更換燈絲了。

通過調(diào)節(jié)燈絲電流能顯著影響提取極電流大小。實(shí)驗(yàn)表明：燈絲電流對(duì)提取極電流的影響是一個(gè)緩慢的過程，當(dāng)提取極電流不穩(wěn)定，呈上升或下降趨勢(shì)時(shí)，可以通過增加或減小燈絲電流來使提取極電流穩(wěn)定。

3.4 提取極電壓對(duì)束流的影響分析

提取極電壓是式(2)中的引出電壓，決定了電場(chǎng)強(qiáng)度E，是提取極電流的的重要的影響因素。在進(jìn)行電子槍的提取極電流的調(diào)節(jié)時(shí)，加大提取極電壓可以有效地增加提取極電流[10]。

在進(jìn)行電子槍調(diào)校時(shí)，如果提取極電流穩(wěn)定，但是電流不夠，可以通過加大電壓的方式來提高提取極電流。實(shí)驗(yàn)表明：調(diào)節(jié)提取極電壓能迅速改變提取極電流。

3.5 抑制極電壓對(duì)束流的影響分析

燈絲發(fā)射出來的電子是呈發(fā)散狀的，抑制極是在陰極與提取極之間，通過加比陰極還高的高壓，產(chǎn)生電場(chǎng)來抑制電子的發(fā)射和發(fā)散發(fā)射，使得電子能成束發(fā)射。

抑制極也稱為柵極，電壓的大小能直接影響陰極的發(fā)射電流及電子軌跡?？梢酝ㄟ^增大抑制極電壓來降低提取極電流，從而降低束流[11]。

3.6 聚焦極電壓對(duì)束流的影響分析

聚焦極在提取極與陽極之間，作用是對(duì)從陰極發(fā)出的電子束進(jìn)行初步匯聚，使電子束能成束發(fā)射。聚焦極也可以認(rèn)為是電子槍內(nèi)的一個(gè)靜電透鏡。

增大聚焦極電壓使得電子束的匯聚作用更明顯，能增大單位面積上的電子流，因此能增大電子束光刻機(jī)的束流，但不會(huì)影響提取極電流。

3.7 陰極電壓對(duì)束流的影響分析

在電子束光刻機(jī)中，陰極電壓通常為10～100 kV，作用是給從燈絲發(fā)射出來的電子提供加速能量，對(duì)提取極電流作用不明顯[12]。加大陰極電壓能加大電子束的焦深，對(duì)電子束束斑和電子束光刻工藝影響比較大。

4 電子槍調(diào)校對(duì)電子束光刻工藝的影響分析

電子束光刻的工藝質(zhì)量與多個(gè)因素有關(guān)，其中電子束束流、束斑和陰極電壓對(duì)工藝質(zhì)量影響很大，通過電子槍的調(diào)?？梢燥@著影響這些參數(shù)，進(jìn)而顯著影響電子束光刻工藝的質(zhì)量。

4.1 束流對(duì)工藝的影響分析

低束流可以減小空間電荷誤差，有利于獲得更小的束斑，但同時(shí)會(huì)增加曝光時(shí)間，會(huì)使聚焦標(biāo)記成像亮度降低，使對(duì)焦困難。高束流能夠提高電子束的曝光速率，降低曝光所需要的時(shí)間，如式(6)所示。另外高束流能提高SEM 圖像的亮度，提高搜尋與對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的速度。

電子束光刻工藝所需要的時(shí)間：

式中，A 是曝光面積，單位是m2；Ie是電子束束流，單位是nA；D 為曝光劑量，是在曝光過程中光刻膠單位面積上所接收到的特定波長(zhǎng)(或波長(zhǎng)范圍)的光能或電子能，單位是C/m2。在光刻工藝中，能夠得到最佳光刻圖形的曝光劑量稱為最佳曝光劑量。最佳曝光劑量與光刻膠的類型及曝光圖形的具體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[13]。

通過式(6)可以看出，曝光時(shí)間與電子束的束流呈反比關(guān)系。

4.2 束斑對(duì)工藝的影響分析

電子束光刻機(jī)的束斑大小直接影響了電子束光刻機(jī)的分辨率。實(shí)驗(yàn)表明：電子束光刻工藝加工的最小特征尺寸一般是所用束斑尺寸的兩倍以上。束斑還影響加工后圖形的形貌特征，另外大的束斑會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的鄰近效應(yīng)，也影響了電子束光刻的工藝質(zhì)量。

束斑大小受光闌、電子透鏡、消像散器等影響，在其他條件確定的情況下，束斑大小和束流是正相關(guān)的。束流越大，束斑越大，反之亦然。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，某型號(hào)電子束光刻機(jī)在80 kV 加速電壓下，束斑與束流的關(guān)系如圖3所示。

圖3 束斑與束流關(guān)系圖(某型號(hào)電子束光刻機(jī)加速電壓80 kV)

在進(jìn)行電子束工藝時(shí)，通常希望較大的束流，可以加快光刻速度，但是在加大束流的同時(shí)束斑也會(huì)增大，因此在進(jìn)行電子光路調(diào)校時(shí)，需要對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，為了得到較好的工藝效果，只能降低束流，從而減小束斑尺寸。

在進(jìn)行光刻機(jī)性能描述時(shí)，最小束斑尺寸，通常要規(guī)定在多大的束流情況下取得。

4.3 陰極電壓對(duì)工藝的影響分析

陰極電壓對(duì)電子束起加速作用，陰極電壓高，產(chǎn)生的電子束能量高。高能量電子束產(chǎn)生的電子散射小，色差與空間電荷效應(yīng)抵消，且有利于曝光厚的抗蝕劑層。高能量的電子束產(chǎn)生的前散射電子比較小(如圖4 所示)，但是會(huì)產(chǎn)生大量的背散射電子[14]，也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的鄰近效應(yīng)，由于電子物理特性的原因，鄰近效應(yīng)無法完全消除[15]，因此在進(jìn)行工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)前散射和背散射電子對(duì)工藝的影響程度，設(shè)置合適的陰極電壓。

圖4 不同能量電子束的前散射電子分布圖

5 工藝應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過電子槍各參數(shù)對(duì)束流的影響分析，束流、束斑對(duì)工藝質(zhì)量的影響分析，以及陰極電壓對(duì)工藝質(zhì)量的影響分析研究，掌握了電子槍參數(shù)的調(diào)校及其對(duì)光刻工藝的影響，以此來指導(dǎo)產(chǎn)品工藝加工。

可以根據(jù)不同光刻膠類型，不同設(shè)計(jì)加工要求，經(jīng)過調(diào)校電子光學(xué)系統(tǒng)各參數(shù)，使電子束能量、束斑和曝光劑量，滿足各種光刻工藝的需要。

在本文研究成果指導(dǎo)下，通過優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，可以獲得不同的光刻加工圖形，如圖5 和圖6 所示。兩張圖片是在FIB(Focus Ion Beam)設(shè)備上切開之后的膠口形貌圖，圖5 為梯形的膠口形貌，適用于下步為蒸發(fā)剝離的工藝；圖6 為垂直的膠口形貌，適用于下步為刻蝕或者腐蝕的工藝，兩種圖形在光刻工藝中有不同的應(yīng)用。其中圖5 中膠口形貌的加工一般需要經(jīng)過復(fù)雜的工藝來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過本文的研究，可以通過調(diào)整選擇電子槍的參數(shù)，用電子束光刻工藝直接實(shí)現(xiàn)圖5 或圖6 所示膠口形貌的制備。

圖5 光刻工藝梯形效果圖

圖6 光刻工藝垂直效果圖

6 結(jié)論

本文介紹了電子槍燈絲的類型、特點(diǎn)以及應(yīng)用，詳細(xì)介紹了熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。分析了熱場(chǎng)發(fā)射電子槍各個(gè)參數(shù)對(duì)電子束光刻機(jī)束流的影響，進(jìn)而分析了熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的調(diào)校對(duì)電子束光刻工藝的影響，并通過工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。熱場(chǎng)發(fā)射電子槍因其優(yōu)秀的電子光學(xué)性能，穩(wěn)定的發(fā)射電流，目前廣泛應(yīng)用于電子束光刻機(jī)、掃描電鏡等設(shè)備。隨著研究的深入，熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。