电子束光刻技术与图形数据处理技术_陈宝钦

电子束光刻技术与图形数据处理技术

陈宝钦

(中国科学院微电子研究所微细加工与纳米技术研究室, 北京 100029)

摘要:介绍了微纳米加工领域的关键工艺技术 电子束光刻技术与图形数据处理技术, 包括:电子束直写技术、电子束邻近效应校正技术、光学曝光系统与电子束曝光系统之间的匹配与混合光刻技术、电子束曝光工艺技术、微光刻图形数据处理与数据转换技术以及电子束邻近效应校正图形数据处理技术。重点推荐应用于电子束光刻的几种常用抗蚀剂的主要工艺条件与参考值, 同时推荐了可以在集成电路版图编辑软件L Edit 中方便调用的应用于绘制含有任意角度单元图形和任意函数曲线的复杂图形编辑模块。

关键词:电子束直写(EBDW) ; 电子束邻近效应校正(EPC) ; 匹配与混合光刻; 图形数据处理; L Edit 图形编辑器

中图分类号:TN 305. 6; TN 305 7 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011) 06-0345-08

Electron Beam Lithography Technology and Pattern

Data Process Technology

Chen Baoqin

(M icr o Pr ocess ing &N ano T echnolog y Labor ator y , I nstitute of M icr oelectr onics (I M ECA S ) ,

Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100029, China)

Abstract:The key technolog ies of the micro/nano fabrication, i e , electron beam lithography technolog y and pattern data process technolog y are presented, including electro n beam direct w riting (EBDW) technolo gy and electron beam prox imity effect correction (EPC) techno logy, mix and m atch techniques betw een optical lithog raphy system and electron beam lithog raphy sys tem, electron beam lithog raphy pro cess technolog y, patter n data process and conversion techno logy in micro lithog raphy, electron beam pr ox im ity effect correction in pattern data pro cess. Several conventional resists suitable fo r electron beam lithog raphy w ith their process specifications and reference process data are recommended especially. Finally, the editor module to generate complicate patterns composed w ith instanced cells repositioned at all ang les and function curves are also recommen ded, which can be easily called in the integrated circuit board editor software of L Edit.

Key words:electr on beam direct w riting (EBDW) ; electron beam pro ximity effect correction (EPC) ; match and mix ed lithography ; pattern data pro cess; L Edit pattern editor DOI:10. 3969/j. issn. 1671-4776. 2011. 06. 001 EEACC :2500

收稿日期:2011-02-18

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划) 资助项目(2006CB 0N 0604) ; 国家自然科学基金资助项目(61078060) ; 基础科研项目(B 1020090022)

E mail:ch enb q @im e. ac. cn

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0 引 言

[1-2]

电子束曝光技术实际上是一种传统的曝光技术, 由于它的束斑尺寸达纳米尺度, 是实验室条件下进行微纳米光刻技术研究与开发的理想工具。电子束曝光系统从扫描方式上基本可以分成三个类型:圆形束光栅扫描电子束曝光系统、可变矩形束电子束拼接曝光系统和高斯束矢量扫描曝光系统。目前国际上制造高精度掩模主要采用电子束曝光系统和激光扫描图形发生器, 通常采用曝光效率比较高的光栅扫描电子束曝光系统和可变矩形束电子束曝光系统。在纳米加工中主要采用矢量扫描曝光方式的电子束光刻系统, 直接在硅片上用扫描方式写出图形。JEOL JBX 6300FS 电子束光刻系统就是比较典型的矢量扫描曝光方式的电子束光刻系统, 该系统最细束斑可达2nm , 极限曝光线条为6~8nm 。电子束光刻系统虽然具有很高的电子扫描成像精度, 但是要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻工艺, 仍然不是那么容易, 必须解决以下几个关键的技术问题:第一, 电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应问题, 提出包括如何缓解电子散射效应影响的措施、几何修正技术和剂量调制校正技术等; 第二, 电子束高精度扫描成像曝光效率很低的问题, 如电子束与其他光学曝光系统的匹配和混合光刻等问题; 第三, 电子抗蚀剂和电子束曝光、显影以及刻蚀等工艺技术问题。

近效应校正商业软件, 但是由于邻近效应本身是一种非常复杂的综合效应, 与设备、材料和工艺等条件都有很大的关系, 目前还没有一种商业软件能够理想地解决这方面的问题, 尤其是在电子束纳米加工技术方面, 如何有效地抑制邻近效应的影响, 仍然是当前科学家们的研究热点。为此, 要实现利用电子束曝光系统进行纳米结构图形加工, 有必要进一步对电子束曝光邻近效应的产生机理进行深入研究。采用蒙特卡罗(M onte Carlo) 模拟技术模拟电子束曝光过程及抗蚀剂显影过程, 研究不同曝光条件对抗蚀剂吸收能量密度的影响, 获得抗蚀剂吸收能量密度的分布规律, 预测实际显影过程中各个阶段抗蚀剂图形形状和剖面轮廓的变化, 并通过大量的电子束曝光实验数据进行拟合、验证、归纳总结优化工艺条件, 进而寻求有效的邻近效应校正途径。

邻近效应校正措施主要有两种:一种方法是通过优化曝光-显影工艺条件和有效的工艺措施抑制邻近效应的产生或降低其影响程度; 另一种方法是采取软件修正措施, 主要通过波前工程实施几何图形尺寸调整, 或实施曝光剂量调制, 或将二者相结合来修正邻近效应。对于孤立的线条或简单的器件, 可以采用在版图设计时预先改变几何图形的形状以补偿邻近效应影响的方法。曝光比较复杂时, 通常要采用以Sigm a C CAPROX 和Layout BEAM ER 为代表的邻近效应校正软件实施曝光剂量调制的方法进行修正。一般先通过蒙特卡罗方法模拟并结合大量的实验, 对实测邻近图形变形的数据进行拟合, 也可以利用CAPROX PD 等软件测算双高斯邻近函数表征参数( , 和 等) , 摸索参数设置规律, 实施剂量调制。根据图形密度、图形尺寸和图形位置的不同给予不同的曝光剂量, 目的是使整个图形在同一个显影条件下达到最佳效果。实验结果表明:通过电子束曝光、显影后得到的抗蚀剂图形中所反映出来的邻近效应现象是一个综合效应, 邻近效应起因于电子在抗蚀剂及衬底中的散射。但是显影后所得到的抗蚀剂图形的形态却受诸多因素影响, 邻近效应除了决定于抗蚀剂及衬底等因素外, 还受制于版图设计中的图形形状、图形密集度、图形特征尺寸大小及其相对位置等图形结构因素的影响, 并且受到曝光-显影工艺条件的很大影响, 包括抗蚀剂的前后烘条件、抗蚀剂灵敏度的选择(会造成过曝光或曝光剂量不足) 、显影时间和温度(会造成过显或显影不足) 和电子束曝

1 电子束曝光模拟与电子束邻近效应校正技术[3]

随着中国纳米技术和纳米电子学的蓬勃发展, 纳米加工技术的研究越来越重要, 而电子束曝光技术将是纳米结构图形加工中非常重要的手段。然而, 电子束曝光技术中电子束邻近效应是影响电子束成像分辨能力最关键的因素, 由于电子在抗蚀剂和衬底中的前散射和背散射现象的存在, 电子散射轨迹向邻近区域扩展, 其波及范围近则几十纳米, 远则数十微米。因此, 虽然电子束曝光系统从硬件上已经可以实现几个纳米的电子束束斑, 但由于电子束曝光邻近效应现象的存在, 采用电子束曝光系统进行纳米尺度的结构图形加工仍然十分困难。

虽然国际上关于邻近效应现象和邻近效应校正技术方面已有大量的研究成果, 也开发出了一些邻

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光系统状态(电子加速电压、电子束束流大小) 等。只有在优化曝光-显影工艺条件的基础上, 邻近效应校正才能达到预期效果。

2 光学光刻系统和电子束光刻系统之

[4]

间的匹配与混合光刻技术

电子束光刻的效率问题一直是阻碍电子束光刻在纳米集成电路制造工艺中推广应用的主要原因。对于不太复杂的图形及不需要多次套刻曝光的图形, 通常可以采用大小束流混合曝光技术、大小光阑混合曝光技术和大小剂量混合曝光技术来提高图形曝光的速度。但是, 如果是研制纳米CM OS 集成电路或者化合物半导体器件等, 由于制造工艺复杂, 需要精密套刻对准, 则需要采用电子束光刻系统和生产效率较高的光学光刻系统之间的匹配和混合光刻的技术来解决, 办法是大部分工艺仍然采用传统的投影光刻机曝光或接触式曝光, 只有图形尺度在百纳米以下的少数一两个图形层采用电子束直写曝光。首先, 需要把传统的光学曝光设备(如GCA 3600F 光学图形发生器和GCA 3696分步重复机) 、电子束曝光系统(如JBX 6AII 可变矩形束电子束曝光系统、MEBES 4700S 光栅扫描电子束曝光系统以及JBX 5000LS 和JBX 6300FS 等矢量扫描电子束直写光刻系统) 及各种光刻系统(如ASM 2500g 线和5000i 线投影光刻机、接触式光刻机) 等多种制版和光刻设备进行倍率匹配、工件台匹配、标记匹配和坐标匹配。然后, 实施投影光刻和电子束直写系统之间的混合光刻或者接触式光刻机和电子束直写系统之间混合光刻。由于集成电路制造都需要多次光刻工艺, 每一次曝光图形都要求与前一次精确地套准。传统的光学光刻是靠光学显微系统和机械机构配合进行人工对准, 而电子束曝光必须采用自动检测、补偿的方式实现精确的定位、对准, 其定位、套准精度要达到几十纳米以下。为实现如此高的定位、套准精度, 对准标记检测技术和对准标记制作技术则是关键技术。尤其是对准标记的质量要求极其严格, 如果对准标记检测通不过, 就会造成整个光刻工艺前功尽弃。电子束直写中标记探测和自动对准是一种高速检测、补偿过程, 要求被检测的对准标记具有高信噪比和高对比度, 同时还要考虑与集成电路工艺兼容性的问题。如果进行多次电子束光刻, 还需要在中间的各道工序中有效地保护电子束直写标记。为了便于电子束光刻系统采用探测二次电子或背散射电子的方

法识别标记, 标记可做成凸起的标记或凹陷的刻蚀标记, 制作标记的材料可以是金属, 也可以是基片材料本身。对于研制砷化镓器件来说, 比较理想的标记材料是金标记, 通常采用剥离技术制备。对于体硅工艺, 由于金是硅集成电路忌讳材料, 而且与体硅工艺不兼容, 通常采用深硅槽标记, 为保证检测信号有足够高的声噪比, 必须进行深刻蚀, 建议深度达到3 m, 至少不能小于1 5 m 。实践证明, 金属铬是一种理想的光学接触式曝光和电子束直写混合光刻及移相掩模制造的标记材料, 可以采用非常成熟的光掩模制造技术工艺简单快捷地制造标记。电子束直写与光学曝光系统的匹配和混合光刻是电子束光刻系统应用于深亚微米及纳米尺度集成电路和器件科研开发的关键技术之一, 实践证明电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术、电子束邻近效应校正技术和图形转移技术相结合, 并应用优化的抗蚀剂曝光工艺, 是一种既可提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力, 又能克服电子束直写效率过低的有效手段。

3 抗蚀剂工艺技术

[5-6]

目前, 国际上根据不同需求而研制的抗蚀剂, 俗称感光胶, 其品种相当多, 同时, 各种光刻曝光设备的光源也不一样, 不同波长的光源需要采用对相应波长比较敏感的抗蚀剂。例如, 主要用于光学曝光系统或光学光刻工艺的光致抗蚀剂、紫外线(I 线) 抗蚀剂、远紫外(UV ) 抗蚀剂, 用于电子束曝光的电子抗蚀剂、极紫外(EUV ) 抗蚀剂和X 射线抗蚀剂等。主要可以归纳为对可见光比较敏感的光致抗蚀剂及对电子束和其他射线辐照比较敏感的电子抗蚀剂两大类。由于光致抗蚀剂的工艺比较成熟, 本文不做详细介绍, 主要介绍电子抗蚀剂的性能和工艺技术。电子抗蚀剂俗称电子胶, 多为有机聚合物, 当用具有一定能量的电子束对这些聚合物进行辐照时(还可借用 曝光 一词) , 电子发生非弹性散射所损失的能量被聚合物吸收, 会发生一系列化学反应。常用的线性链高分子聚合物经电子束曝光后, 会使聚合物同时发生断链和交链两种反应。凡是断链反应占主导地位的抗蚀剂称为正性抗蚀剂, 凡是交链反应占主导地位的抗蚀剂称为负性抗蚀剂。电子抗蚀剂在电子束光刻技术中占有非常重要的地位, 因此在纳米尺度加工方面, 对电子束直写曝光中抗蚀剂工艺技术进行深入的研究是十分必要的。一般文献中很少提及具体的电子抗蚀

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剂的工艺参数, 本文根据多年实验结果, 重点介绍几种典型的、可用于电子束曝光的抗蚀剂工艺条件, 并对其主要性能进行简单说明, 供读者参考, 在工艺中可以少走弯路。电子束光刻中最关键的是抗蚀剂灵敏度的选择, 由于实际曝光用的抗蚀剂灵敏度的数值(相当于曝光剂量的选择) 与许多因素有关, 如电子抗蚀剂本身的灵敏度, 曝光用的电子束光刻系统的加速电压与束流以及步距, 显影液的配方与显影条件, 设计版图的尺寸、现状、密集程度以及基片的材料等。本文给出的只是大体范围的数据, 工作中还应按照实际条件, 再参考推荐的数值范围做实验, 以确定最佳的曝光剂量。表1给出了三组灵敏度数据: 是版图中所设计的线条特征尺寸宽度分别在微米级、百纳米级、十纳米级时可以选择的面曝光灵敏度(单位为 C/cm 2) 范围, 可选择的曝光灵敏度的数值跨度比较大; 是版图中所设计的线条特征尺寸宽度为零(即纯线条) 时可以选择的线曝光灵敏度(单位为nC/cm ) 范围; 是针对目前大部分微纳米加工尺寸均在30~100nm 的情况, 推荐选择的面曝光与线曝光范围, 跨度比较小, 可以在这个范围内做变剂量曝光实验。如果想加工10~30nm 尺度的结构, 推荐H SQ FOX 12或FOX 13, 因为这种胶通过电子束曝光、显影后在基片表面生成含有非晶态的二氧化硅成分的线条。它具有许多优点, 如高分辨率、高反差、剖面陡直、边缘直、容易制备高深宽比结构、黏附力好、韧性好、显影后稳定性好、工艺稳定性好、为碱性水溶性显影液、电子显微镜观察性能好且不需要镀金等。当然, 也有比较突出的缺点, 如灵敏度低、曝光时间很长、容易留残胶、涂胶前液体的胶暴露在空气中1h 就会氧化成果冻, 所以一定要低温密封保存; 涂胶后也不能长期存放, 否则需要延长显影时间, 而且会在基片表面留下很多残胶小白点。

表1 微光刻与微纳加工中常用的抗蚀剂主要工艺参数

T able 1 M ajo r pro cess par ameters of co mmon slushing co mpo unds fo r micro lithog raphy and m icro nano pro cessing

主要工艺条件及性能说明

抗剂蚀种类及抗蚀剂名称

正负性

分辨率/nm

(1 m -100nm -10nm 级) 面曝光灵敏度/( C cm -2) ; 线曝光灵敏度/ (nC cm -1) ; (推荐:面变化, 线) ; 热板烘烤温度/ ; 推荐显影液, 显影时 间; 主要性能

PM M A

正性

150-500-5000; 0. 5~1. 5; (推荐:500~1000, 1. 0) ; 160~180; 显影液V M I BK

V IPA =1 3, 显影5~10min (1 9精细但比较慢) ; 高分辨, 不耐刻(小于1 1) , 低比度, 低灵敏

100-150-1000; 0. 5~1. 5; (推荐:150~300, 1. 0) ; 160~180; ZEP N 50显影5min 效果较好, 也可用乙酸戊酯或者对二甲苯显影; PM M A 加苯环改性胶, 耐刻蚀, 附着差, 去胶难, 易龟裂

约20; 160-180; 显影剂:ZED 300/400/500; 高灵敏度, 常用于掩模制造100-750-10000; 3. 5~8. 5; (推荐:750~1500, 7. 5); 110~120; 50 M F CD 26, 显影2~4min(新胶2min, 老胶4m in) ; 灵敏极低, 高分辨, 高反差(剖面陡, 邻近效应影响小) , 高柔性, 边缘好

20-50-300; 0. 25~1. 0; (推荐:50~200, 0. 35) ; 95; V MF -C D 26:V 水=1 2, 显影2. 5~3min; 高分辨, 高反差(邻近效应影响小) , 附着很差(必须涂黏剂H M DS )

约40; 高灵敏度, 耐干法刻蚀, 附着力差

10-15-100; 0. 35~1. 0; (推荐:20~50, 0. 5) ; 180; V M I BK V IPA =3 1(注意比例与PM M 相反) ; 显影10min 亚微米; 高灵敏, 长寿命, 不膨胀, 常用于百纳米级声表面波器件曝光

约40, 主要与PM M A 和UVIII 抗蚀剂配合, 所以曝光灵敏度取决于PM M A; PM M A 和UVIII 抗蚀剂的两类显影液都可以达到显影效果; 比PM M A 耐刻蚀, 主要用于剥离工艺和T 型栅工艺

2-5; 0. 25~1. 0; 120; V M I AK V M PK =70 65, 显影1min ; 高灵敏(高速) , 高分辨, 常用于掩模制造

2-5; 0. 25~1. 0; 显影液V M EK V IPA =3 1; 高灵敏(高速) , 常用于光掩模制造, 显影膨胀, 相近的高灵敏度抗蚀剂以及CM S

ZE P 520A 正性

ZE P 7000正性

高分辨率电子抗蚀剂

H SQ/FOX 12/13/16负性

AR N 7520负性

NEB 31/32

EBR -9/OEBR -1000

负性正性

PM GI 正性

PBS COP

正性负性

200

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表1(续)

T able 1(Co ntinued)

主要工艺条件及性能说明

(1 m -100nm -10nm 级) 面曝光灵敏度/( C cm -2) ; 线曝光灵敏度/ (nC cm -1) ; (推荐:面变化, 线) ; 热板烘烤温度/ ; 推荐显影液, 显影时 间; 主要性能

10-30-500; 0. 1~0. 75; (推荐:30~75, 0. 3) ; 110(曝光后烘110 /3m in) ; M F CD 26显影2. 5min(老胶增加显影时间; 新胶增加烘烤时间) ; 高对比度; 耐干法刻蚀; 显影时间不易过长, 胶减薄比较快

10-25-300; 0. 25-0. 75; 130(曝光后烘130 /2min ) ; M F CD 26, 显影1min, 或与PM M A 一样采用V M IBK V IPA =1 3显影; 附着力差, 基片要高温烘烤, 注意在可见光下会被曝光

约10; 65>85>95(曝光后烘85 /2min ); 显影剂:乙二醇乙醚乙酸酯或5 NaOH 或CD 26; 基于环氧树脂光刻胶; 厚胶; 灵敏度较高; 常用于高深宽比/LIGA/M EM S 制造

约20; 120(曝光后烘60 /2min); 显影液AZ 518M IF, 1min; 注意在可见光下会被曝光约20; 120(曝光后烘150 /2min , PE B 宽容度较小) ; 显影液AZ 518M IF, 30s; 注意在可见光下会被曝光(分辨率与它相近的负性化学放大胶还有ma N 2400) 约70; (因为主要与PM M A 一块使用, 实际曝光剂量随PM M A 使用的灵敏度参数) 180(曝光后烘120 /2min ) ; 显影液甲醇, 30s 左右; 化学增幅成像材料, 比PM M A 耐刻蚀(3倍) ; 附着差, 主要用于剥离工艺或者多层胶工艺10-30-50; 0. 5; 85~95; 5 ~7 NaOH 或CD 26, 显影1~2min; 用于传统光掩模制造, 保存期长, 无污染, 邻近效应显著

10-30-50; 0. 5; 85~95; 5 ~7 NaOH 或CD 26, 显影1~2min; 用于传统光掩模制造和微米级芯片工艺; 邻近效应显著, 显影时减薄较快

10-30-50; 0. 5; 用于反转显影工艺时第一次曝光的剂量需要增加几倍; 85~95; 5~7 NaOH 或CD 26, 显影1~2m in; 用于反转显影工艺; 分辨率比较低10-30-50; 0. 5; 85~95(由室温逐渐升高) ; 5~7 NaOH 或CD 26, 显影5~10m in; 厚胶; 5000转, 厚5 m; 2500转以下, 厚可达10 m; 烘烤温度逐渐增加(肌肤效应)

抗剂蚀种类及抗蚀剂名称正负性分辨率/nm

SAL 601负性

UVIII/V 化学放大胶抗蚀剂

正性

SU 8AZPF 514AZPN 114

负性正性负性

P(M M A M AA) 正性

其他可用于电子束曝光的光致抗蚀剂

AZ 1350正性

AZ 1518正性

AZ 5214正/负性

AZ 4620正性

4 微光刻图形设计与数据处理技术

微电子技术以惊人的速度发展, 离不开微光刻技术的进步, 包括光掩模制造技术和光刻技术的进步, 特别是电子束光刻技术既能应用于高精度的光掩模制造, 又能在基片上直接扫描曝光深亚微米及纳米级图形, 被广泛地应用于微细加工技术领域, 除了微电子技术外, 还包括微光学和微机械等微系统工程和各种平面显示技术的图形加工。然而, 这些微细加工技术需要曝光的图形形状多样, 原来集成电路版图设计和数据处理都是以矩形和线条为主的图形数据处理技术, 已远不能满足现在微纳米加工技术的要求, 具有微纳米加工能力的单位都设法建立一个可以制作各种形状图形、可接受各种不同格式数据文件, 并且能够方便地把它转换成曝光系

统专用图形描绘格式的数据处理及数据转换体系。数据处理及数据转换体系主要包括以下几个主要模块:集成电路计算机辅助设计系统、AutoCAD 图形计算机辅助设计系统、L Edit 交互式图形编辑系统、电子束邻近效应校正图形数据处理系统、用于绘制含有任意角度单元图形和任意函数曲线的复杂图形编辑模块、图形格式转换系统、光学掩模曝光和电子束曝光系统专用图形数据切割系统及图形显示检查系统。

4 1 L Edit 交互式图形编辑系统[7]

在国内已具有很高知名度的集成电路版图编辑器L Edit 是掩模版图布局编辑软件, 既支持基于标准单元的掩模版图自动生成, 又可以采用手工绘图方法进行掩模版图设计与编辑修改, 它是T anner Research 公司开发的一款优秀的集成电路

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设计工具软件的主要组成部分。其最大的特点是可用于任何个人计算机, 它具有图形处理速度快、编辑功能强大、通俗易学以及使用方便等优点, 是任何个人进行集成电路掩模版图编辑或其他微纳米图形版图设计的便捷工具。该软件还提供了为图形编辑器进行二次开发的用户编辑界面U PI 。本文随后介绍的 用于绘制含有任意角度单元图形和任意函数曲线的复杂图形编辑模块 和 直接调用Wo rd 字库中任意字体的文字和字符图形 的功能模块就是利用L Edit 用户编辑界面U PI 进行二次开发的。目前T anner Research 公司集成电路设计工具软件是在1988年开发的最早版本交互式图形编辑软件L Edit 的基础上逐渐发展、完善起来的。首先是经过以V 2 00到V 4 00系列为代表的纯DOS 版本软件阶段; 后来开发了以V 5 00为代表的, 可在Window s 下调用DOS 软件的版本; 进而又开发了以V 6 00为代表的WIN 3X 版本; 随着微软的各种Window s 版本的相继出现, T anner Resear ch 公司也相继推出了V 7 00和V 8 00系列产品, 其中具有代表性的是1998年推出的V 7 50、2000年的V 8 30和2002年的V 8 50三种版本, 现在已经推出到V 15 00系列。L Edit V 7 50是一个很典型的版本, 具有非常友好的Window s 界面和方便的绘图能力, 增加了以往版本不具有的任意扇区、圆环绘制功能和参考标尺生成器, 具有直接调用SPR 和DRC 及T XT 的按钮, 而且还提供了为图形编辑器进行二次开发的用户编辑界面U PI, 用户可以自行开发更加复杂的图形编辑功能, 极大地扩展了L Edit 的能力和灵活性, 该版本占内存少, 处理速度比较快。L Edit V 8 30版本又突破以往只有256色的限制, 实现了真彩色表现的能力, 上下层图形可以实现半透明显示, 并且进一步完善了多层布线功能。L Edit V 8 50版又增加了一个非常有用的图形布尔运算工具。L Edit V 10 00以后的版本, 提高了图形角度精度(0 000000) , 而且解决了圆形、扇形和环形图形切割的问题, 增加了多国语言菜单及很有用的图形总面积计数器功能等。建议从事微纳米加工的科研人员学习应用该软件, 会对科研与开发有很大的帮助。为了便于大家学习该软件, 作者曾经参与编著了一套 TANNER 集成电路设计教程 , 包括L Edit 部分和集成电路设计

部分, 供读者参考。

4 2 用于绘制含有任意角度单元图形和任意函数曲线的复杂图形编辑模块

如上所述, 由于所有的集成电路版图设计软件多采用矩形或多边形为图素来描述电路和器件的几何图形, 对于由任意角度、圆弧、圆环和各种函数曲线组成的图形很难处理。中国科学院微电子研究所自主开发出一种复杂微光刻图形的版图编辑模块, 该模块还可以直接挂在Tanner EDA To ols 的L Edit 集成电路版图编辑器中。该模块能自动成组地批处理各种同心圆环、螺旋线、椭圆(包括任意等边多边形) 、椭圆环、广义波带片(包括一维和二维) 、广义光栅、扇形编码器、条形码等图形以及根据用户输入的任意函数表达式来生成特殊形状图形。同时它还具有方便的图形形态处理功能, 包括图形任意角度的旋转及旋转拷贝功能、重叠图形和回字图形挖空并加辅助线功能、位图格式(BM P) 图形轮廓化处理功能及图形切割切块功能等。此外, 还增加了在L Edit 集成电路版图编辑器中直接调用Word 字库中任意字体的文字和字符图形的功能。这有效地提高了目前集成电路版图设计工具软件的绘图功能, 使其更好地适用于微电子、微光学和微机械等微光刻各个领域的复杂图形设计, 是一种实用性很强的软件模块, 为微纳米加工技术提供方便的图形处理手段。4 3 电子束邻近效应校正数据处理技术

由于电子束在抗蚀剂和基片中的电子散射作用, 曝光区的抗蚀剂中电子要向周边扩展, 使邻近区域的抗蚀剂也被不同程度地曝光, 影响比较严重的范围能波及10~50nm, 曝光密集的图形最远甚至能够波及到50 m, 所以尽管具有纳米级电子束束斑的电子束曝光系统, 也很难实现百纳米以下结构图形的理想光刻。以50keV 的电子束光刻系统为例, 邻近效应影响比较大的范围为40~50nm, 而100keV 的电子束曝光邻近效应影响比较大的范围也为10~20nm 。曝光孤立的线条, 问题不太大, 通常可以调整显影阈值解决。如果需要采用电子束光刻比较密集的集成电路图形或者其他纳米结构图形的图形半节距在这个范围内, 由于这些密集的散射电子足以造成线条之间不可分辨, 因此不得不进行邻近效应校正处理。电子束邻近效应校正前

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首先需要优化工艺, 采取措施抑制散射电子影响, 如选择合适的电子曝光剂量、合适的显影液与显影温度及显影时间; 选择半导体基片材料, 如果是绝缘基片, 需要抗蚀剂表面镀导电膜的措施等。此外在版图设计时首先考虑在邻近效应比较敏感的区域进行几何预校正的方式, 抵消部分邻近效应的影响。在以上措施都达不到效果的情况下, 只好采用剂量调制校正的方法解决, 通常需要如第1节 电子束曝光模拟与电子束邻近效应校正技术 所述, 采用以Sigma C CAPROX 和LayoutBEAM ER 为代表的邻近效应校正软件实施曝光剂量调制的方法进行修正。CAPROX 软件包括:数据输入模块、图形形态处理模块、图形布尔运算模块、电子束邻近效应校正模块、电子束曝光数据格式转换及输出模块等。同时, 还具有邻近效应调制后显影深度等高线模拟运算和统计功能、激光邻近效应校正(LPC) 模块和光学邻近效应校正(OPC) 模块。与它配套的还有邻近效应校正参数提取模块CA PROX PD 、电子束曝光模拟模块SELID 和光学曝光模拟模块SOLID C [TM ]。LayoutBEAM ER 是GenISy s 公司近年来开发的很优秀的电子束曝光版图数据后处理以及邻近效应校正软件, 其功能虽然与CA PROX 相似, 但电子束邻近效应校正部分的功能更强、更全面, 功能模块运行可视化, 界面友好。其邻近效应校正根据曝光沉积能量等高线进行剂量调制, 与CAPROX 中基于对图形进行的简单分割相比, 剂量调制的精度更高。Lay outBEA MER 软件具有三大功能:第一, 数据格式转换功能。输入数据主要为GDSII, CIF, JEOL 01, JEOL 51(j 51) , JEOL 52(V 30) , LEDB (ldb ) , LT x t (txl) , M EBES (med; jb) 和all files 等输入格式。可输出GDSII, CIF, JEOL 51(j 51) , JEOL 52(V 30) , M EBES (med) , LEDB (ldb ) , LT x t (tx l) , VEP, FRE, GPF, IWFL, M GS GDS (gds) , Raith EBL (g dr ) 和NPI (png ) 等格式文件。此外, 运用Extract 可以提取导出版图的部分Cell 或者程序的某些部分备用。第二, 图形数据处理与布尔运算功能。该软件除了具有常规的对版图可以进行镜象、旋转、位移、取中和开窗口等形态变换功能外, 还可以认读并输出零宽度纯线条(可以采用L Edit 集成电路版图编辑器的绘

制定宽度线的功能制图, 然后把线条宽度设为零) 的GDSII 数据, 同时在对整个版图的倍率(比例) 进行调整时, 还可以让X 轴和Y 轴分别以不同的数值调整。软件还增加了可以对版图中的所有 独立 矩形进行长度、宽度和面积的大小 筛选 、 分离 编辑成新版图的功能 Filter , 以及可以对图形数据 格栅 进行编辑处理的 Grad 功能。这些新功能给图形数据处理带来极大的方便。此外, 软件的布尔运算功能也十分友好, 包括: H eal 消除图形重叠、搭接, 并且进行相关联图形 合并 , 实现轮廓化逻辑运算; Bias 图形每边 涨缩 逻辑运算, 相当于L Edit 中的 GROW , 同样对每个曝光矩形的边缘进行缩放调整时, 也可以让X 轴和Y 轴分别以不同的数值调整缩放量; NOT 图形加框后 反转 逻辑运算, 图形黑变白, 白变黑; P XOR 图形 P 异或 逻辑运算, 所有图形叠加后交叉挖空成 旗盘 格; OR 两组图形 或 逻辑运算, 相当于两组图形 相加 , 两组图形相同和不相同部分都保留; AND 两组图形 与 逻辑运算, 两组图形相同的部分留下, 不相同的部分删除掉, 即 求同 ; M INU S 两组图形 相减 逻辑运算, 前面一组图形被后面一组图形挖空; XOR 两组图形 异或 逻辑运算, 两组图形不相同的部分留下, 相同的部分删除掉, 即 存异 ; M erge 两组图形合并融合。可以非常方便地利用这些功能产生许多其他图形编辑软件很难绘制的版图。第三, 邻近效应校正与模拟运算功能, 包括: PEC 电子束曝光邻近效应剂量校正, 最大调制级数达到256 256, 计算更精细; Shape PEC 电子束曝光邻近效应几何图形形状修正, 可以对版图的邻近效应敏感区实施局部缩放; 3D PEC 进行三维抗蚀剂结构的剂量分布调制; FDA Feature Doce Assignment 可以调用已经经过试验验证的特征曝光剂量数据库赋值; E Beam 可以进行电子束曝光模拟; Resist 抗蚀剂显影模拟; Metrolo gy 计量学运算和优化等。该软件是开展亚30nm 和亚20nm 结构电子束光刻必备软件。

5 结 语

电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的

陈宝钦:电子束光刻技术与图形数据处理技术

加工和集成电路的光刻工艺中, 必须解决几个关键的技术问题:一是电子束高精度扫描成像曝光效率较低的问题; 二是由于电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应问题; 最后就是在纳米尺度加工中实现电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题。此外, 为了满足微纳米结构图形制造要求, 目前集成电路版图设计与编辑软件已经不太适应纳米尺度数据精度的要求, 复杂的纳米结构图形处理技术、邻近效应校正图形处理技术及可制造性设计技术(design for manufac turing, DFM ) 的开发已显得十分重要。实践证明, 电子束邻近效应校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术及抗蚀剂曝光工艺优化技术的应用是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。目前我国正在开展基于193nm 光源光刻技术的65nm 技术节点以及亚30nm 和22nm 以下的集成电路基础工艺技术和专用设备的研究, 其中包括极紫外光刻技术(EUVL) 的研究。如果在22nm 技术节点以后还没有出现可以取代现有193nm 光源的光学光刻技术, 产业界很有可能要继续沿伸当前光学光刻设备的使用寿命, 芯片生产中大部分工艺仍然用现有的光学光刻工艺制造, 仅把最细特征尺寸小于16和22nm 的少数几层工艺利用光学光刻与电子束混合光刻技术来实现。为解决生产效率问题, 只能采用多台电子束直写系统配现有的一套光刻工艺设备的方式。这就要求电子束直写设备制造的厂家开发出高速、体积小、价廉且能够与大生产匹配的专用电子束光刻系统, 同时还要进一步开发出灵敏度更高的高分辨率电子抗蚀剂。

希望本文对搞科研工作的读者有所帮助, 如果读者有兴趣可以与作者联系免费提供以下软件资料:1) 免费赠送作者参与编著出版的集成电路设计与图形编辑软件T ANNER L Edit 的教程上下册一套; 2) 免费赠送作者指导的研究生自主开发的 用于绘制含有任意角度单元图形和任意函数曲线的复杂图形编辑模块 软件试用, 只需要受赠者签

署未经作者同意不得私自外传、侵权、商业行为的承诺书; 3) 本单位购买了Sig ma C CAPROX 和LayoutBEAM ER 邻近效应校正软件, 由于该软件比较昂贵, 不是所有部门都舍得购买, 欢迎国内从事微纳米加工的科研人员到本研究所试用和体验, 或者合作开展研究工作。

感谢以下研究生和科研人员在各项研究中做出的贡献:赵珉、吴璇、王琴、朱效立、柳江、史丽娜、李海亮、李金儒、汤耀科、薛丽君、王德强、任黎明、胡勇、王云翔、龙世兵、陆晶、杨清华、张立辉、范东升、康晓辉、牛洁斌、李新涛、徐秋霞、谢常青、刘明、叶甜春, 等。参考文献:

[1] 陈宝钦, 刘明. 半导体科学与技术[M ]. 北京:科学出版

社, 2007:306-350.

[2] 陈宝钦, 赵珉, 吴璇, 等. 微光刻与电子束光刻技术[C]//

2010' 华人微电子学术论坛文集. 北京, 中国, 2010:159-208. [3] 陈宝钦, 刘明, 徐秋霞, 等. 光学和电子束曝光系统之间的

匹配与混合光刻技术[J ]. 半导体学报, 2006, 27(增刊1) :1-6.

[4] 陈宝钦, 赵珉, 吴璇, 等. 电子束光刻邻近效应校正技术

[C]//第十六届全国半导体集成电路、硅材料学术会议. 杭州, 中国, 2009.

[5] 陈宝钦, 刘明, 薛丽君, 等. 电子束光刻常用的抗蚀剂工艺

技术研究[C]//第十三届电子束、离子束、光子束学术年会. 长沙, 中国, 2005:50-55.

[6] ZH AO M , CHE N B Q, XIE C Q, et al. Study of pr oces s of

H SQ in electron b eam lithography [C]//Pr oceedings of the 5th IEEE International Conference on Nano/M icro E ngineered an d M olecu lar System s. 1024.

[7] 孙润, 陈宝钦. Tanner 集成电路设计工具教程[M ]. 北京:

北京希望电子出版社, 2002.

Xiamen, C hina, 2010:

1021-