奈米通讯。第七卷第二期36.电子束微影系统
电子束微影系统
Leica WEPRINT 200 简介
许进财、李瑞光、邱灿宾
一、前言
随着半导体工业的快速发展，高密度、小线宽及低成本无不是每个半导体厂所追求的目标，而达成这些目标的关键步骤，莫过于制程中的微影 (Lithography) 技术；倘若微影技术无法符合新一代电路设计的规范，则整个IC工业将面临裹足不前的窘境。一般常使用的微影技术有光学微影(紫外光(UV)，深紫外光(Deep UV))、电子束(E-Beam)微影、离子束(Ion-Beam)微影及X-光微影等等；其中光学微影为现在的主流技术，主要是由于其产能(Throughput)大、良率高、成本较低等因素。然而，由于使用的光波长所限制，使得光学微影技术将面临极限。虽然我们可以藉由光学邻近修正(Optical Proximity Correction，OPC)、相位移光罩(Phase-Shifting Mask, PSM.)及偏轴照射(Off-Axis Illumination，OAI)等技术，将光学微影制程推向0.1微米左右，但伴随的成本增加及制程上的困难，使得其他微影技术开始受到重视；其中又以具有高解析度、景深大、技术成熟等优点的电子束微影技术，受到最大的重视。
虽然电子束微影技术的产能相较于光学微影技术而言低了许多，但随着新机型(例如胞元投影式(Cell Projection))的问世，已经将这个缺点大大的改善，而其他缺点如电荷效应(Changing effect)及邻近效应(Proximity effect)等问题，也可以利用导电性高分子及邻近效应修正软体来一一克服。电子束微影技术的另一项有潜力之应用为投影式电子束微影技术(E-Beam Projection Lithography, EPL)，又名为有限孔径散射投影式电子束，SCattering with Aperture Limited Projection Electron Lithography, SCALPEL），此乃利用类似光学投影的方式，将透过图罩所形成的电子束分布图案照射于晶圆表面，具有极高的解析度与合理的产能，预计可应用于0.05微米以下的IC产品。此外，未来微影技术所使用之遮罩，也需仰赖电子束微影系统的图案制作能力，因此其应用范围愈来愈广。因此，电子束微影技术在半导体工业上将扮演着非常重要的角色。
WEPRINT 200电子束系统为本实验室所购置的先进电子束微影系统，是由德国Leica公司所生产的，其兼具晶圆直写及光罩制作的双重功能，并具0.1微米以下的图案定义能力，故极适用于下数个世代的光罩及元件制作。本文将为大家对此系统做一个简单的介绍，希望能让大家对电子束投影系统有个初步的认识。
二、WEPRINT 200简介
本实验室的WEPRINT 200电子束系统，与Leica公司所生产的ZBA 31/32机型大部分的构造相同，最大的差异乃在于WEPRINT 200电子束系统，可具有不同尺寸的光罩(5吋、6吋)制作及晶圆(150、200厘米)直写的双重功能，因此对于研究上提供了多样的选择性。电子束微影技术乃利用带高能量的电子群，经电磁装置控制方向后，照射于涂布感光性材料（阻剂）的基板上，此时电子与阻剂产生化学反应，在经过烘烤及显影步骤后，使阻剂内有／无电子束反应的区域得以被区隔，阻剂图案因而显现出来。在硬体上，WEPRINT 200电子束系统的主要结构大致可分为传输系统(Handling System)、曝光腔体系统(Main Chamber System)及使用者操作系统(Operator Console System)等三部份。如图(一)、(二)：
传输系统主要功能为控制机械手臂的传送，可将基板及其托架置入曝光腔体中，包含了放置基板的标准机械介面盒(Standard Mechanical Interface Box，SMIF Box)中、用来找出150厘米晶圆平边或200厘米晶圆缺口的对准平台(Pre-alignment Stage)及基板托架(Substrate Holder)；WEPRINT 200电子束系统的托架部分，除了固定基板于托架、以及将托架置入平台的设计外，并拥有一组特殊的侦测器，提供在微影系统中非常重要的对准功能，以提供准确的位置参考。
曝光腔体系统为高真空状态，包含了由六硼化镧(LaB6)在阴极上直接加热所产生的热电子(Thermionic)、定义电子束图形的成形孔隙(Format Aperture)、移动光罩或晶圆曝光位置的平台真空腔(Stage Chamber)及放置光罩或晶圆等待曝光的传输平台真空腔(Load-lock Chamber)，WEPRINT 200电子束系统在腔体内多放置另一托架，在曝光进行时，外部的传送机构先行将基板置入气闸内之托架，当曝光完成时，利用穿梭运行机制(shuttle mechanism)将位于腔体及气闸内的托架互换，曝光动作可持续进行，而外部的传送机构再将曝光完成的基板送出，可节省冗长的基板调换时间。图三为WEPRINT 200电子束系统的曝光腔体结构图。
当电子束由电子枪形成后，会经过二组成形孔隙，藉由这两组成形孔隙的相对位置变化，WEPRINT 200电子束系统可以产生三类曝光图形，分别为矩形、倾斜45°之矩形、以及直角三角形，这些不同形状及尺寸不一的电子束分次曝光后，便可组合成所我们设计的曝光图案，这种曝光方式就是所谓的可变式形状电子束(Variably Shaped Beam)技术。如图四显示图案组合之示意图。另外曝光腔体内具有偏折系统(Deflection System)，用来控制电子束在曝光时的定位能力。其定位方式主要分为二部分：第一为利用电磁(Electromagnetic)方式所控制的主偏折器，其偏折的范围较大，可达1200微米；另一为次偏折器，乃利用静电(Electrostatic)原理控制电子束偏折，可进行快速定位，偏折的范围较小，最大为60微米。
三、WEPRINT 200操作原理
关于WEPRINT 200的使用者操作系统大致分为三个部份：曝光图形格式切割转档、曝光位置编辑与曝光系统操作；以下我们再就各项做详细的介绍：
(一)、曝光图形格式切割转档：
由前述的电子束微影系统工作原理得知，所设计的图案必须经由适当的切割，使其满足成形孔隙所定义出的形状。形成孔隙所产生的基本形状包括矩形、倾斜45°之矩形、以及直角三角形，且尺寸须小于4微米，切割的动作必须符合此规则。由于成形孔隙的形状限制，所以我们的图案几何形状若较复杂时，则势必要在图形失真与处理时间/产能间必须有所取舍。
如同一般的电子束系统，我们必须先将要曝的图档转成一定的格式，WEPRINT 200电子束系统所使用的转档介面是由德国Fraunhofer公司所提供的MGS(Mask Generator System)系统。在MGS系统中，可接受的图档格式包含常见的GDSⅡ、DXF及CIF等格式。经过MGS系统转档后，此时所要曝的图形，会被切成许多梯形图案，此时图档会被切割成小于或等于1200微米的条状区域(Stripe)，以符合主偏折系统之电子束偏折范围，而这类的格式称为 TZB 格式，如图五所示；接着再将每个梯形图形切割成电子束上成形孔隙形状的组合格式(称为RUN格式)。如图六所示。另外，我们可以在曝光图形格式切割转档过程中，改变相对曝光量大小或是同时使用邻近效应修正软体来转档，关于曝光图形格式转档的流程可以由图七来了解：
(二)、曝光位置编辑：
完成曝光图形格式的转换后，我们藉由WEPRINT 200电子束系统所提供的基板叠层顺序编排(Substrate Layout Order，SLO)软体来编辑欲曝光的晶粒(Die)在晶圆或是光罩上的位置(SLS格式)。在SLO中，我们除了可以设定图形的曝光位置外，还可以设定曝光能量、扫描速度与方向、重复次数、基板高度量测与对准标记(Align Mark)的侦测方式等参数。最后我们利用编译程式将文字内容的SLS格式转换成WEPRINT 200电子束系统读取的机器码SLI格式，如此我们的曝光准备工作便大功告成了。以下例子为SLO参数编写内容，其在晶圆上的对应位置如图八:
(三)、曝光系统操作：
当曝光图形格式切割转档与曝光位置编辑等准备工作完成后，接下来就进入电子束曝光动作。WEPRINT 200电子束系统提供了整合的图形化使用者界面OBM软体来自动完成基板传送、曝光等所有动作。其流程如图九：
四、结论
微影技术是半导体工业的关键步骤，当主流的光学微影技术面临瓶颈时，电子束微影技术提供了高解析度、景深大的解决方法。加上导电性高分子、邻近效应修正、可变式形状电子束系统与胞元投影电子束系统等技术的辅助，使得电子束微影技术在线宽缩小与产能增加上大大的突破，相信WEPRINT 200电子束系统可以提供本实验室下一世代光罩及元件制作上解决方法。
本文出处:
http://www.ndl.org.tw/n..._2/36.htm
