奈米通訊。第七卷第二期36.電子束微影系統
電子束微影系統
Leica WEPRINT 200 簡介
許進財、李瑞光、邱燦賓
一、前言
隨著半導體工業的快速發展，高密度、小線寬及低成本無不是每個半導體廠所追求的目標，而達成這些目標的關鍵步驟，莫過於製程中的微影 (Lithography) 技術；倘若微影技術無法符合新一代電路設計的規範，則整個IC工業將面臨裹足不前的窘境。一般常使用的微影技術有光學微影(紫外光(UV)，深紫外光(Deep UV))、電子束(E-Beam)微影、離子束(Ion-Beam)微影及X-光微影等等；其中光學微影為現在的主流技術，主要是由於其產能(Throughput)大、良率高、成本較低等因素。然而，由於使用的光波長所限制，使得光學微影技術將面臨極限。雖然我們可以藉由光學鄰近修正(Optical Proximity Correction，OPC)、相位移光罩(Phase-Shifting Mask, PSM.)及偏軸照射(Off-Axis Illumination，OAI)等技術，將光學微影製程推向0.1微米左右，但伴隨的成本增加及製程上的困難，使得其他微影技術開始受到重視；其中又以具有高解析度、景深大、技術成熟等優點的電子束微影技術，受到最大的重視。
雖然電子束微影技術的產能相較於光學微影技術而言低了許多，但隨著新機型(例如胞元投影式(Cell Projection))的問世，已經將這個缺點大大的改善，而其他缺點如電荷效應(Changing effect)及鄰近效應(Proximity effect)等問題，也可以利用導電性高分子及鄰近效應修正軟體來一一克服。電子束微影技術的另一項有潛力之應用為投影式電子束微影技術(E-Beam Projection Lithography, EPL)，又名為有限孔徑散射投影式電子束，SCattering with Aperture Limited Projection Electron Lithography, SCALPEL），此乃利用類似光學投影的方式，將透過圖罩所形成的電子束分佈圖案照射於晶圓表面，具有極高的解析度與合理的產能，預計可應用於0.05微米以下的IC產品。此外，未來微影技術所使用之遮罩，也需仰賴電子束微影系統的圖案製作能力，因此其應用範圍愈來愈廣。因此，電子束微影技術在半導體工業上將扮演著非常重要的角色。
WEPRINT 200電子束系統為本實驗室所購置的先進電子束微影系統，是由德國Leica公司所生產的，其兼具晶圓直寫及光罩製作的雙重功能，並具0.1微米以下的圖案定義能力，故極適用於下數個世代的光罩及元件製作。本文將為大家對此系統做一個簡單的介紹，希望能讓大家對電子束投影系統有個初步的認識。
二、WEPRINT 200簡介
本實驗室的WEPRINT 200電子束系統，與Leica公司所生產的ZBA 31/32機型大部分的構造相同，最大的差異乃在於WEPRINT 200電子束系統，可具有不同尺寸的光罩(5吋、6吋)製作及晶圓(150、200釐米)直寫的雙重功能，因此對於研究上提供了多樣的選擇性。電子束微影技術乃利用帶高能量的電子群，經電磁裝置控制方向後，照射於塗佈感光性材料（阻劑）的基板上，此時電子與阻劑產生化學反應，在經過烘烤及顯影步驟後，使阻劑內有／無電子束反應的區域得以被區隔，阻劑圖案因而顯現出來。在硬體上，WEPRINT 200電子束系統的主要結構大致可分為傳輸系統(Handling System)、曝光腔體系統(Main Chamber System)及使用者操作系統(Operator Console System)等三部份。如圖(一)、(二)：
傳輸系統主要功能為控制機械手臂的傳送，可將基板及其托架置入曝光腔體中，包含了放置基板的標準機械介面盒(Standard Mechanical Interface Box，SMIF Box)中、用來找出150釐米晶圓平邊或200釐米晶圓缺口的對準平台(Pre-alignment Stage)及基板托架(Substrate Holder)；WEPRINT 200電子束系統的托架部分，除了固定基板於托架、以及將托架置入平台的設計外，並擁有一組特殊的偵測器，提供在微影系統中非常重要的對準功能，以提供準確的位置參考。
曝光腔體系統為高真空狀態，包含了由六硼化鑭(LaB6)在陰極上直接加熱所產生的熱電子(Thermionic)、定義電子束圖形的成形孔隙(Format Aperture)、移動光罩或晶圓曝光位置的平台真空腔(Stage Chamber)及放置光罩或晶圓等待曝光的傳輸平台真空腔(Load-lock Chamber)，WEPRINT 200電子束系統在腔體內多放置另一托架，在曝光進行時，外部的傳送機構先行將基板置入氣閘內之托架，當曝光完成時，利用穿梭運行機制(shuttle mechanism)將位於腔體及氣閘內的托架互換，曝光動作可持續進行，而外部的傳送機構再將曝光完成的基板送出，可節省冗長的基板調換時間。圖三為WEPRINT 200電子束系統的曝光腔體結構圖。
當電子束由電子槍形成後，會經過二組成形孔隙，藉由這兩組成形孔隙的相對位置變化，WEPRINT 200電子束系統可以產生三類曝光圖形，分別為矩形、傾斜45°之矩形、以及直角三角形，這些不同形狀及尺寸不一的電子束分次曝光後，便可組合成所我們設計的曝光圖案，這種曝光方式就是所謂的可變式形狀電子束(Variably Shaped Beam)技術。如圖四顯示圖案組合之示意圖。另外曝光腔體內具有偏折系統(Deflection System)，用來控制電子束在曝光時的定位能力。其定位方式主要分為二部分：第一為利用電磁(Electromagnetic)方式所控制的主偏折器，其偏折的範圍較大，可達1200微米；另一為次偏折器，乃利用靜電(Electrostatic)原理控制電子束偏折，可進行快速定位，偏折的範圍較小，最大為60微米。
三、WEPRINT 200操作原理
關於WEPRINT 200的使用者操作系統大致分為三個部份：曝光圖形格式切割轉檔、曝光位置編輯與曝光系統操作；以下我們再就各項做詳細的介紹：
(一)、曝光圖形格式切割轉檔：
由前述的電子束微影系統工作原理得知，所設計的圖案必須經由適當的切割，使其滿足成形孔隙所定義出的形狀。形成孔隙所產生的基本形狀包括矩形、傾斜45°之矩形、以及直角三角形，且尺寸須小於4微米，切割的動作必須符合此規則。由於成形孔隙的形狀限制，所以我們的圖案幾何形狀若較複雜時，則勢必要在圖形失真與處理時間/產能間必須有所取捨。
如同一般的電子束系統，我們必須先將要曝的圖檔轉成一定的格式，WEPRINT 200電子束系統所使用的轉檔介面是由德國Fraunhofer公司所提供的MGS(Mask Generator System)系統。在MGS系統中，可接受的圖檔格式包含常見的GDSⅡ、DXF及CIF等格式。經過MGS系統轉檔後，此時所要曝的圖形，會被切成許多梯形圖案，此時圖檔會被切割成小於或等於1200微米的條狀區域(Stripe)，以符合主偏折系統之電子束偏折範圍，而這類的格式稱為 TZB 格式，如圖五所示；接著再將每個梯形圖形切割成電子束上成形孔隙形狀的組合格式(稱為RUN格式)。如圖六所示。另外，我們可以在曝光圖形格式切割轉檔過程中，改變相對曝光量大小或是同時使用鄰近效應修正軟體來轉檔，關於曝光圖形格式轉檔的流程可以由圖七來了解：
(二)、曝光位置編輯：
完成曝光圖形格式的轉換後，我們藉由WEPRINT 200電子束系統所提供的基板疊層順序編排(Substrate Layout Order，SLO)軟體來編輯欲曝光的晶粒(Die)在晶圓或是光罩上的位置(SLS格式)。在SLO中，我們除了可以設定圖形的曝光位置外，還可以設定曝光能量、掃描速度與方向、重複次數、基板高度量測與對準標記(Align Mark)的偵測方式等參數。最後我們利用編譯程式將文字內容的SLS格式轉換成WEPRINT 200電子束系統讀取的機器碼SLI格式，如此我們的曝光準備工作便大功告成了。以下例子為SLO參數編寫內容，其在晶圓上的對應位置如圖八:
(三)、曝光系統操作：
當曝光圖形格式切割轉檔與曝光位置編輯等準備工作完成後，接下來就進入電子束曝光動作。WEPRINT 200電子束系統提供了整合的圖形化使用者界面OBM軟體來自動完成基板傳送、曝光等所有動作。其流程如圖九：
四、結論
微影技術是半導體工業的關鍵步驟，當主流的光學微影技術面臨瓶頸時，電子束微影技術提供了高解析度、景深大的解決方法。加上導電性高分子、鄰近效應修正、可變式形狀電子束系統與胞元投影電子束系統等技術的輔助，使得電子束微影技術在線寬縮小與產能增加上大大的突破，相信WEPRINT 200電子束系統可以提供本實驗室下一世代光罩及元件製作上解決方法。
本文出處:
http://www.ndl.org.tw/n..._2/36.htm
