CN112485980A - 一种多电子束的光刻设备和光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电子束的光刻设备和光刻方法，该光刻设备包括多激光束阵列器件和多电子束阵列器件，其中，所述多激光束阵列器件包括激光光源、激光平行扩束镜和液晶开关阵列，所述多电子束阵列器件包括阴极、光‑电子转换发射阵列、阳极、加速阳极、磁聚焦阵列、光澜阵列、磁聚焦物镜和样品台。采用本发明提供的多电子束的光刻设备和方法，能够大幅增加可控电子束的数量，增加有效曝光点数量，减少总曝光次数，减少电子束光刻写入时间，大幅提升电子束光刻的效率和吞吐量，有望使多电子束光刻设备超越以光为媒介的传统光刻设备的光刻效率和分辨率，推动多电子束光刻设备成为具有强竞争力的实用光刻设备。

Description

一种多电子束的光刻设备和光刻方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，特别是涉及一种多电子束的光刻设备和光刻方法。
背景技术
半导体集成电路制造最重要过程是光复印或光刻工艺，即将预先设计的电路图形转移到涂覆在半导体晶片上的光刻胶层上，再通过刻蚀工艺将光刻胶图形转移到半导体晶片上。随着集成电路线宽不断减小且越来越复杂，传统以光子作为媒介的光刻设备越来越复杂且分辨率要求越来越高，由于存在光的衍射极限问题和空气对紫外光高吸收率的问题，传统以光为媒介的光刻***不能满足更精细的纳米级线宽的光刻要求。
研究人员开始探索利用更短波长的高能粒子或射线作为高精度光刻***的新媒介。其中，高速运动电子的德布罗意波长可以达到亚纳米甚至更短，电子束为媒介来实现光刻工艺可以产生纳米级甚至亚纳米级的高分辨率。虽然现有的电子束光刻设备发展迅速，但是仍然没有达到传统深紫外光刻设备的光刻精度和光刻效率，在减少电子束写入时间和提高生产吞吐量方面有很大发展空间。
因此，亟待研发一类吞吐量大效率高的多电子束光刻设备，以解决现有电子束光刻技术存在的问题和不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多电子束的光刻设备和光刻方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的，本发明提供一种多电子束的光刻设备，包括多激光束阵列器件和多电子束阵列器件，其中，所述多激光束阵列器件包括激光光源、激光平行扩束镜和液晶开关阵列，所述多电子束阵列器件包括阴极、光-电子转换发射阵列、阳极、加速阳极、磁聚焦阵列、光澜阵列、磁聚焦物镜和样品台，其中：
所述激光光源发出激光束，所述激光束通过所述激光平行扩束镜形成平行的多激光束，所述平行的多激光束照射到所述液晶开关阵列，所述液晶开关阵列根据预设光刻图形选择性透过光束以形成图形化平行激光束阵列；
所述图形化平行激光束阵列照射到所述阴极上的所述光-电子转换发射阵列，每一激光束照射所述光-电子转换发射阵列产生一电子束，所述图形化平行激光束阵列通过所述光-电子转换发射阵列形成图形化平行电子束阵列；
所述阳极和所述加速阳极为孔洞构造，所述阳极引导所述图形化平行电子束阵列从所述阴极发射出来，所述加速阳极加速电子，所述图形化平行电子束阵列通过所述孔洞穿过所述阳极和所述加速阳极到达所述磁聚焦阵列；
所述磁聚焦阵列聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，所述光澜阵列去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径减小；
所述磁聚焦物镜将接收到的所述图形化平行电子束阵列聚集投影到所述样品台上晶片的光刻胶上。
优选的，所述液晶开关阵列的像素分辨率为720p、2K、4K或8K以上，每个像素对应一个液晶开关，开关速度达到纳秒级。
优选的，所述液晶开关阵列为四方阵列分布或者六方阵列分布，所述光-电子转换发射阵列是与所述液晶开关阵列相对应的四方阵列分布或者六方阵列分布。
优选的，所述光-电子转换发射阵列为具有爱因斯坦光电效应的金属、合金或半导体材料。
优选的，所述激光光源为短波长激光器。
优选的，所述光澜阵列中的光阑的孔的尺寸为纳米级，通过所述孔的位置和大小对每个激光束进行准直、筛选，去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径缩小至纳米级。
本发明还提供一种多电子束的光刻方法，应用如上所述的多电子束的光刻设备，该方法包括：
所述平行扩束镜对所述激光器发出的激光进行扩束，得到平行的多激光束；
根据预设光刻图形控制所述液晶开关阵列内各开关的开闭，选择性透过照射到所述液晶开关阵列的所述多激光束，形成图形化平行激光束阵列；
所述图形化平行激光束阵列照射到所述阴极上的所述光-电子转换发射阵列，产生图形化平行电子束阵列；其中，每一激光束照射所述光-电子转换发射阵列产生一电子束；
利用所述阳极和所述加速阳极引导所述图形化平行电子束阵列从所述阴极发射出来；
穿过所述阳极和所述加速阳极的所述图形化平行电子束阵列到达所述磁聚焦阵列，穿过所述磁聚焦阵列到达所述光澜阵列；其中，利用所述磁聚焦阵列聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，所述光澜阵列去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径减小；
穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列到达所述磁聚焦物镜，利用磁聚焦物镜将所述图形化平行电子束阵列聚集投影到所述样品台上晶片的光刻胶上。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
采用本发明实施例提供的多电子束的光刻设备和方法，能够大幅增加可控电子束的数量，增加有效曝光点数量，减少总曝光次数，减少电子束光刻写入时间，大幅提升电子束光刻的效率和吞吐量，有望使多电子束光刻设备超越以光为媒介的传统光刻设备的光刻效率和分辨率，推动多电子束光刻设备成为具有强竞争力的实用光刻设备。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多电子束光刻设备的示意图。
图2为本发明实施例提供的多电子束的光刻方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
传统的单电子束设备已经非常成熟，例如透射电镜和扫描电镜等，其原理都是通过控制单电子束的连续扫描来实现曝光功能，但是类似的单电子束体系扫描曝光速度慢，不适合用作光刻设备。
多电子束光刻是以多电子束并行且以像素投影的方式成像曝光，能明显提升电子的曝光速度，更适合用作大规模工业化生产，其核心是多电子束的产生及控制。目前，多电子束光刻主要有三种方式，一种是单电子源分成多束，再利用电子磁偏转开关阵列控制单电子束的开或关，实现图形化曝光，该方式开辟了多电子束光刻的先河，但是也存电子束越多，单电子束强度越不均匀，电子磁偏转开关阵列越复杂的问题；第二种方式是通过复杂电路控制多电子源阵列的开关来实现电子束的选择性发射，从而实现图形化曝光，该方式存在多电子源阵列和电路控制结构复杂的问题，难以满足大规模电子束阵列的控制要求；第三种方式是通过多个声光调制器调制开关多束激光，再照射光阴背面，激发光阴极正面发射电子形成多电子束，再轰击光刻胶形成光刻图案，该方法使用机械分束器和声光调制器结构复杂形成的可控激光束数量少，激发的电子束数量少，背照射阴极正面发射电子的方式难以形成高强度的电子束，限制了其在大规模多电子束光刻技术中应用。
本发明实施例提供一种多电子束光刻设备，如图1所示，该多电子束光刻设备包括多激光束阵列器件和多电子束阵列器件，其中，多激光束阵列器件包括激光光源1、激光平行扩束镜2和液晶开关阵列3，多电子束阵列器件包括阴极4、光-电子转换发射阵列5、阳极6、加速阳极7、磁聚焦阵列8、光澜阵列9、磁聚焦物镜10、样品台11。
其中，激光光源1发出激光束。优选的，激光光源1为短波长激光器。短波长激光器的单光子能量大于对应的电子发射材料的电子逸出功。激光光源可以为单个或多个并行平行激光光源，要产生均匀平行的激光束。
激光光源1发出的光束通过激光平行扩束镜2形成平行的多激光束，平行的多激光束照射到液晶开关阵列3，液晶开关阵列3根据预设光刻图形选择性透过光束以形成图形化平行激光束阵列。
其中，平行扩束镜还可以将激光束的直径扩大，扩束后都是平行、光强均匀的激光光束，光束直径大于等于液晶开关阵列的对角线长度。
其中，液晶开关阵列3像素分辨率为720p、2K、4K或8K以上，每个像素对应一个液晶开关，开关速度达到纳秒级，性能稳定可靠。液晶开关阵列作为光开关控制多光束，电子束的数量可以提升到数百万甚至上千万束。通过液晶开关阵列控制光束的位置和数量，从而实现图形化平行激光束阵列，其图形控制简单高效。液晶开关阵列3连接计算机，通过计算机控制液晶开关阵列3中各开关。例如通过计算机输入图形，设置与预设光刻图形对应的液晶开关阵列图形，根据该图形控制液晶开关阵列中对应开关的开闭，从而选择性透过激光束形成图形化平行激光束阵列。
图形化平行激光束阵列照射到阴极4上的光-电子转换发射阵列5，每一激光束照射光-电子转换发射阵列5产生一电子束，图形化平行激光束阵列通过光-电子转换发射阵列5形成图形化平行电子束阵列。其中，光-电子转换发射阵列5中的光-电子转换发射点和与液晶开关阵列的像素点一一对应，且排列方式相同，某个光-电子转换发射点受到对应液晶开关阵列透过的激光照射发出光子，如果某些液晶像素点不透过激光，与该像素点对应的光-电子转换发射点不被激光照射，该光-电子转换发射点不会发射光子。
其中，光-电子发射阵列5是在半导体硅、碳化硅或氮化镓晶片上制备的具有爱因斯坦光电效应的金属、合金阵列或半导体材料，例如，锌、铷、镁、锂、银、铂等金属或合金等，其像素和阵列结构对应于数字微反射镜的像素和阵列结构，对应产生百万、千万或更多电子束的阵列。
优选的，液晶开关阵列3可以为四方阵列分布或者六方阵列分布，光-电子转换发射阵列5是与液晶开关阵列3相对应的四方阵列分布或者六方阵列分布。
容易理解，液晶开关阵列3也可以是其它分布方式，相应地，光-电子转换发射阵列5可以具有与液晶开关阵列3相同的分布方式，以保证每一激光束照射光-电子转换发射阵列产生一电子束，图形化平行激光束阵列通过光-电子转换发射阵列形成图形化平行电子束阵列。
优选的，多电子束的光刻设备中光-电子转换发射阵列、阳极、加速阳极、磁聚焦阵列、光澜阵列、磁聚焦物镜、样品台从上往下依次垂直排列。
阳极6和加速阳极7为孔洞构造，阳极6引导图形化平行电子束阵列从阴极4发射出来，加速阳极7加速电子，图形化平行电子束阵列通过孔洞穿过阳极6和加速阳极7到达磁聚焦阵列8。其中，阳极6和加速阳极7的孔洞构造使得图形化平行电子束阵列穿过，而其它电子束则被阳极6和加速阳极7吸收。优选的，阳极6是带正向电压的具有微孔阵列的金属板，其微孔的直径和光-电子转换发射点的直径相同或相近，微孔阵列的尺寸、排列方式与光-子转换发射阵列相同。加速阳极7和阳极6的结构相同，其正向电压比阳极6高很多。
磁聚焦阵列8聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，光澜阵列9去除发散光，使穿过光澜阵列9的图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径减小。磁聚焦阵列8和光澜阵列9的分布与液晶开关阵列3的分布相应，具有与图形化平行电子束阵列对应的间隙，使得图形化平行电子束阵列能够穿过，其它电子束则被阻挡。
其中，光澜阵列9中的光阑的孔的尺寸为纳米级，通过孔的位置和大小对每个激光束进行准直、筛选，去除发散光，从而将每个电子束的直径缩小至纳米级。
优选的，磁聚焦阵列8将电磁环周期阵列，在每个电磁环中通电流电场产生磁场，从而控制运动电子的偏转，实现每一束电子束向中心聚焦，使每束电子的直径变小。
优选的，光澜阵列9是具有纳米孔阵列的金属板，不加电压，其纳米孔的排列和间距与光-电子转换发射阵列相同，其作用是将每一电子束的杂散电子吸收过滤掉，使每束电子束直径进一步减小。
磁聚焦物镜10将接收到的图形化平行电子束阵列聚集投影到样品台11上晶片的光刻胶上。其中，可选的，磁聚焦物镜10与样品台11上晶片的光刻胶之间的距离大于磁聚焦物镜10的焦距。其中，磁聚焦物镜10与样品台11上晶片的光刻胶之间的距离可以根据实际需要灵活改变。其中，磁聚焦物镜10类似光学凸透镜光学微缩原理，电子束之间的间距减小，每个电子束的直径也会减小，从而将电子束阵列进行缩小聚焦，缩小的倍数越大，则形成的纳米级光刻图形越小。
通过采用本发明实施例提供的多电子束的光刻设备，能够大幅增加可控电子束的数量，增加有效曝光点数量，减少总曝光次数，减少电子束光刻写入时间，大幅提升电子束光刻的效率和吞吐量，有望使多电子束光刻设备超越以光为媒介的传统光刻设备的光刻效率和分辨率，推动多电子束光刻设备成为具有强竞争力的实用光刻设备。
本发明实施例提供一种多电子束的光刻方法，应用如图1所示的多电子束的光刻设备，如图2所示，该方法包括：
步骤201，平行扩束镜对激光器发出的激光进行扩束，得到平行的多激光束。
步骤202，根据预设光刻图形控制液晶开关阵列内各开关的开闭，选择性透过照射到液晶开关阵列的多激光束，形成图形化平行激光束阵列。
步骤203，图形化平行激光束阵列照射到阴极上的光-电子转换发射阵列，产生图形化平行电子束阵列。
其中，每一激光束照射所述光-电子转换发射阵列产生一电子束。
步骤204，利用阳极和加速阳极引导图形化平行电子束阵列从阴极发射出来。
步骤205，穿过阳极和加速阳极的图形化平行电子束阵列到达磁聚焦阵列，穿过所述磁聚焦阵列到达光澜阵列，每个电子束的直径进一步缩小。
其中，利用所述磁聚焦阵列聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，所述光澜阵列去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径缩小至纳米级。
步骤206，穿过光澜阵列的图形化平行电子束阵列到达磁聚焦物镜，利用磁聚焦物镜将图形化平行电子束阵列聚集投影到样品台上晶片的光刻胶上。
通过采用本发明实施例提供的多电子束的光刻方法，能够大幅增加可控电子束的数量，增加有效曝光点数量，减少总曝光次数，减少电子束光刻写入时间，大幅提升电子束光刻的效率和吞吐量，有望使多电子束光刻设备超越以光为媒介的传统光刻设备的光刻效率和分辨率，推动多电子束光刻设备成为具有强竞争力的实用光刻设备。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种多电子束的光刻设备，其特征在于，包括多激光束阵列器件和多电子束阵列器件，其中，所述多激光束阵列器件包括激光光源、激光平行扩束镜和液晶开关阵列，所述多电子束阵列器件包括阴极、光-电子转换发射阵列、阳极、加速阳极、磁聚焦阵列、光澜阵列、磁聚焦物镜和样品台，其中：
所述激光光源发出激光束，所述激光束通过所述激光平行扩束镜形成平行的多激光束，所述平行的多激光束照射到所述液晶开关阵列，所述液晶开关阵列根据预设光刻图形选择性透过光束以形成图形化平行激光束阵列；
所述图形化平行激光束阵列照射到所述阴极上的所述光-电子转换发射阵列，每一激光束照射所述光-电子转换发射阵列产生一电子束，所述图形化平行激光束阵列通过所述光-电子转换发射阵列形成图形化平行电子束阵列；
所述阳极和所述加速阳极为孔洞构造，所述阳极引导所述图形化平行电子束阵列从所述阴极发射出来，所述加速阳极加速电子，所述图形化平行电子束阵列通过所述孔洞穿过所述阳极和所述加速阳极到达所述磁聚焦阵列；
所述磁聚焦阵列聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，所述光澜阵列去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径减小；
所述磁聚焦物镜将接收到的所述图形化平行电子束阵列聚集投影到所述样品台上晶片的光刻胶上。
2.根据权利要求1所述的多电子束光刻设备，其特征在于，所述液晶开关阵列的像素分辨率为720p、2K、4K或8K以上，每个像素对应一个液晶开关，开关速度达到纳秒级。
3.根据权利要求1或2所述的多电子束光刻设备，其特征在于，所述液晶开关阵列为四方阵列分布或者六方阵列分布，所述光-电子转换发射阵列是与所述液晶开关阵列相对应的四方阵列分布或者六方阵列分布。
4.根据权利要求1所述的多电子束光刻设备，其特征在于，所述光-电子转换发射阵列为具有爱因斯坦光电效应的金属、合金或半导体材料。
5.根据权利要求1所述的多电子束光刻设备，其特征在于，所述激光光源为短波长激光器。
6.根据权利要求1所述的多电子束光刻设备，其特征在于，所述光澜阵列中的光阑的孔的尺寸为纳米级，通过所述孔的位置和大小对每个激光束进行准直、筛选，去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径缩小至纳米级。
7.一种多电子束的光刻方法，应用如权利要求1所述的多电子束的光刻设备，其特征在于，所述方法包括：
所述平行扩束镜对所述激光器发出的激光进行扩束，得到平行的多激光束；
根据预设光刻图形控制所述液晶开关阵列内各开关的开闭，选择性透过照射到所述液晶开关阵列的所述多激光束，形成图形化平行激光束阵列；
所述图形化平行激光束阵列照射到所述阴极上的所述光-电子转换发射阵列，产生图形化平行电子束阵列；其中，每一激光束照射所述光-电子转换发射阵列产生一电子束；
利用所述阳极和所述加速阳极引导所述图形化平行电子束阵列从所述阴极发射出来；
穿过所述阳极和所述加速阳极的所述图形化平行电子束阵列到达所述磁聚焦阵列，穿过所述磁聚焦阵列到达所述光澜阵列；其中，利用所述磁聚焦阵列聚焦每个电子束使每个电子束直径减小，所述光澜阵列去除发散光，使穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列中每个电子束的直径减小；
穿过所述光澜阵列的所述图形化平行电子束阵列到达所述磁聚焦物镜，利用磁聚焦物镜将所述图形化平行电子束阵列聚集投影到所述样品台上晶片的光刻胶上。
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