电子束曝光设备及研制进展

本文发表于期刊《中国集成电路》

[1]范江华,张超,李苹,等.电子束曝光设备及研制进展[J].中国集成电路,2025,34(04):86-90.

摘要：本文介绍了一种应用于化合物芯片制造领域的电子束曝光设备，该设备最大装载尺寸8英寸，同时具备自动传片、自动束流切换、自动调焦等功能。通过曝光试验测试，结果表明设备最小线宽优于50nm，拼接精度优于40 nm，满足化合物芯片曝光工艺的需求。

关键词：电子束曝光;电子束光刻;电子束直写;曝光设备

作者简介：范江华，中国电子科技集团公司第四十八研究所高级工程师，从事电子束光刻、薄膜沉积与刻蚀工艺设备整机研发工作。

0 引言

电子束曝光是一种利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术。与其他曝光技术相比，电子束曝光技术具有极高分辨率、无需掩模版、图形数据易修改等特点，被广泛应用于新型集成电路研究及掩模版、小批量器件的制造[1-2]。

在化合物芯片制造领域，电子束曝光通常用于射频器件T型栅、光芯片光栅的曝光工艺。随着射频器件向高频率、集成化的发展，T型栅栅根线宽通常要求130 nm以下，同时T型栅栅根与栅帽尺寸差距较大、基片尺寸多样（如GaN、GaAs）且平整性差等特点要求曝光工艺过程中束流可自动切换、调焦可自动调节，进而要求电子束曝光设备具备较小线宽曝光能力、高的拼接/拼接精度、兼容不同基片尺寸、束流切换灵活、自动调焦等特点。针对上述要求，中国电科四十八所研制了一种装载尺寸8英寸（兼容4-6英寸）的全自动生产型电子束曝光设备，可满足化合物芯片曝光工艺的需求。

1 设备构成

电子束曝光设备由传片系统、激光工件台、电子光学柱、电气系统、控制系统及真空系统、气路系统、水路系统、减振系统、微环境系统、预对准系统等辅助系统组成，如图1所示。为满足曝光工艺的生产效率，电子束曝光设备设计了双高真空腔室，传片室与曝光室之间采用隔离阀来实现腔室之间的通断，在不破坏工艺室真空情况下通过传片室装卸片实现连续生产。

图1 电子束曝光设备示意图

1.1传片系统

传片系统的作用是实现晶圆的存储、装卸以及恒温处理，主要由传片机械手、传片腔、片盒升降装置、基片盒、基片盘等组成，如图2所示。传片系统每次传片时，基片盒随升降装置运动到合适位置，真空机械手运动到基片盘连接位，通过基片盘锁体实现基片盘与机械手的可靠连接，此时机械手通过传片轨道导向将基片盘送至载片台，并通过载片台锁紧机构将基片盘锁紧在载片台上，机械手拉钩与基片盘锁体分离后回到原位；在曝光工艺结束后，载片台上锁紧机构解除，真空机械手移动至载片台位置，基片盘锁体与机械手拉钩再次连接，机械手将基片盘拉回至基片盒空位上，从而实现基片盘在基片盒和工件台之间的转移传送。

图2 传片系统示意图

1.2激光工件台

激光工件台的作用是提供基片装卸与移动功能以及基片位置测量功能，主要由精密工件台、载片台、激光干涉测量系统和曝光腔体等组成，如图3所示。精密工件台采用多层运动结构，通过内置直流电机驱动滚珠丝杆并辅助高精度直线导轨保障运动轴向精度，通过微调支脚调节工件台高度与平面倾斜角度；载片台提供承载和定位晶圆的作用，并具备束流检测和定位标记等功能；载片台与工件台之间采用分体式设计，通过电机驱动紧固基片盘，同时具备束流检测和定位标记等功能；激光干涉测量系统采用X-X-Y三轴测量实时监测工件台沿X、Y轴方向的位置和运动偏摆的正交性误差，经电子细分后最小分辨率可达0.15 nm；曝光腔采用双层腔体结构，内层承载腔体通过顶部盖板与外侧真空腔体的顶部盖板固定连接，通过吊装的形式将工件台保持在承载腔体内，降低高真空环境下腔体结构面板的微变形所引起的误差。

图3 激光工件台示意图

1.3电子光学柱

电子光学柱的作用是控制电子束的产生、聚焦、通断与扫描，主要由电子枪、隔离阀、电子光学光路、检测模块等组成，如图4所示。为实现高精度高效率曝光，电子枪采用热场发射阴极；电子光学光路主要由对中线圈、C2聚焦透镜、束闸、调焦/消像散、偏转器、C3聚焦透镜（物镜）、可调光阑等组成，通过两级磁透镜结合电子枪电透镜实现电子束聚焦功能，偏转器则采用上下两级主偏转和子偏转器结构，设计微调焦透镜修正高度差异以及偏转场的场曲，结合八极消像散器实现固定像散及偏转场带来的像散的消除，进而提高曝光精度，同时辅助多级自动可调光阑实现束斑尺寸和束流的切换；检测模块用于背散射电子探测，实现芯片标记的检测以满足曝光工艺需求，同时检测模块还集成了测高功能，实现电子束焦距动态调整以获得最佳束斑。

图4 电子光学柱结构示意图

1.4电气系统

电气系统是为电子光学柱、激光工件台等分系统提供精确动力，并提供相关精准控制驱动，主要由电子枪电源、光路电源、束闸电源、偏放电源、微信号放大电路、运动驱动电路、配电模块等部件构成。电子枪电源、光路电源、束闸电源、偏放电源均采用高稳定性、低纹波电流源，用于控制电子束的产生、聚焦、通断、偏转扫描等；微信号放大电路负责背散射电子、电子束束流等微小信号的接收及放大处理；运动控制电路包括传片运动控制电路、可调光阑运动控制电路、工件台运动控制与修正电路，主要用于传片系统、可调光阑、工件台等部件驱动电机的运动控制，并针对工件台定位将偏差位置发送至偏放电源进行工件台定位修正；配电模块为整机提供电力，主要由主配电、控制配电、安全互锁等组成。

1.5控制系统

控制系统的作用是在曝光过程中，实时处理并传输图形数据给图形发生器进行曝光控制，以控制电子光学系统进行定位、修正和曝光等步骤，同时用户提供设备直接交互窗口并实现最终的设备功能。控制系统采用计算机结合图形发生器、PLC的控制方式，通过对电子光学柱、激光工件台、传片系统以及真空、水路、气路等辅助系统进行检测与控制，并通过电子探测、激光测量等手段对整个曝光工艺进行实时检测和修正，实现曝光工艺过程中对设备进行监控、报警、日志记录等功能，保证设备安全稳定运行以满足工艺要求。其中图形发生器负责电子光学柱偏放电源、束闸电源、激光工件台驱动电机、激光干涉仪、测高仪等高频响部件的控制，根据所控制部件的特性综合采用SFP+、VPX以及TCP/IP等控制方式。PLC对设备传片系统、真空系统、水路系统等进行逻辑控制，根据设备部件的特性综合采用TCP/IP、EtherCAT、RS485、数字量、模拟量进行读写控制。

控制系统软件分为计算机软件、图形发生器软件和PLC软件。其中计算机软件包括图形处理软件与曝光控制软件，图形处理软件负责曝光图形管理与图形数据转换，为设备曝光控制软件提供机器格式的曝光图形文件；曝光控制软件具备曝光任务管理、工艺控制、硬件控制与整机管理（数据管理、系统设置、报警管理、系统帮助等）等功能，为用户提供图形化的设备操作和管理接口。图形发生器软件负责曝光图形坐标数据生成、数据校正、数据输出速度调整以及束闸自动通断控制，实现曝光过程中的扫描控制。PLC软件负责低速硬件如传片机构、真空系统、电子光学系统电源等部件的状态检测、通信、输出控制等，并实现硬件级的互锁保护。

图5 控制系统软件整体框图

1.6辅助系统

辅助系统由真空系统、气路系统、水路系统、减振系统、微环境系统、预对准系统构成。

1.6.1真空系统

真空系统的作用是为电子光学系统、激光工件台等系统稳定提供必要的超高或高真空环境，主要由电子枪真空、电子光路真空、曝光腔真空和传片腔真空组成。根据各腔体不同的真空度要求，整机真空系统采用四级阶梯真空设计，最终实现电子枪极限真空优于2E-7Pa。

1.6.2气路系统

气路系统的作用是用于电子枪底座、工件台电机的冷却，降低温度对设备的影响，以及破除电子光学柱、曝光腔室、传片腔室的真空环境。气路系统由工艺气路和动力气路组成。其中工艺气路包括传片腔体及曝光腔体、电子枪腔体开腔用高纯氮气；动力气路用于电子枪底座、工件台电机的冷却以及超高真空插板阀、挡板阀、气动隔膜阀等气动元件的操作。

1.6.3水路系统

水路系统的作用是为聚焦透镜、激光工件台提供恒定的工作温度，为分子泵、恒温控制器等部件提供降温功能。水路系统由恒温水路和冷却水路组成，其中冷却水路采用水排集中供水，在各支路上设计手动阀门控制通断并配置水流量检测传感器检测水流异常情况。恒温水路由恒温控制器、恒温管路等组成，主要用于电子光学柱透镜、激光工件台的高精度恒温控制。

1.6.4减振系统

在曝光工艺过程中，振动会导致曝光图形出现偏离，为降低外部环境振动产生的干扰，设备通过减振系统降低振动传递。设备减振系统由气浮减振器与机架组成，机架采用分体式设计，通过气浮减振器将上下机架隔离，有效降低下机架振动传递至上机架，以起到减少振动的效果。

1.6.5微环境系统

微环境系统用于调控设备周围的温度、湿度、洁净度、电磁场等环境因素，主要由微环境控制模块和磁场屏蔽模块组成。其中微环境控制模块主要用于温度、湿度及洁净度的控制；磁场屏蔽模块采用坡莫合金外罩结合主动电磁屏蔽控制环境电磁场干扰。

1.6.6预对准系统

预对准系统的作用是检测晶圆标记与基片盘的角度偏差，降低基片进入工件台后的定位时间。预对准系统根据功能需求分为两部分，一是光学显微镜平台，用于快速寻找基片定位标记；二是测量调节平台，用于对定位标记进行精确坐标记录并将对准坐标数据传输至软件系统中。

2 研制进展

目前电子束曝光设备完成了性能调试，实现了写场矫正、工件台校正、束斑漂移测量与校正、自动束流切换、高度Map测量、自动消像散等功能，支持GDSII、CIF、DXF等多种版图格式，兼容GDSII、CPF曝光图形数据格式。通过实验验证，目前设备最小线宽优于50 nm、主场拼接/套刻精度优于40 nm。

图6 电子束曝光设备工艺效果图

3 总结

本文介绍了一种应用于化合物芯片制造领域的电子束曝光设备，该设备最大装载尺寸8英寸，同时具备自动传片、自动束流切换、自动调焦等功能。通过曝光试验测试，结果表明设备最小线宽优于50nm，拼接精度优于40 nm，满足化合物芯片曝光工艺的需求。

参考文献

[1]顾文琪.电子束曝光微纳加工技术[M].北京：北京工业大学出版社, 2004. 5-7

[2]魏淑华,宋志,张今朝等.电子束曝光控制软件系统设计与实现[J].微细加工技术, 2007, 12(6):1-2

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