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技术

提升电子束光刻产能的关键挑战是在晶圆上获得足够高的电流,同时避免库仑力相互作用或电子排斥等使图形变模糊的不利效应。 Mapper的解决方案是采用数千个低功率的并行子束流,并使用电子光学系统阵列来引导这些子束流,形成49组电子束,轰击在晶圆表面。电子光学系统包括一个透射式的开关,这个开关可以独立地控制每一个子束,使之切断。经调制后,电子微透镜把电子束聚焦成一个直径为25nm的高斯束。晶圆被放置在聚焦平面上,电子束在晶圆表面扫描。

FLX是Mapper的第三代平台。第一级模块有65000个子束流,与上一代的110个子束流相比这是一个巨大的飞跃,这个子束流的数目还可以进一步提高。FLX的设计着眼未来:支持分辨率、套刻误差、产能和衬底类型的可扩展方案。阵列设计可扩展到650000个子束流。设备占用空间小,保留有足够的维修和服务空间。每小时40片或更高的产能在不远的将来就能实现。

工作原理

电子光学系统由三个模块组成。使用5 kV加速电压的电子束发生器可以产生一个较宽的电子束,直径大约为3厘米。单一的电子源能保证其均匀性。消隐模块将这一电子束分为65000个子束流。每一子束流都通过一对MEMS偏转器。偏转器阵列由标准的CMOS技术和后处理过程制备。后处理过程采用了Mapper先进的工艺能力和专有技术。偏转器电压由高频率的信号控制,这些信号通过数百个光纤输入到系统中,所有的光纤都连接到同一个控制芯片上。通过消隐模块后,电子进入最终的投影光学模块。投影光学模块的核心是一个带有数千个静电透镜的微透镜阵列。未偏转的子束流穿过微透镜的中心,而偏转的子束流在阵列上停留,并不能到达晶圆。偏转器使电子束在2μm的范围扫描,覆盖整个区域。微透镜把每束电子变成了一个25nm的高斯点,聚焦在晶圆上,晶圆表面距离电子光学系统只有几十微米。晶圆上涂有标准的深紫外光所用的化学放大胶。典型的曝光剂量为20到30μC / cm2,远低于需要高能量的系统。

晶圆在电子光学系统下扫描的同时,电子束各自完成自身在集成电路图形的部分。由于图形来源于一个大容量的计算机内存,它可以重复几次,从晶圆的一侧扫描到其他地方。在每次曝光扫描之前,测量对准标记以校准晶圆相对于电子束的准确位置。为了保证兼容性,晶圆标记的测量系统使用光学读出。晶圆表面高度的测量是在曝光扫描之间进行。

当晶圆被移动到电子束之下时,子束流在垂直于扫描的方向上以极高的频率偏转,偏转范围略大于2µm。通过这样的方式,由49个子束流组成的射束组能够覆盖2μm宽、300mm长的带状区。带状区之间的重叠部分使得相邻带状区的图形能够无缝对接。

性能

FLX成像能力旨在满足28纳米逻辑技术节点的要求。由于没有低k1的衍射极限,FLX在实现高分辨率上比光学方法更为灵活,且具有实现任意二维图形的能力。这意味着没有设计规则来限制每一层中图形的周期、方向和尺寸。 例如,接触孔和垂直通孔层中图形的间距可以与金属层中的线条间距一样,而且45˚倾斜布线的制备难度与一维版图相当。

经与CEA-LETI密切合作,Mapper研发了一种与目前光学曝光设备所使用材料相同的工艺流程,其中光刻胶是典型的化学放大DUV型光刻胶。通过合作已经形成了一整套专有技术,随时可以被使用。数据准备、邻近效应校正、设备监控、量测,蚀刻转移流程和匹配策略均已完成了开发、标准化和微调。

5 keV能量的可扩展性

虽然第一代FLX系统是以40/45nm和28nm技术节点为目标设计制造的,但是无论是对分辨率还是产能而言,其5 keV的能量都具有很好的可扩展性。通过将束斑尺寸从25nm减小到更小的值可以提高分辨率,这在Mapper的机台上已经得到了验证。

然而,减小束斑尺寸会导致曝光总电流的下降,从而降低产能。因此,必须通过增加子束数量才可以保持产能不变。FLX系统的设计可以保证能进一步提高子束流密度和电子枪填充程度。大于100mA电流的电子源能够满足目前的技术要求。

因此,提高FLX产能的办法很简单:首先是把子束流数增加十倍,达到650,000个可单独控制的子束流。然后,把几个曝光单元集成并连接到一个生产线上,并行工作以形成每小时超过40个晶圆的产能。FLX系统的设计就是按这一思路进行的。