文章來源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

本文介紹了掃描電鏡在微納加工中應(yīng)用的研究回顧。

本文是A. N. BROERS關(guān)于掃描電鏡在微納加工中應(yīng)用的研究回顧，重點(diǎn)記錄了他從1960年代開始參與電子束加工技術(shù)開發(fā)的歷程。文章詳細(xì)記錄了EBL技術(shù)從概念萌芽到工業(yè)應(yīng)用的完整發(fā)展歷程，為理解現(xiàn)代電子束光刻技術(shù)的原理、局限性和發(fā)展方向提供了寶貴的歷史視角和技術(shù)洞察。

我于1960年從澳大利亞來到劍橋，希望跟著馬丁·賴爾研究射電天文學(xué)。初抵劍橋，馬丁·賴爾熱情地接待了我，但他坦言其團(tuán)隊(duì)剛剛完成新射電望遠(yuǎn)鏡的建造，未來幾年的工作重心將轉(zhuǎn)向理論研究。

聽從他的建議，我轉(zhuǎn)而在工程系尋找機(jī)會(huì)，卻被告知需要先完成二等學(xué)位課程。當(dāng)時(shí)的劍橋?qū)τ谂＝蛞酝庠盒W(xué)位的認(rèn)可度仍然有限?；赝@段重返本科求學(xué)的時(shí)光，我深感獲益良多——這一年不僅讓我能夠?qū)Ｐ膶W(xué)業(yè)，更讓我盡情享受了唱歌、帆船、滑雪和網(wǎng)球等豐富多彩的課外生活。

1961年，我順利完成二等學(xué)位課程，開始師從查爾斯·奧特利（Charles Oatley），研究對(duì)象從望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向了電子顯微鏡。我的任務(wù)是接手由加里·斯圖爾特設(shè)計(jì)并已投入運(yùn)行的SEM系統(tǒng)。第一年行將結(jié)束時(shí)，由于奧特利教授事務(wù)繁重，比爾·尼克松接任我的導(dǎo)師。

這正值SEM發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。加里·斯圖爾特（Garry Stewart）已轉(zhuǎn)入劍橋儀器公司(CIC)，正主導(dǎo)首臺(tái)商業(yè)化儀器的研制工作。按照他的指導(dǎo)，我的首要任務(wù)是利用他的SEM拍攝立體圖像，以滿足他在研究離子刻蝕表面形貌時(shí)對(duì)觀測特征高度信息的需求。

毫不意外地，劍橋儀器公司開發(fā)的這款儀器被命名為Stereoscan，因?yàn)榧永镎窃擁?xiàng)目的首席工程師。憑借工程系深厚的專業(yè)積淀，Stereoscan理所當(dāng)然地成為了一款卓越的儀器，并在商業(yè)上取得了巨大成功。我深感榮幸能夠參與這一歷程，因?yàn)橛糜谕茝V首批儀器的部分圖像，正是我在Scroope House的SEM上親手獲得的。

1在劍橋：電子束加工研究

我于1962年開始涉足SEM電子束加工領(lǐng)域的研究工作。第一項(xiàng)工作的靈感源于我在評(píng)估離子轟擊表面精細(xì)結(jié)構(gòu)異?，F(xiàn)象時(shí)的深入思考。通過這一創(chuàng)新工藝，我得以制造出比傳統(tǒng)方法更為精細(xì)的基礎(chǔ)金屬結(jié)構(gòu)，由此開啟了將新興集成電子器件微型化程度推向光刻技術(shù)極限之外的無限可能。

盡管直到20世紀(jì)70年代末我們才開始廣泛使用"納米"這一前綴，但這些結(jié)構(gòu)完全當(dāng)?shù)闷鸺{米結(jié)構(gòu)的稱謂。1965年博士畢業(yè)后，我在紐約IBM研究實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)深化這項(xiàng)研究，最終成功制造出尺寸僅為幾納米的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。彼時(shí)，電子束系統(tǒng)已在半導(dǎo)體工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，不僅用于制作光學(xué)相機(jī)掩模，更為未來幾代設(shè)備的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

SEM在原位研究方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因?yàn)闃悠繁恢糜阽R筒的末端，操作極為便利。這與TEM形成鮮明對(duì)比——后者將樣品放置在物鏡極靴之間，幾乎無法進(jìn)行直接操作。查爾斯·奧特利在SEM發(fā)展的早期階段就敏銳地洞察到這一優(yōu)勢，并提出了無需取出樣品即可用SEM檢查離子轟擊表面的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。

這套實(shí)驗(yàn)裝置由加里·斯圖爾特于1959年精心組裝并投入使用，主要包括一臺(tái)SEM和一套將離子束精確聚焦到樣品上的系統(tǒng)。初代SEM配備三個(gè)靜電透鏡，束斑直徑約為30納米。離子束由射頻激發(fā)的離子源產(chǎn)生，經(jīng)兩個(gè)靜電透鏡聚焦后照射樣品。束流位置可通過一組靜電偏轉(zhuǎn)板精確調(diào)節(jié)，在樣品處的照射直徑約為1毫米，電流密度達(dá)到幾毫安每平方厘米。實(shí)驗(yàn)通常采用5千電子伏能量的氬離子，這一選擇基于物理濺射研究的需要，有意避免引入化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜變量。

加里·斯圖爾特利用這套設(shè)備開展了大量開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，其中最具影響力的工作是對(duì)離子刻蝕表面錐體形成機(jī)制的深入闡釋。我于1961年接手這套設(shè)備時(shí)，幸運(yùn)的是加里仍留在劍橋，能夠悉心指導(dǎo)我掌握這四個(gè)高達(dá)6英尺的電子設(shè)備機(jī)架、復(fù)雜精密的控制臺(tái)，以及SEM的電子鏡筒及其配套的離子探針系統(tǒng)。

圖1. SEM-離子探針系統(tǒng)，用于探索離子蝕刻樣品的表面并進(jìn)行首次電子束微加工實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)改進(jìn)與技術(shù)突破

使用該系統(tǒng)數(shù)月后，我決定實(shí)施一系列關(guān)鍵性技術(shù)改進(jìn)。首先是將SEM的靜電透鏡全面替換為磁透鏡，以充分利用磁透鏡在降低像差方面的顯著優(yōu)勢。其次是重新設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)并安裝功率更大的新泵組，旨在大幅縮短抽氣時(shí)間并顯著改善樣品室的真空水平。第三是在離子束路徑中集成質(zhì)量過濾器，以有效去除束流中的雜質(zhì)成分。

正如肯·史密斯在SEM改裝過程中的經(jīng)歷所示，這項(xiàng)改裝計(jì)劃的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超最初預(yù)期，歷時(shí)一年有余方告完成。

磁透鏡的設(shè)計(jì)在很大程度上借鑒了肯·史密斯和法比安·皮斯的先期研究成果，盡管考慮到安裝空間的限制，這個(gè)透鏡必須比他們的設(shè)計(jì)更加緊湊精巧，以便恰好安裝在原靜電透鏡的位置。這一設(shè)計(jì)最終被證明是極其成功的——新透鏡將束斑直徑從約30納米顯著縮小至10納米，幾乎達(dá)到了肯·史密斯理論公式預(yù)測的理想值。此外，這個(gè)磁透鏡相比其靜電前身在維護(hù)方面也更加便利。

磁過濾器的核心作用是從離子束中有效去除氧離子。這些氧離子會(huì)導(dǎo)致金屬表面在蝕刻過程中出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這主要源于氧化物的非均勻形成，進(jìn)而掩蓋了物理濺射過程產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。這一問題在鋁材料加工中表現(xiàn)得尤為突出，通過安裝過濾器得到了根本性解決。由于過濾器的磁路設(shè)計(jì)巧妙地包圍了磁極，因此不會(huì)產(chǎn)生雜散磁場來干擾SEM中電子束的精確準(zhǔn)直。

全新的真空系統(tǒng)將樣品更換的周期時(shí)間從40分鐘大幅縮減至不足10分鐘，同時(shí)將腔室內(nèi)壓力降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)到了低于10-6毫米汞柱（10-4Pa）的優(yōu)異水平，這不僅顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率，更大幅提升了研究質(zhì)量。

離子蝕刻表面研究與意外發(fā)現(xiàn)

我利用這套經(jīng)過全面改進(jìn)的裝置深入探索了各種單晶金屬表面在離子蝕刻過程中的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。通過系統(tǒng)追蹤表面在一系列連續(xù)蝕刻步驟中的漸進(jìn)變化，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顛覆既往認(rèn)知的重要現(xiàn)象：在蝕刻單晶上觀察到的平行脊間距并非某個(gè)特征距離的固定倍數(shù)，而是隨著蝕刻過程的持續(xù)呈現(xiàn)出逐漸增大的動(dòng)態(tài)變化。我進(jìn)一步觀察到，蝕刻速率最低的表面會(huì)在持續(xù)蝕刻過程中自然顯現(xiàn)并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2.鋁樣品在離子蝕刻的連續(xù)階段。

在這些實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，我開始留意到一個(gè)引人深思的現(xiàn)象：SEM的電子束似乎在"污染"樣品表面，并顯著降低了被檢測區(qū)域的蝕刻速率。有時(shí)可以清晰觀察到與線掃描方向完全一致的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，這些脊從對(duì)應(yīng)掃描起始位置的區(qū)域向外延伸。這一現(xiàn)象的成因在于束流會(huì)在該位置短暫停留以從"回掃"狀態(tài)中恢復(fù)，而脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的形成則源于樣品在此處積累了相對(duì)較厚的污染物層，從而有效屏蔽了表面免受離子轟擊的影響。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我設(shè)計(jì)并實(shí)施了一個(gè)簡潔而關(guān)鍵的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：讓電子束在一系列單線軌跡上掃描數(shù)秒鐘，以建立相對(duì)較厚的污染保護(hù)層，隨后對(duì)樣品進(jìn)行約50納米深度的精確蝕刻，最后重新進(jìn)行檢查觀察。正如理論預(yù)期，污染物確實(shí)選擇性地保護(hù)了表面，在束流掃描軌跡上形成了輪廓清晰的脊?fàn)畋Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)。

從意外發(fā)現(xiàn)到微加工技術(shù)突破

這些脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)展現(xiàn)出的卓越清晰度讓我敏銳地意識(shí)到，這種技術(shù)在微加工領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。我在Les Peters精心制備的樣品上重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)——該樣品表面沉積了一層超薄金膜。在施加特定的污染圖案并完成蝕刻工藝后，當(dāng)我重新啟動(dòng)SEM進(jìn)行觀察時(shí)，眼前的景象無疑構(gòu)成了我整個(gè)研究生涯中最為激動(dòng)人心的時(shí)刻之一：明亮的70納米寬、250納米厚的金屬導(dǎo)線與較暗的硅襯底表面形成了鮮明而完美的對(duì)比。

圖3. (a)寫在金膜頂部的污染圖案。(b)通過蝕刻未受保護(hù)的金膜形成的金線。

這一刻標(biāo)志著從偶然發(fā)現(xiàn)向精密微加工技術(shù)的歷史性轉(zhuǎn)變，開啟了納米級(jí)結(jié)構(gòu)制造的全新篇章。

污染工藝雖然能夠產(chǎn)生極高分辨率的精密結(jié)構(gòu)，但其寫入速率相對(duì)緩慢，因?yàn)樾枰s1庫侖每平方厘米的電荷密度方能為金層提供充分保護(hù)。Bill Nixon敏銳地指出光刻膠應(yīng)當(dāng)具備更高的靈敏度，他憑借在業(yè)界的廣泛人脈幫助我獲得了當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)光刻膠——KPR（柯達(dá)光刻膠）。

在精心設(shè)計(jì)并構(gòu)建旋涂系統(tǒng)，深入學(xué)習(xí)光刻膠烘焙和顯影的工藝知識(shí)后，我使用KPR成功重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)，制作出了0.25-0.5微米的精細(xì)線條結(jié)構(gòu)。光刻膠僅需約10-4庫侖每平方厘米的極低劑量，這使其在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)更具實(shí)用價(jià)值，盡管分辨率不及污染或蒸汽抗蝕劑工藝。這一重大發(fā)現(xiàn)為微加工乃至后來的納米加工領(lǐng)域開辟了嶄新的技術(shù)路徑。

圖4.使用KPR負(fù)性光刻膠和離子刻蝕制備的金線。

這些開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)首次證明了制造亞微米級(jí)有用結(jié)構(gòu)的可行性，并表明電子束技術(shù)有望顯著突破60年代初集成電路組件的尺寸極限。當(dāng)時(shí)的普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，器件尺寸將受限于光刻方法約1微米的分辨率瓶頸，而光刻被視為唯一可行的量產(chǎn)技術(shù)路線。

事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)1微米尺寸幾乎用了20年時(shí)間（如圖5所示），這是因?yàn)橹T多其他關(guān)鍵技術(shù)也必須同步改進(jìn)，包括器件設(shè)計(jì)、材料沉積技術(shù)（外延薄膜、氧化物、硅化物等）以及將抗蝕劑圖案精確轉(zhuǎn)移至實(shí)際結(jié)構(gòu)的各種工藝（離子注入、干法蝕刻、金屬化等）。

在劍橋完成這項(xiàng)工作后，IBM迅速采用電子束方法成功制造出單個(gè)1微米晶體管（Thornley和Hatzakis，1967年），這表明晶體管尺寸可以縮小至早期微電路器件尺寸的十分之一以下。大約在同一時(shí)期，Gordon Moore提出了著名的摩爾定律，準(zhǔn)確預(yù)測了這一技術(shù)進(jìn)步的實(shí)現(xiàn)速度。

圖5. IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議（1982-2003年）報(bào)道的器件最小尺寸。

與今天的情況一樣，電子束方法的高成本和相對(duì)較低的處理速度阻礙了其在大規(guī)模制造中的廣泛應(yīng)用。然而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這些方法在驗(yàn)證新設(shè)計(jì)可行性方面展現(xiàn)出巨大價(jià)值，并且很快在掩模制作領(lǐng)域找到了用武之地。使用光學(xué)投影系統(tǒng)時(shí)，無需像掃描電子束那樣每次都重新生成器件圖案——它可以在幾分之一秒內(nèi)完成復(fù)制。

盡管進(jìn)行了大量的研究開發(fā)投入，特別是在IBM的持續(xù)努力下，電子束在晶圓直接曝光應(yīng)用中的低產(chǎn)能和高成本問題始終未能根本解決。光學(xué)方法始終保持著更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在已可擴(kuò)展至0.1微米的精度水平。

電子束技術(shù)展現(xiàn)成本優(yōu)勢的唯一應(yīng)用場景，是那些快速交付周期的經(jīng)濟(jì)效益能夠抵消高曝光成本的特殊情況。最重要的應(yīng)用是光學(xué)投影掩模的制造，此外在某些邏輯電路設(shè)計(jì)中，快速周轉(zhuǎn)的重要性也證明了直接電子束曝光的合理性。對(duì)于科學(xué)探索中制造小于0.1微米結(jié)構(gòu)的需求，電子束技術(shù)具有不可替代的獨(dú)特價(jià)值。

2IBM：電子束加工研究的延續(xù)

電子束抗蝕劑的極限分辨率

我在IBM的個(gè)人研究重點(diǎn)聚焦于確立電子束制造工藝的技術(shù)極限，并驗(yàn)證這些工藝在制造實(shí)用器件方面的可行性。在成功開發(fā)六硼化鑭陰極（Broers, 1967）之后，我構(gòu)建了一臺(tái)具有3納米束斑尺寸的全新SEM，并繼續(xù)深入研究Haller等人（1968）開發(fā)的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）抗蝕劑。

在此期間，我成功制造了多種創(chuàng)新器件，包括具有0.15微米寬金屬指狀電極的3.5-GHz聲表面波傳感器（圖6；Lean和Broers, 1970），以及尺寸僅為60納米的超導(dǎo)微橋。在此之前，所有器件都是在塊狀基底上制造的。1972年，我與Tom Sedgwick合作，開發(fā)了一種革命性的薄基底技術(shù)，從而有效消除了背散射電子的有害影響。

圖6.使用PMMA光刻膠和剝離工藝制備的3.5吉赫茲表面波轉(zhuǎn)換器

如圖7(a)所示，該基底采用覆蓋在硅晶片孔洞上的60納米厚Si3N4薄膜結(jié)構(gòu)（Molzen等人，1978）。硅材料通過新開發(fā)的各向異性蝕刻技術(shù)被精確去除。圖7(b)展示了實(shí)際窗口基底的光學(xué)顯微照片。這種新基底的另一個(gè)重要優(yōu)勢在于樣品可以通過透射電鏡進(jìn)行檢查，其分辨率遠(yuǎn)超SEM。圖8所示的TEM顯微照片清晰展現(xiàn)了四端子配置中的鈮納米橋，這種配置允許對(duì)納米結(jié)構(gòu)的電流-電壓特性進(jìn)行精確測定。

圖7. (a) Si3N4膜基底的示意圖，該基底允許在沒有背散射電子有害影響的情況下制造和檢查納米結(jié)構(gòu)。接觸焊盤從膜區(qū)域延伸到塊體基底，可以在那里使用標(biāo)準(zhǔn)鍵合工藝為樣品提供電氣接觸。(b)裝有超導(dǎo)量子干涉器件的實(shí)際膜基底的光學(xué)顯微照片。

圖8.四端子構(gòu)型鈮納米橋的透射電鏡照片。

在我前幾年構(gòu)建的新型0.5納米束斑尺寸掃描TEM上（Broers, 1973），我使用新基底重新開展了污染抗蝕劑和PMMA的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（1975-1977）。利用污染抗蝕劑技術(shù)成功制造出8納米寬的AuPd導(dǎo)線，而使用PMMA則實(shí)現(xiàn)了25納米線寬的精密加工。

這一成果代表了重大技術(shù)突破，我們認(rèn)為有充分理由首次將"納米"前綴正式引入光刻技術(shù)領(lǐng)域，以區(qū)別于傳統(tǒng)芯片制造中使用的常規(guī)技術(shù)。盡管這些金屬結(jié)構(gòu)比之前報(bào)告的尺寸小得多，但它們?nèi)匀贿h(yuǎn)大于0.5納米直徑的電子束本身，這表明限制分辨率的關(guān)鍵因素并非束斑尺寸，而是抗蝕劑內(nèi)部的電子束相互作用現(xiàn)象。

分辨率極限的深入研究

為了進(jìn)一步探索分辨率的理論極限，我開展了一系列精密實(shí)驗(yàn)，精確測量電子束曝光PMMA的分辨率特性，或如我所稱的"抗蝕劑對(duì)比度函數(shù)"（Broers, 1980）。圖9(a)和(b)中展示的測試圖案是這種測試曝光后抗蝕劑顯影并經(jīng)3納米AuPd層陰影處理后的TEM顯微照片。該測試圖案包含了從遠(yuǎn)小于先前觀察到的25納米最小線寬到遠(yuǎn)大于該數(shù)值的各種尺寸的線條結(jié)構(gòu)。

圖9. (a)用于確定PMMA分辨率對(duì)比函數(shù)的測試圖案。(b)使用此類測試圖案曝光的、經(jīng)顯影和陰影處理的抗蝕劑樣品的TEM照片。

曝光劑量范圍從無法產(chǎn)生任何可觀察效果的極低劑量，到在最窄線條位置使抗蝕劑完全顯影至基底的高劑量水平。我仔細(xì)測量了最寬圖形中心首次顯影到基底的臨界劑量，以及每條較窄線條首次顯影到基底的相應(yīng)劑量?；谶@些精確數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出抗蝕劑中的有效曝光分布特性。

分析結(jié)果顯示，該分布近似遵循高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)差約為10納米。由于束斑尺寸和圖案發(fā)生器的像素分辨率均小于1納米，使得分布參數(shù)可以以優(yōu)于1納米的精度精確確定。

隨后，我將這一分布數(shù)據(jù)與背散射電子從塊狀硅基底的曝光特性（射程和曝光分?jǐn)?shù)）相結(jié)合，計(jì)算出在塊狀基底上50千伏電子束曝光PMMA的對(duì)比度與線寬關(guān)系，如圖10所示。這些計(jì)算采用了Philip Chang在研究鄰近效應(yīng)時(shí)首次提出的電子束曝光雙高斯近似模型。

正如我在相關(guān)論文中所闡述的，抗蝕劑對(duì)比度函數(shù)類似于用于描述光學(xué)系統(tǒng)性能的調(diào)制傳遞函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子束光刻的精確建模預(yù)測。圖10中同時(shí)顯示了數(shù)值孔徑為0.4、工作波長為405納米的光學(xué)系統(tǒng)的MTF作為對(duì)比參考，清晰展現(xiàn)了兩種技術(shù)路線的性能差異。

圖10. 50千伏電子束曝光薄型PMMA在薄基底上和塊狀基底上的對(duì)比度與線寬關(guān)系，與在405納米波長下工作的數(shù)值孔徑為0.4的光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行比較。對(duì)比度是根據(jù)等寬線條和空間的無限陣列計(jì)算得出的（Broers, 1980）。

有用納米結(jié)構(gòu)的制造實(shí)踐

雖然許多納米結(jié)構(gòu)已通過聚合物抗蝕劑技術(shù)得以制造，但在若干特定應(yīng)用場景中，采用污染抗蝕劑配合離子刻蝕的方法被證明更為便捷有效。產(chǎn)生足夠厚度污染抗蝕劑層（>1 C/cm2）所需的高劑量遠(yuǎn)超顯微檢查期間的常規(guī)輸送劑量，這一特性使得在抗蝕劑形成前后對(duì)樣品進(jìn)行檢查而不影響其性能成為可能。這種優(yōu)勢極大地簡化了相對(duì)于接觸墊或其他器件層的精確定位工作，并能夠在抗蝕劑圖案形成后對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。此外，還可以通過觀察透射信號(hào)的衰減來實(shí)時(shí)監(jiān)測抗蝕劑的堆積過程。

運(yùn)用這一方法，我們已成功制造出多種類型的先進(jìn)器件，包括微橋結(jié)構(gòu)（Laibowitz，1979）、SQUID（超導(dǎo)量子干涉器件：Voss，1980）以及用于探索局域化效應(yīng)的超細(xì)導(dǎo)線（Chaudhari，1980）。

3重返劍橋：10納米以下工藝探索

1984年回到劍橋后，我與幾位同事共同建造了一個(gè)全新的潔凈室實(shí)驗(yàn)室，并為探索納米級(jí)器件和先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了專業(yè)化裝備。我的主要研究興趣在于尋找比蒸汽和聚合物抗蝕劑具有更高分辨率的制造方法。經(jīng)過深入調(diào)研，我發(fā)現(xiàn)幾種候選方法具備這種潛力，而且理論分析表明它們?cè)诟唠娮幽芰織l件下將展現(xiàn)出更強(qiáng)的實(shí)用性。

雖然我曾考慮自主建造一臺(tái)工作電壓遠(yuǎn)高于100千伏（這是我迄今為止使用的最高電壓）的新型儀器，但最終決定在職業(yè)生涯中首次采購商業(yè)設(shè)備。我獲得了一臺(tái)JEOL 4000EXTEM，并對(duì)其進(jìn)行了專業(yè)化改裝，使其能夠產(chǎn)生聚焦束流用于精密制造研究。

然而，獲取設(shè)備僅僅是第一步。為了充分發(fā)揮其技術(shù)潛力，我們必須克服多個(gè)方面的嚴(yán)峻技術(shù)挑戰(zhàn)。4000EX在常規(guī)透射模式下的分辨率約為0.2納米，但這一性能指標(biāo)只有在完全消除振動(dòng)和雜散電磁場干擾的理想環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)。

為有效消除外部振動(dòng)干擾，Arthur Timbs（CUED設(shè)計(jì)工程師）設(shè)計(jì)了一套創(chuàng)新的伺服控制氣懸浮隔離系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在容納3500公斤顯微鏡的2米深地坑中。這一裝置將顯微鏡對(duì)外部沖擊的敏感度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。技術(shù)改進(jìn)效果顯著——在沒有該系統(tǒng)時(shí)，可明顯觀察到電子束1至1.5納米的偏轉(zhuǎn)；而啟用氣懸浮隔離系統(tǒng)后，任何干擾都變得不可察覺。

除了物理振動(dòng)外，電磁場干擾同樣是精密納米制造面臨的嚴(yán)重障礙。為最大程度減少這類干擾，我們采用了Dennis Spicer開發(fā)的場校正線圈系統(tǒng)，有效最小化了鏡筒處的交流場影響。這些綜合性技術(shù)改進(jìn)為我們后續(xù)的納米級(jí)工藝研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電子光學(xué)系統(tǒng)的精密優(yōu)化

在透射電鏡平臺(tái)的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套高精度的束流寫入系統(tǒng)。該探針系統(tǒng)由通常用于樣品照明的聚光鏡和作為最終透鏡的物鏡上半部分組成。在束流寫入應(yīng)用中，這些透鏡經(jīng)過精確調(diào)整，使電子源在樣品處的高斯像標(biāo)稱直徑達(dá)到約0.2納米的超高精度。

雖然物鏡的極靴尺寸對(duì)于最終探測器鏡頭而言并非最優(yōu)配置（因?yàn)樵撶R頭原本為透射電鏡設(shè)計(jì)，其場的下半部分作為物鏡發(fā)揮作用），但其像差系數(shù)（Cs = 2.6毫米，Cc = 2.8毫米）仍然足夠低，能夠在350kV工作條件下，配合LaB6陰極電子槍產(chǎn)生直徑為0.5納米、電流為10-12A的高質(zhì)量束流。通過精密測量，我確定該電子槍的亮度達(dá)到2×107A/cm2，這在當(dāng)時(shí)代表了相當(dāng)先進(jìn)的性能水平。

系統(tǒng)的精確調(diào)整環(huán)節(jié)至關(guān)重要。首先，必須調(diào)整物鏡使束流精確聚焦在鏡頭的電子光學(xué)中心。完成這一關(guān)鍵步驟后，構(gòu)成投影系統(tǒng)的電子鏡筒下半部分可以進(jìn)行微調(diào)，在顯微鏡的投影屏上產(chǎn)生超高倍率的放大圖像。這種巧妙設(shè)計(jì)使得可以在極高放大倍率下（使用4000EX可達(dá)200萬倍以上）直接觀察束流，便于校正像散并驗(yàn)證圖形發(fā)生器的正常工作。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測能力極大地提高了納米級(jí)加工的精確度和可控性。

傳統(tǒng)抗蝕劑的固有分辨率限制

盡管我們的電子光學(xué)系統(tǒng)能夠生成直徑僅0.5納米的超精細(xì)電子束，但使用氣相或聚合物抗蝕劑所能實(shí)現(xiàn)的分辨率并非由電子光學(xué)約束決定。即使在束流直徑極小的條件下，在標(biāo)準(zhǔn)抗蝕劑中能夠書寫的最小特征尺寸仍維持在5-20納米范圍內(nèi)，而緊密排列線條的最小間距約為40納米。

在使用氣相抗蝕劑的情況下，最小線寬確實(shí)可以進(jìn)一步減小，但若要獲得結(jié)構(gòu)明確的圖形，最小線寬仍接近10納米。例如，我們成功制作的金環(huán)結(jié)構(gòu)便是使用污染抗蝕劑，在350千伏條件下用0.5納米直徑束流曝光后進(jìn)行離子刻蝕制作而成。

圖11.在氮化硅膜上使用污染抗蝕劑和離子刻蝕制備的AuPd環(huán)

為了更深入理解分辨率限制的根本原因，我們?cè)谛聝x器上以350千伏重新測量了PMMA的分辨率對(duì)比函數(shù)，實(shí)驗(yàn)系列與之前在IBM進(jìn)行的研究類似。這種分辨率損失的機(jī)制一直未能得到完全闡明。

我個(gè)人始終認(rèn)為這是由于束流穿過樣品時(shí)周圍形成的二次電子云造成的曝光效應(yīng)。這些二次電子由束流電子與抗蝕劑分子中電子之間的非彈性庫侖相互作用激發(fā)產(chǎn)生，它們從束流位置向抗蝕劑中擴(kuò)散約10納米的距離。

然而，分辨率損失也可能源于抗蝕劑分子的尺寸（高分子量特性）或顯影過程的內(nèi)在機(jī)制。為驗(yàn)證這一假設(shè)，我們使用不同分子量的PMMA樣品并采用各種顯影方式進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，但所有實(shí)驗(yàn)均顯示出類似的分辨率限制，這進(jìn)一步凸顯了問題的復(fù)雜性。

理論上，如果抗蝕劑曝光對(duì)低能電子不敏感，二次電子的有害影響將被有效消除。在這種理想情況下，只有束流電子才具有足夠的能量進(jìn)行有效曝光，分辨率將直接對(duì)應(yīng)于束流尺寸——也就是說，分辨率將至少提高十倍。但對(duì)于數(shù)據(jù)最為豐富的PMMA材料，曝光所需能量不到5電子伏（可被深紫外光直接曝光），因此這一理想情況在實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)。

突破性高分辨率技術(shù)的創(chuàng)新探索

在尋找突破傳統(tǒng)抗蝕劑分辨率限制的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了幾種對(duì)低能電子不敏感因而能夠提供更高分辨率的革命性方法。這里我將重點(diǎn)介紹兩種最具前景的技術(shù)突破。

離子晶體直接升華技術(shù)：第一種方法是離子晶體（如NaCl、MgF2）的直接升華和朗格繆爾-布洛杰特膜的精密圖形化。圖12展示了直接升華過程的典型實(shí)例，清晰顯示了1納米直徑、50千伏電子束在NaCl晶體中形成的精密孔結(jié)構(gòu)。

圖12. 0.25毫米厚NaCl晶體中"鉆制"的直徑5納米的孔。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，我們估算晶體厚度約為0.25微米。束流的會(huì)聚半角為10-2弧度，因此形成了錐形孔洞，假設(shè)束流聚焦在晶體的一個(gè)表面，錐底直徑約為5納米。這一結(jié)果明確表明該工藝的分辨率優(yōu)于5納米，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)PMMA抗蝕劑的性能水平。Isaacson和Muray（1981）的研究通過在更薄的NaCl薄膜中書寫小至1.5納米的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步證實(shí)了這一技術(shù)的巨大潛力。我們使用新的高壓系統(tǒng)進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生了一些顯著的特征，證實(shí)分辨率比PMMA提高了5-10倍。

然而，這種方法存在明顯的技術(shù)局限性。遺憾的是，我們未能找到有效方法將這些精細(xì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到對(duì)電子設(shè)備"實(shí)用"的功能材料中。這些離子材料幾乎沒有刻蝕阻擋能力，使用它們作為化學(xué)或離子刻蝕掩模的嘗試均未能取得成功。這種技術(shù)雖然在分辨率方面展現(xiàn)出巨大潛力，但在實(shí)際應(yīng)用方面仍有待突破。

電子束增強(qiáng)SiO2刻蝕技術(shù)：我們?cè)赟iO2工藝開發(fā)上取得了更大的成功。電子轟擊顯著增強(qiáng)了SiO2在緩沖氫氟酸中的刻蝕速率，增強(qiáng)因子約為3倍。與傳統(tǒng)抗蝕劑相比，這種技術(shù)需要更高的曝光劑量（約高1000倍），但最終分辨率約為PMMA的三倍。我們成功地在12.5納米中心間距上產(chǎn)生了精密線陣列，而PMMA的最小間距約為40納米（Allee和Broers，1990）。

這一工藝的歷史可追溯到20世紀(jì)60年代，但只有在我們劍橋的新系統(tǒng)中才能發(fā)現(xiàn)其超高分辨率的巨大潛力。其分辨率雖然不如直接升華工藝，但SiO2在眾多半導(dǎo)體設(shè)備中的廣泛應(yīng)用使得該方法可以直接用于實(shí)際器件制造。例如，通過對(duì)場效應(yīng)晶體管的柵極氧化物進(jìn)行精密圖形化，應(yīng)該可以制作出柵長小于10納米的超精細(xì)晶體管結(jié)構(gòu)。

我們推測這種技術(shù)能夠提供更優(yōu)分辨率的原因在于，實(shí)現(xiàn)有效曝光所需的能量閾值比PMMA更高。這使得低能二次電子的有害影響大大減少，從而顯著提高了最終的加工分辨率。這一發(fā)現(xiàn)為未來的微納米器件制造開辟了新的技術(shù)路徑。

4結(jié)語

電子束用于制造電子設(shè)備和掩模的巨大潛力源于Charles Oatley發(fā)起的SEM開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。Oatley敏銳地認(rèn)識(shí)到了該儀器對(duì)原位表面研究的強(qiáng)大功能，正是在高分辨率觀察表面過程中首次觀察到了束流對(duì)表面的微妙影響。當(dāng)時(shí)我們幾乎無法預(yù)見這一發(fā)現(xiàn)在芯片技術(shù)發(fā)展中將發(fā)揮多么重要的作用。但這再次有力證明了Oatley的深刻洞察，即涉及構(gòu)建和使用SEM的項(xiàng)目對(duì)電氣工程博士生而言是理想的研究課題。