4700S电子束曝光机图形曝光模式及其应用

董 磊

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

4700S电子束曝光机图形曝光模式及其应用

董 磊

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

通过对MEBES 4700S电子束曝光机不同图形曝光模式特性的比较和分析，得到其在160MHz和320MHz曝光像素频率和不同设计栅格尺寸下的适用范围，以利用MEBES 4700S生产具有期望精度值图形的掩模版，达到最佳的制版效果。

MEBES 4700S；电子束曝光机；图形曝光模式

1 引 言

MEBES 4700S是一套由美国ETEC公司生产的，具有热场致发射（TFE）镜筒和320MHz曝光像素频率的高精度、高分辨率和高产量的电子束曝光系统。它可以用于微电子领域的掩模版制造和硅片直写。

由于MEBES 4700S具有多种不同的图形曝光模式，在利用其制作掩模版的时候，需要根据每一种图形曝光模式的特点灵活选用其中的一种或几种组合来达到最佳的制版效果。通过对不同图形曝光模式特性的比较和分析得到了其在不同设计栅格尺寸和曝光像素频率下的适用范围，在实际生产中，以此作为指导可以更好地发挥每种图形曝光模式的优势，生产具有期望精度值图形的掩模版。

2 MEBES4700S系统概述

2.1 高精度

MEBES 4700S具有的动态校正技术可以补偿工作台位置、写扫描线性度、光栅畸变和衬底平整度等几个主要系统误差源的误差。提高精度的动态校正模块包括：

·自动写扫描校正——通过使用电荷放大技术，优化了扫描带的拼接

·动态栅格匹配——提高了版对栅格的对准和成套版间的套准精度

·高度检测和校正——减小了X方向和Y方向扫描带拼接误差

·线性度校正——提高了图形定位精度

·光栅校正——减小了系统定位误差

·自动版架装载系统——提高了装版精度，减少版的沾污

·热场致发射高温计控制——增强了曝光剂量的稳定性和线宽的均匀性

2.2 高产量

MEBES 4700S通过使用以下几方面技术来实现高产量：

·超快速高吞吐量图形存储器数据通路——直接接收来自图形文件管理系统的数据，节省了图形填充时间

·草写模式——减少了工作台移动

·可选的多级灰度写策略——实现了扫描质量、曝光剂量和生产能力的同步提高

·TFE镜筒——能产生高剂量等级的束斑，可对0.4～2.5μC／cm2感度的光致抗蚀剂曝光

2.3 高分辨率

MEBES 4700S可以满足最小图形特征尺寸350nm的1∶1掩模版制版要求。

·TFE镜筒——可在80～400nm圆形高斯束斑直径上提供很高的电流密度

·25nm最小写地址——可实现精确的图形边缘定位精度

·GHOST临近效应补偿技术——可实现350nm最小图形特征尺寸

3 图形曝光模式

对于MEBES 4700S来说，标准的图形曝光模式包括：2倍多相位打印（2×MPP）、单次打印（SPP）、虚拟地址（VA）、偏移扫描表决（OSV）、邻近效应补偿（OPC）和相移掩模对准（PSM）等几种曝光模式。另外，还有作为可选项的多级灰度（MPG）曝光模式。

3.1 2×MPP曝光模式

2×MPP曝光模式的曝光剂量和曝光质量可以和MPG曝光模式相媲美，但曝光速度和SPP曝光模式相同。对于大于40nm小于80nm范围内的设计栅格尺寸推荐使用2×MPP曝光模式。如果没有MPG选项，对于小于40nm范围内的设计栅格也推荐使用2×MPP曝光模式。

2×MPP曝光模式对同一个图形数据进行四次曝光，其写地址尺寸是设计栅格尺寸的两倍，即每一个曝光像素对应四个数据像素。

3.2 SPP曝光模式

SPP曝光模式是MEBES的一种传统曝光模式，适用于曝光设计栅格尺寸大于等于80nm范围内的掩模版，如图1所示，其一个曝光像素对应一个数据像素。

3.3 虚拟地址

虚拟地址修改了图形数据的处理。如图2所示，一个曝光像素对应四个数据像素。对位于图形边缘的曝光像素每隔一个曝光像素曝光一次，即只曝光位于奇数写地址的边缘曝光像素，通过这种方式来保持图形边缘的定位精度。

图1 SPP曝光模式

图2 虚拟地址曝光模式

3.4 偏移扫描表决

偏移扫描表决多次曝光同一个图形，每次曝光都比前一次曝光偏移一个平均误差。用户可以确定曝光次数，一般为两次或四次。在没有其它曝光模式确定曝光像素和数据像素比例的情况下，偏移扫描表决的一个曝光像素对应一个数据像素。使用曝光次数为四次的偏移扫描枚举时，图形被曝光四次，每次写扫描边缘上移扫描高度的四分之一。由于在MPP曝光模式中图形也被曝光四次，所以它通常跟偏移扫描表决结合使用，如图3所示，这样不会对生产能力造成额外损失。OSV可以提高精度和标称分辨率，但生产能力因此下降。它适和应用于那些需要通过多次曝光来实现某一具体曝光剂量的场合。

图3 偏移扫描表决曝光模式

3.5 临近效应补偿

临近效应补偿可以使用户能够制作更细线宽的掩模版。MEBES使用GHOST技术来实现对亚半微米图形线宽控制的均匀性。如图4所示，整个工艺过程需要对图形进行两次曝光。第一次曝光，或者说主曝光，是对图形的正常曝光；第二次曝光，或者说GHOST曝光，和第一次曝光相比，曝光束斑比主曝光束斑大，同时图形的数据区黑白相反，即原来图形曝光的部分，这次不曝光，原来图形不曝光的部分，这次曝光。GHOST技术所提供的背景曝光使临近图形之间的背散射剂量得以平衡。

图4 GHOST邻近效应补偿

3.6 相移掩模对准

相移掩模对准可用于对一个已经经过整个制版工艺处理并重新涂上光致抗蚀剂的掩模版进行二次曝光时的对准。要对准相移掩模，在第一次图形曝光开始前，掩模版上的图形必须包含一组对准标记，用于二次曝光对准。

3.7 MPG曝光模式

作为可选项，MPG曝光模式是MEBES 4700S最先进的图形曝光模式，它对于新型高对比度的光致抗蚀剂具有传统SPP曝光模式四倍的曝光剂量，它通过多次曝光和偏移扫描曝光，减少了系统误差和随机误差，显著提高了曝光质量。其对版的曝光速度是SPP或者2×MPP曝光模式的四倍，如图5所示。MPG曝光模式适用于设计栅格尺寸小于等于40nm的掩模版。对于设计栅格尺寸大于40nm的掩模版，由于最大电流、聚焦束斑大小等系统限制，会影响灰度等级的表现能力，所以不推荐使用。

通过使用灰度等级来提高印刷、视频显示和激光掩模图形发生器等领域图形产生的质量，基本光栅技术的应用得到增强。MPG曝光模式把这种增强的光栅灰度等级技术引进到了MEBES平台。

图5 MPG曝光模式

3.7.1 MPG曝光模式的图形边缘灰度等级

MPG曝光模式通过对衬底进行四次偏移曝光来产生灰度等级。由于每一次曝光都会贡献总的可获得曝光剂量的25%，因此四次曝光会产生四种灰度等级，即25%、50%、75%和100%，如图6所示。

使用MPG曝光模式曝光的图形其图形边缘位置是曝光栅格尺寸和传导到数据像素上的曝光剂量的函数。通过调节传导到离散灰度等级上的数据像素的曝光剂量，MPG曝光模式可以使图形边缘的位置按照灰度等级等分的曝光栅格距离移动。

图6 MPG曝光模式图形边缘灰度等级示意图

3.7.2 MPG曝光模式的生产能力

MPG曝光模式使用的曝光栅格尺寸是设计栅格尺寸的4倍，理论上每次曝光速度是SPP的16倍，由于MPG需要通过4次曝光产生4个灰度等级，所以其生产能力是SPP曝光模式的4倍。

4 不同图形曝光模式的分析和比较

MEBES 4700S工作在320MHz数据通路时可以有两种曝光像素频率即320MHz和160MHz。频率越快，其对应的最大设计栅格尺寸越小。工作在160MHz曝光像素频率时其对应的设计栅格尺寸的最大值不能超过275nm，工作在320MHz曝光像素频率时的设计栅格尺寸的最大值为160MHz时的一半即137.5nm。在320MHz数据通路下，MEBES 4700S不能生产设计栅格尺寸大于275nm的掩模版。

通过以上对MEBES各种曝光模式的研究和分析，根据它们自身的特点，结合其在不同曝光像素频率和不同设计栅格尺寸的适用范围，可以得到以下结论，如表1所示。

表1 MEBES 4700S图形曝光模式适用范围

5 结束语

表1对采用MEBES 4700S制作掩模版具有指导意义。在实际应用中，应该根据设计栅格尺寸的大小选择合适的曝光像素频率和曝光模式，生产具有期望精度值图形的掩模版，以达到最佳的制版效果。

［1］Etec systems，Inc.MEBES 4500 Technical Description［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，1999.

［2］Etec Systems，Inc.MEBES 4500／S Product Introduction［M］.26460 Corporate Avenue，Hayward，CA 94545，USA，2000.

Pattern Exposure Modes and Application of MEBES 4700S Exposure Device

DONG Lei
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Through the comparison and analysis for the features of pattern exposuremodes of MEBES 4700S exposure device，the applicable range is obtained under 160MHz and 320MHz pixel-incrementing rates and different design grids consideration，in order to gain desirable pattern precision and the best effect ofmaking photomask bymeans of MEBES 4700S.

MEBES 4700S；Electron Beam Exposure System；Pattern Exposure Modes

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.003

TN305.6

：A

：1002-2279（2014）05-0008-03

董磊（1981-），男（蒙古族），辽宁朝阳人，工程师，主研方向：掩模加工制造。

2014-01-06