alias: X射线光刻

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X射线曝光系统

在X射线曝光中，对X射线源的要求主要有：

  • 辐射功率高，使X射线曝光时间小于60秒；
  • X射线源的尺寸d直接影响半阴影和几何畸变，为了满足高分辨率的需要，要求X射线源的尺寸小于1mm：
  • X射线的能量要求在1-10keV，使X射线对掩模版中的透光区有较好的透过率，从而满足掩模反差大的要求；
  • 使用平行光源，X射线难以聚集，光源发射X射线的形式决定了X射线到达硅片的形式。

同步辐射X射线光源近乎平行发射，因此目前被广泛关注。

X射线源：电子轰击金属靶形成的X射线光源和等离子体源，基本是点光源，当高能电子撞击靶时将损失能量，激发原子核内层电子的跃迁，当这些激发电子落回到基态时，将发射X射线。这些X射线形成分立的线谱，其能量取决于靶材料。

X射线源必须在真空下工作，因此X射线必须透过窗口进入到常压气氛中进行曝光。窗口材料对X射线吸收要尽量少，铍是常用的窗口材料。

X射线的波长一般选在2-40Å，即软X射线区。

X射线曝光的掩模版

X射线光刻要在掩模版上形成可透X射线区和不透X射线区，从而形成曝光图形。

波长在2-40Å之间时，低原子序数的轻元素材料(如氮化硅、氮化硼、铍等)对X射线吸收较弱，而高原子序数的重元素材料(如金)对 X射线的吸收很强，所以可通过适当的选择制成掩模版。这是X射线曝光时，波段选择在2-40Å的一个重要原因。

![[A=PH=X射线曝光 image 1.png]]

在X射线掩模版的基本结构中，用于薄膜衬底的材料主要有硅、氮化硅、碳化硅、金刚石等，而吸收体材料除广泛使用的金之外，还有钨、钽、钨-钛等。

通常采用LPCVD方法沉积低原子序数的轻元素材料膜(如氮化硅)来形成透光的薄膜衬底。吸收体层则采用常规的蒸发、射频溅射或电镀等方法形成。

X射线吸收体图形的加工，一般由电子束扫描光刻和干法刻蚀、精细电镀等图形转移技术来实现。

X射线光刻胶

由于X射线具有很强的穿透能力，深紫外曝光用的光刻胶对X射线光子的吸收率很低，只有少数入射的X射线能对光化学反应做贡献，因此深紫外光刻胶在X射线波段的灵敏度非常低。

提高X射线光刻胶灵敏度的主要方法是，在光刻胶合成时添加在特定波长范围内具有高吸收峰的元素，从而增强光化学反应，提高光刻胶的灵敏度。

图形畸变

在X射线曝光系统中，X射线的波长小于40Å，故衍射对分辨率的影响只有当线宽小于20Å时才明显。因此当图形尺寸大于20Å，而小于1μm 时，引起图形畸变和影响分辨率的主要原因不是衍射，而是半阴影和几何畸变。

图形畸变的原因：电子束轰击金属靶所产生的X射线，没有简单的反射镜和透射镜能够使它变成平行光，实际是发散型的点光源。

![[A=PH=X射线曝光 image 2.png]]

从图中可以看出半阴影Δ为

![[A=PH=X射线曝光 image 2.png]]

其中S是掩模版与样品的距离，d是靶斑尺寸，D是光源到掩模版的距离。D越大则单位面积上接收到的X射线剂量变小，曝光时间加长； d小对Δ有利，但靶斑尺寸减小是非常困难的。

在实际应用中通常是采用折衷的方法，以得到最佳的Δ。

几何畸变

  1. 当样品上曝光位置偏离X射线束的轴心时，入射X射线与硅片表面法线有一倾角，不同位置倾角不同，因此产生了几何偏差x：

![[tmp_A=PH=X射线曝光 image 3.png]]

其中W是硅片曝光位置偏离X射线束轴心的距离，若在硅片的边上，即W等于硅片的半径Wr，相应的偏差是最大几何偏差xm：

![[A=PH=X射线曝光 image 4.png]]

  1. 样品与掩模版的间隙S也会引入几何偏差，样品表面不是绝对平面，存在加工偏差引起的随机起伏和多次光刻引起的有规则的图形起伏，这些因素引起的几何偏差dx为 ：

![[A=PH=X射线曝光 image 5.png]]

其中dS为硅片起伏不平引起的S的变化量。

如果要求dx最大变化量dxm≤0.1μm，则可以允许的dS的相应变化dSm≤1.05μm 。在4英寸的硅片平面上起伏变化量≤1μm是非常高的技术要求。