天游线路检测中心 电子束光刻系统JBX-A9的开发
SE2024-01
JEOL 新闻第 56 卷第 1 期
小泽宏
天游线路检测中心 SE 技术总部
我们开发了 JBX-A9，作为 JBX-9500FS 的后继产品，这是一种点束型电子束光刻系统。该设备是点束式电子束光刻设备，支持300毫米晶圆，继承了JBX-9500FS的基本规格，但节省了电力和空间。它也很环保，包括使用无前置冷却器。它的现场键合精度在±9 nm以内，覆盖精度在±9 nm以内，使其适用于需要特别高光束位置精度的应用，例如光子晶体器件制造。
简介
电子束光刻设备施加对电子束敏感的抗蚀剂。图。 1)，第一台电子束光刻系统JEBX-2A于1966年开发，次年，我们第一台商用电子束光刻系统JEBX-2B诞生。[2][3]此后，随着发射器（电子源）的进步、可变形状束型光刻系统的出现、加速电压的改进等更高性能以及各种校正技术的发展，多束光刻系统现已投入实际使用。 [4]其中，通过扫描窄聚焦电子束来绘制图形的点束型电子束光刻设备具有与扫描电子显微镜类似的相对简单的硬件配置，但它也可用于制造DFB（分布式反馈）激光器等光通信器件、制造光子晶体和超材料等精细周期结构、制造光波导和微透镜阵列等光学元件、制造MEMS（微机电系统）设备和纳米压印光刻。其应用领域十分广泛，包括用于NIL（NIL）设备的模具生产，以及石墨烯等二维材料、量子器件等下一代器件的研发。JBX-A9 (图。 2)，在这里介绍一下。
图。 1 JEOL点束式电子束光刻系统的历史
图。 2 JBX-A9电子束光刻系统
发展理念
JBX-A9 是一款与 300 mm 晶圆兼容的设备，继承了 JBX-9500FS 的基本规格，同时实现了功耗和空间节省。因此，作为绘图系统性能重要元素的镜筒和载物台等机械单元均基于 JBX-9500FS。另一方面，电气系统控制单元与同为点束式电子束光刻系统的JBX-8100FS共享，或者说采用其设计理念，减少了控制机架的数量，使其更加紧凑，并降低了功耗。因此，与 JBX-9500FS 相比，JBX-A9 的功耗不到一半，同时成功地将占地面积减少了约 1/3。表 1)。此外，JBX-A9采用了镜筒、绘图室、各种控制单元等被外壳覆盖的结构。这也是受到 JBX-8100FS 设计的启发，但通过覆盖整个设备，给人一种干净的印象，并且通过连接空调，可以稳定外壳内的温度。然而，与 JBX-8100FS 不同的是，操作员操作的控制面板配备了与 JBX-9500FS 类似的独立控制台，可以更改布局以适应安装房间。此外，控制主偏转器（DEF AMP）的单元有两种类型：基于JBX-9500FS中安装的单元开发的高精度偏转系统，以及与JBX-8100FS中安装的通用偏转系统，客户可以根据自己的需求和预算进行选择和配置。
表1 JBX-A9主要规格
JBX-A9的特点
顺便说一句，格式名称“A9”与 4 位数字和 2 个字母的组合有很大不同，如我们最近的点束电子束光刻系统“9500FS”和“8100FS”。在考虑 JBX-9500FS 的后继产品时，我们强烈强调对先前型号的创新，并经过公司内部反复讨论，创建了为了便于称呼，特别是对于海外用户来说，我们最终采用了简单的型号名称A9（A-9），可谓回归本源。此外，A9中的A有“准确”、“自动”、“高级”的含义，代表了该设备的特点，而9则表明它是继JBX-9300FS和JBX-9500FS之后的顶级型号。因此，从现在开始，我们将以这三个A为关键词来解释JBX-A9的特点。
准确
JBX-A9主要性能表 2电子束光刻设备性能的重要指标之一是场键合精度。视场是在工作台静止时通过偏转器偏转光束可以绘制的范围。分步重复方法（图。 3)的绘图方法中，字段之间的连接误差越小越好。此外，有时希望根据材料上已经存在的基础图案进行定位并在期望的位置绘制图案。重叠精度表示图案重叠的程度。 JBX-A9的现场键合精度和叠层精度均在±9nm以内。高精度平台和激光束控制 (LBC) 校正对于实现这种精度至关重要。装载有绘画材料的盒被传送到平台上，并且通过在XY平面上移动该平台，可以在大范围的绘画材料上进行绘画。因此，工作台的精度影响上述绘图区域的接合精度和重叠精度。因此，JBX-A9 平台采用了高精度平台，该平台具有在 JBX-9500FS 中使用的经过验证的机制。这最初是为掩模光刻设备开发的，但已应用于点束光刻设备。此外，为了在电子束光刻系统中高精度地控制电子束位置，使用激光长度测量系统测量平台位置，并通过将电子束偏转与目标位置误差相对应的距离来校正电子束照射位置。JBX-A9的测量分辨率精细至约015 nm。图。 4)。光子晶体器件是需要高精度控制光束照射位置的应用之一。光子晶体是一种接近光波长的周期性结构，通过精确控制其周期，可以限制和放大光。电子束绘制装置等微加工技术用于制造这种周期性结构，但由于图案化的精度直接关系到装置的性能，因此需要在所需位置精确地绘制图案。 JBX-9500FS 在光子晶体生产方面拥有良好的记录，并且很可能成为 JBX-A9 的主要应用之一。
表2 JBX-A9主要性能
图。 3 使用分步重复法进行绘图操作
图。 4 使用激光测长系统进行电子束照射位置修正
自动
JBX-A9 标配包埋盒输送系统，可连续自动输送最多 10 个包埋盒 (图。 5）。存储在储料器中的盒式磁带根据绘图作业的指定自动传送到工作台上，绘图完成后，从工作台中取出并再次存储在储料器中。即使当束流等写入条件不同时，电子光学系统条件也会根据写入作业规格自动设置并调整光轴，因此即使在长时间写入期间也无需操作员干预。当然，可以中途停止绘制，或者通过改变绘制顺序（称为绘制队列）来继续操作。此外，还新增或改进了与电子光学系统自动调节相关的功能，与JBX-A9标配的Python脚本配合使用时，可以随心所欲地执行一系列与绘图相关的操作。此外，通过将盒式输送系统替换为晶圆输送系统，可以在与300mm FOUP兼容的载体模式下自动连续输送最多25片晶圆，并且还可以通过与其他公司制造的涂布机显影机连接，以在线模式从抗蚀剂涂敷到写入和显影的所有过程完全自动化。
最多可安装2个盒式储料器（总共10个阶段）。
图。 5 盒式传送系统
高级
光学显微镜可作为 JBX-8100FS 上的选件安装，具有独特的功能，允许您在不使用电子束的情况下检查光刻室中光刻材料的表面，但它有一个局限性，即可观察的区域有限。因此，JBX-A9配备了两个光学显微镜，通过根据载物台位置在两个光学显微镜的图像之间无缝切换，可以观察整个绘图区域。例如，在搜索要绘制的材料或对象上的标记时，这很有用。使用SEM图像时，电子束照射到材料表面，并使抗蚀剂曝光，但使用光学显微镜图像，可以在不将抗蚀剂曝光的情况下寻找材料上的标记和要绘制的物体。我们以在散布石墨烯薄片的基板上创建电极图案的情况为例（图。 6) 石墨烯薄片的尺寸和形状各不相同，如果不实际观察，很难判断它们在基材上的位置。因此，传统的方法是在将材料放入绘图设备之前使用光学显微镜确认材料的位置，从材料上的标记识别坐标，然后使用绘图设备根据该信息绘制图案。 JBX-A9 允许您使用光学显微镜图像查看物体。此外，结合 JBX-A9 的开发，我们还为点束电子束光刻系统开发了一种新的图案数据格式 JEOL53。这是传统 JEOL52 (V30) 格式的扩展，添加了任意角度的旋转矩形和旋转梯形元素，有望改善线边缘粗糙度 (LER) 并提高光洁度的均匀性，特别是在表达圆形和曲线时。图。 7)。此外，与仅使用矩形和梯形表达曲线的传统方法相比，所需的图形数量更少，从而减少了数据量。此外，可以减少根据图形数量而发生的各种稳定时间，从而提高绘图吞吐量。该功能也适用于 JBX-8100FS 和 JBX-9500FS，但在 JBX-A9 中标配。
样品和图片由新加坡国立大学石墨烯研究中心提供。
图。 6 石墨烯电极图案制作示例
写入是在高电流和粗射击间距的条件下进行的，其中差异很明显。
图。 7 不同数据格式导致的绘制结果对比
环境考虑
近年来，人们对环境负担的认识不断增强，在开发设备时对环境的考虑变得至关重要。在电子束光刻设备中，循环冷却水以冷却发热部件并稳定设备温度，但该冷却水循环系统中用作制冷剂的氢氟碳化物（HFC）具有极高的全球变暖潜势，因此需要减少HFC并改用低GWP制冷剂。因此，JBX-A9采用了不使用碳氟化合物的珀耳帖式冷却水循环系统。这减轻了用户在处理过程中的日常检查和法律规定的负担，并且其环保产品的事实是选择设备时的主要吸引力之一。
摘要
我介绍了JBX-A9，一种点束型电子束光刻系统。该设备在继承JBX-9500FS基本性能的同时，节省了电力和空间，并且采用无前置冷水机，也更加环保。预计JBX-A9将作为点束型电子束光刻系统的巅峰之作应用于多种领域。
致谢
该设备的开发项目于2019年1月启动，但由于新型冠状病毒感染的全球传播导致工作模式发生变化，以及随后材料短缺导致的制造困难，我们被迫重新审视原来的计划。然而，我们能够克服这些困难，将新产品推向市场，离不开包括项目成员在内的所有人的努力。我想借此机会表达我最深切的谢意。
参考文献
［ 1 ］日本半导体历史博物馆。 “20世纪70年代电子束光刻系统〜设备和材料目录〜”。 2022年5月11日。［2］Sakae Miyauchi 等电子束曝光。真空=日本真空学会杂志。 12(7) 196907，第250-258页。［3］风里健二。 “好吧，让我们用电子显微镜吧！第2卷”，日本东照协会，200412。 4-8231-0789-6，第 320 - 327 页。［ 4 ］Christof Klein 和 Elmar Platzgummer，“MBMW101：世界上第一个高通量多光束掩模写入器”，过程。国际光学工程学会卷9985, 998505-7 (2016).
