本發(fā)明屬于微納加工，具體涉及一種基于懸空納米膠片的電子束斑強度分布表征方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人類對于在算力、傳感、通信等智能應(yīng)用場景中的需求越來越高，與之對應(yīng)的硬件技術(shù)如集成電路制造工藝、微機電系統(tǒng)制造工藝等都在商業(yè)發(fā)展和應(yīng)用需求的驅(qū)動下快速進步。在以上制造技術(shù)中，無論是先進技術(shù)節(jié)點的集成電路制造工藝還是對小型化需求越來越高的微機電系統(tǒng)制造工藝對關(guān)鍵尺寸的要求都越來越高，納米尺度的圖形化工藝是目前微電子工業(yè)關(guān)注的焦點。目前，主流的納米尺度圖形生成主要依賴極紫外光刻機(euv)和電子束光刻機(ebl)。由于具有能量的電子德布羅意波長極短，電子束光刻技術(shù)具有極高的分辨率潛力。同時，電子束光刻技術(shù)是一種直寫方法，電子束在精密機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的作用下按照圖形發(fā)生器的指令在光刻膠表面移動，無需掩膜版即可生成納米尺度的圖形。因此，電子束光刻技術(shù)主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域的先進器件開發(fā)以及大規(guī)模先進節(jié)點集成電路掩膜版的制造，而euv主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制造過程中的圖形化。

2、電子束光刻進步的過程主要是分辨率和生產(chǎn)效率的提高。然而，現(xiàn)有的電子束斑表征手段并沒有跟上分辨率的發(fā)展。目前在產(chǎn)業(yè)中，只能得到來自于電子束光刻機生產(chǎn)商提供的理論束斑尺寸。該現(xiàn)象導(dǎo)致了兩方面的問題：其一，研究者很難認知到電子束光刻機的極限分辨率，沒有量化電子束光刻機工藝水平的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其二，與電子束光刻機工藝優(yōu)化有關(guān)的工作如鄰近效應(yīng)校正等，需要依賴于迭代試錯的方法，效率極低。因此，一種有效的電子束斑表征方法能夠為光刻機工藝能力提供量化指標(biāo)，并且可以提高工藝優(yōu)化的效率。而在其他領(lǐng)域，最常用的電子束斑表征方法是刃邊法，當(dāng)電子束斑進入到納米尺度時，刃邊法的準(zhǔn)確性受到了刀刃轉(zhuǎn)角處邊緣濺射以及電子散射的影響。此外，其他研究者還提出了基于pn結(jié)、碳納米管、標(biāo)準(zhǔn)bel圖形反卷積等束斑表征方法。

3、在與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利cn104267426a公開了一種電子束斑的測量方法，其利用硅基片刻蝕穿通工藝加工檢測窗口，利用koh各向異性腐蝕工藝加工背腔，在以鋁膜作為支撐、聚酰亞胺薄膜作為保護層的光刻膠上進行背面曝光測量，該方法可以排除襯底背散射電子對曝光的影響，從而更加精確地測量出電子束束斑的直徑。但是其不足在于，檢測窗口是大高寬比結(jié)構(gòu)，會對器件制造和測量產(chǎn)生負面影響。具體地，其一，難以基于現(xiàn)有微電子工藝制造：根據(jù)蒙特卡洛仿真，對于常見的高斯束電子束光刻機的能量范圍(50～100kev)，電子在硅材料中的最大入射深度可以達到35μm以上。因此，為使得檢測窗口達到預(yù)期的遮擋電子效果，檢測窗口的刻蝕深度需大于35μm，涉及大高寬比刻蝕。在現(xiàn)有微電子工藝的深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(drie)的加工條件下，難以得到垂直度極好的檢測窗口。其二，在曝光過程中產(chǎn)生的監(jiān)測窗口邊緣濺射電子會對表征產(chǎn)生影響：該專利的方法涉及到將電子束從檢測窗口的一側(cè)掃描至另一側(cè)，需要經(jīng)過檢測窗口的兩個邊緣，電子束按照專利要求掃描經(jīng)過檢測窗口時，電子將會發(fā)生濺射，濺射電子進入光刻膠層將影響測量的準(zhǔn)確性。另一方面，使用現(xiàn)存drie加工出的檢測窗口通常存在側(cè)壁傾角，呈現(xiàn)正梯形或者倒梯形結(jié)構(gòu)，這種非理想效應(yīng)導(dǎo)致檢測窗口上端下端寬度不一致，測試時參數(shù)w無法精確確認影響測量精確度，并且其遮擋電子的效果因存在側(cè)壁傾角而缺乏可靠性。其三，在曝光位置方面，該專利方法要實現(xiàn)背面曝光，光刻膠要在鋁膜的背面，就需要一個用于支撐且有足夠大空隙的背部支架，增加了曝光過程的難度。其四，在幾何模型方面，該專利方法通過測量投影長度以獲得束斑尺寸信息，對于投影長度的測量涉及到同時確定b點與d點的位置，在掃描電子顯微鏡實際測量過程中，當(dāng)平行四邊形abcd完整呈現(xiàn)在視野內(nèi)時，難以區(qū)別a,b兩點和c,d兩點的對應(yīng)關(guān)系，對測量誤差造成極大影響。其五，在工藝流程方面，該專利方法需要使用兩種基片，兩種基片疊加對準(zhǔn)的過程中可能需要在光刻膠上涂覆保護層等處理，使用的材料種類多且工藝步驟繁瑣。

4、在與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利cn119024639a公開了一種電子束斑的片上表征方法，其通過制造束斑表征芯片，使用電子束在芯片的懸空薄膜測試區(qū)上以不同曝光劑量寫入測試版圖圖形，通過建立關(guān)于曝光重疊的函數(shù)關(guān)系，求解得到電子束斑的尺寸和劑量分布。該專利的測量原理是，基于曝光重疊實現(xiàn)的對束斑本身分布函數(shù)的表征，利用兩個對頂?shù)木匦螆D案在曝光時由于束斑本身的分布而產(chǎn)生的曝光重疊來進行測量和估算。該專利方法雖然使用低應(yīng)力氮化硅制造懸空薄膜結(jié)構(gòu)，但制造的曝光標(biāo)記是通過在晶圓背面制造出刻蝕窗口并腐蝕穿通至晶圓正面得到，如此制造的曝光標(biāo)記具有兩個缺點：一是電子束光刻機通過電子束掃描曝光標(biāo)記以確定標(biāo)記的位置并推薦最佳的聚焦值，制造的曝光標(biāo)記具有koh各向異性腐蝕帶來的傾角，導(dǎo)致標(biāo)記薄膜下方的硅的厚度沿水平和豎直方向逐漸增加，導(dǎo)致電子束光刻機定位曝光標(biāo)記時難以得到垂直度好的形貌曲線，因此難以定位和聚焦。二是電子束光刻機識別曝光標(biāo)記時需要指定曝光標(biāo)記的尺寸，其利用從硅片背面koh各向異性腐蝕的方法制造的曝光標(biāo)記尺寸受到硅晶圓厚度不均勻的影響，對于10μm的厚度偏差，會給曝光標(biāo)記帶來14μm的尺寸誤差，影響了電子束光刻機對曝光標(biāo)記的識別。

5、綜上所述，在電子束光刻機的應(yīng)用場景下，現(xiàn)有技術(shù)均不兼容電子束光刻機的工藝環(huán)境，并且存在輻射損傷、可重復(fù)性不佳、引入額外散射干擾、影響曝光標(biāo)記識別等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種基于懸空納米膠片的電子束斑強度分布表征方法，基于標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝制造出懸空納米膠片作為電子束斑探測器，結(jié)合建立的幾何和數(shù)學(xué)關(guān)系，通過重復(fù)曝光得到不同束流和聚焦值下電子束斑的強度精準(zhǔn)分布。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于懸空納米膠片的電子束斑強度分布表征方法，包括以下步驟：

4、在硅晶圓上制造懸空納米膠片結(jié)構(gòu)，其包括背腔、懸空薄膜、納米膠片和曝光標(biāo)記，懸空薄膜位于硅晶圓正面和背腔上方，納米膠片為位于懸空薄膜上的長方體結(jié)構(gòu)，曝光標(biāo)記位于硅晶圓正面的拐角處；

5、套準(zhǔn)懸空納米膠片結(jié)構(gòu)的曝光標(biāo)記，使用預(yù)設(shè)劑量的單電子束以一預(yù)設(shè)角度掃描通過納米膠片，顯影得到平行四邊形的束斑表征圖形，測量單電子束通過納米膠片兩邊緣的線段長度，根據(jù)幾何關(guān)系計算束斑直徑，并作為束斑點擴散函數(shù)的閾值寬度；

6、根據(jù)單電子束的劑量、駐留時間、點擴散函數(shù)建立束斑強度分布函數(shù)，對該束斑強度分布函數(shù)進行擬合，根據(jù)擬合后的函數(shù)關(guān)系計算電子束斑強度分布。

7、進一步地，在硅晶圓上制造懸空納米膠片結(jié)構(gòu)的步驟包括：

8、(1)在硅晶圓正面旋涂紫外光刻膠，進行圖形化并進行硅刻蝕，再去除光刻膠，形成曝光標(biāo)記；

9、(2)在硅晶圓正面和背面淀積氮化硅薄膜；

10、(3)套準(zhǔn)硅晶圓正面的曝光標(biāo)記，在硅晶圓背面形成背腔圖形，刻蝕去除背腔處的薄膜，去除背面光刻膠，得到背腔窗口；

11、(4)以背面薄膜為掩膜，通過深刻蝕工藝去除背腔處的硅材料，形成背腔，釋放懸空薄膜；

12、(5)在硅晶圓正面旋涂電子束光刻膠；

13、(6)套準(zhǔn)曝光標(biāo)記進行首次電子束曝光，形成納米膠片圖形，顯影得到納米膠片。

14、進一步地，懸空薄膜的厚度不大于500nm；納米膠片長度不小于20μm，寬度為50-1000nm，厚度不大于200nm。

15、進一步地，電子束光刻膠選用正性電子束光刻膠，該正性電子束光刻膠在顯影、定影后保持對電子束敏感的性質(zhì)不變。

16、進一步地，步驟(1)中使用drie刻蝕硅，使用氧等離子體干法去膠或prs3000濕法去膠；步驟(2)中使用lpcvd在硅晶圓正面和背面淀積氮化硅薄膜；步驟(3)中使用rie刻蝕氮化硅薄膜；步驟(4)中深刻蝕工藝選用koh各向異性濕法腐蝕、深硅反應(yīng)離子刻蝕或hna各向同性濕法腐蝕。

17、進一步地，計算束斑直徑的幾何關(guān)系為其中x為待計算束斑在選定劑量下的點擴散函數(shù)閾值寬度，d1,d2為單電子束通過納米膠片兩邊緣的線段長度，θ為預(yù)設(shè)角度。

18、進一步地，使用不同預(yù)設(shè)劑量的單電子束以一預(yù)設(shè)角度掃描通過納米膠片，根據(jù)幾何關(guān)系計算各個束斑直徑，根據(jù)擬合后的函數(shù)關(guān)系得到均一化的電子束斑強度分布。

19、進一步地，使用亞像素分辨算法增強對平行四邊形邊界的界定；使用掃描電子顯微鏡測量單電子束通過納米膠片兩邊緣的線段長度。

20、進一步地，根據(jù)單電子束的劑量、駐留時間、點擴散函數(shù)建立束斑強度分布函數(shù)的過程表示為：

21、

22、其中p(r)為點擴散函數(shù)，f(r)為束斑強度分布函數(shù)，t為駐留時間，dn為預(yù)設(shè)劑量，k為常數(shù)，r為距離束斑中心的距離。

23、進一步地，對束斑強度分布函數(shù)進行擬合時，若雙高斯分布函數(shù)擬合時相關(guān)系數(shù)不低于0.8，則使用雙高斯分布函數(shù)進行擬合，否則使用origin軟件的樣條曲線功能進行擬合；使用雙高斯分布函數(shù)擬合束斑強度分布函數(shù)后的關(guān)系式為：

24、

25、其中a,c分別為主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的強度參數(shù)，b,d分別為主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的方差參數(shù)，r為距離束斑中心的距離。

26、進一步地，將納米膠片旋轉(zhuǎn)90°，測量電子束斑在束斑直徑x方向的強度分布，在通過綜合歸一化，還原束斑的三維強度分布，表達式如下：

27、

28、其中(x,y)為以束斑中心為原點的位置坐標(biāo)，a,c分別為y方向主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的強度參數(shù)，b,d分別為y方向主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的方差參數(shù)，e,f分別為x方向主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的強度參數(shù)，u,i分別為x方向主高斯函數(shù)和雜散電子高斯函數(shù)的方差參數(shù)。

29、進一步地，在硅晶圓上制造懸空納米膠片結(jié)構(gòu)時，通過兩次曝光制造重復(fù)單元，重復(fù)單元的四個角設(shè)有曝光標(biāo)記，每個重復(fù)單元包括多個懸空薄膜，每個懸空薄膜上設(shè)有多個測試單元，每個測試單元包括多個納米膠片。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得了以下有益效果：

31、1)本發(fā)明是基于硅晶圓進行檢測，通過曝光-顯影的方式進行最終表征，完全基于標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝，完全兼容原有的電子束光刻機的相關(guān)工藝環(huán)境，無需破壞電子束光刻機原有的高真空環(huán)境并且無需額外的信號引出，在大部分具備微電子工藝流片能力的產(chǎn)線或者實驗室均可完成制造。

32、2)本發(fā)明只需要一種基片，在測試時進行兩次曝光就可以實現(xiàn)電子束斑強度分布表征，不需要實現(xiàn)背面曝光，只需要正面曝光，降低了曝光過程的實現(xiàn)難度，減少了材料的使用，簡化了工藝步驟。

33、3)本發(fā)明不需要大高寬比結(jié)構(gòu)，而是采用懸空納米膠片，避免了側(cè)壁不陡直帶來的負面影響，屏蔽了電子散射和邊緣濺射對束斑表征的影響，無需考慮檢測窗口對電子遮擋的效率問題。

34、4)本發(fā)明不需要借助復(fù)雜的算法，通過簡單計算即可得到束斑尺寸，測試原理簡單，方便進行快速表征。

35、5)本發(fā)明方法可以與亞像素邊緣檢測算法結(jié)合，避免了人工分辨邊界造成的系統(tǒng)誤差，使得表征標(biāo)準(zhǔn)具有統(tǒng)一性，能夠提高表征可重復(fù)性。