电子束半导体光刻机的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种电子束光刻机，涉及半导体集成电路刻蚀加工领域以及超精细加工等领域。

背景技术：
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在半导体加工领域和超精细加工领域中，传统的技术是采用光刻加工。由于受到光波波长的限制，使得一般光刻技术在纳米级加工中，技术实现比较困难。由于国外技术限制，中国受到光刻机的技术壁垒限制十分严重。电子束刻蚀技术具有刻蚀线宽精度能够达到纳米级别，不会像传统光刻机那样受光波波长限制，因此电子束具有比光刻线宽精细程度高的优势。但是传统的电子束刻蚀机效率很低，尤其是扫描式电子束刻蚀机工作效率非常低。透射式电子束刻蚀机则由于掩膜版制作困难，电子散射严重，热变形明显，也使得该技术应用受到限制。因此，发明一种具有和光刻机一样高效，还能摆脱传统电子束刻蚀机缺点的电子束刻蚀机十分必要。

技术实现要素：
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电子束半导体光刻机通过掩膜图案与光阴极一体化新方法的发明与应用，解决了电子束刻蚀机的效率问题，使得电子束刻蚀的效率与光刻机水平相当，并且加工精度可以达到纳米级线宽。本发明核心技术是将传统的半导体掩膜图案做成光阴极，把需要刻蚀的图案以光阴极的形式制作在面形的阴极板上，这样具有掩膜图案的光阴极，在特定频率光的照射下发射相对应的光电子图像。发射出来的含有掩膜图案的光致发射的电子束在加速电场的加速下，形成含有掩膜图像的电子束像，在聚焦磁场的作用下，汇聚缩小成需要线宽的含有掩膜图案的电子束图像，这样的含有缩小的电子束图像，可以曝光半导体材料上的电子束敏感的光刻胶，可以加工相应线宽的半导体芯片。本发明还可以不使用光刻胶，直接通过电子束刻制相应的加工图案或结构，并且可以达到纳米级加工精度。

本发明的电子束半导体光刻机系统见图3，该系统由图1中的电子束成像系统，图3中的12的真空室，13的抽真空系统，14的硅片进料仓，15的硅片送料系统，16的平台系统，17的硅片出料系统，18的硅片出料仓，19的减震系统，20的电源供电系统，21的控制屏幕，22的控制系统等部分组成。

本发明的核心技术是将发射电子的阴极和带有加工图案的掩膜图案集成到一起，形成全新的带有加工图案的大面积阴极。带有加工图案的面阴极由容易发射电子的碱金属或砷化镓、氮化镓等光致发射电子材料制成。本发明将光阴极做成大面积的掩膜图案形式，根据刻制的内容不同，制作更换相应的掩膜图案的阴极。在合适的光频率照射下发射出含有图案的光致发射的电子束，这些含有光阴极图案的电子束，再通过电场加速，磁场的聚焦和消像差，把阴极发射的含有掩膜图案的电子束缩小到需要的大小尺寸，技术上可以达到纳米级线宽甚至更精细的程度，刻蚀到半导体材料，或其他需要刻制的材料上，达到加工大目的。

本发明的电子束半导体光刻机系统。解决了传统的电子束光刻机效率低的问题，做到了可以像传统光刻机一样的方便和高效，更主要的是能够做到纳米级加工精度，甚至比纳米级更高的加工精度。

附图说明：

图1：是电子束半导体光刻机的电子束成像系统。其中1为加速极板，2为阴极基板，3为含有掩膜图案的大面积光阴极，4为聚焦调整磁体，5为含有刻蚀图案的电子束，6到8为聚焦和调整磁场，9为含有阴极掩膜图案的聚焦缩小后的电子像，把相应的图案刻制到半导体硅片或其它可加工材料上，10为硅片或其它待加工材料，11为带有照射光阴极的发光平台和硅片托板。

图2：是含有掩膜图案的光阴极的正视图。1为加速极板，2为阴极基板，3为含有掩膜图案的大面积光阴极。

图3：是电子束半导体光刻机系统组成结构示意图。由1到11的电子束成像系统，12的真空室，13的抽真空系统，14的硅片进料仓，15的硅片送料系统，16的平台系统，17的硅片出料系统，18的硅片出料仓，19的减震系统，20的电源供电系统，21的控制屏幕，22的控制系统。

具体实施方式：

本发明的电子束半导体光刻机，由1到11的电子束成像系统，12的真空室，13的抽真空系统，14的硅片进料仓，15的硅片送料系统，16的平台系统，17的硅片出料系统，18的硅片出料仓，19的减震系统，20的电源供电系统，21的控制屏幕，22的控制系统等组成。

待刻制的硅片或其他种类的材料，通过14的硅片进料仓，进入电子束光刻机，通过15的硅片送料系统把硅片放到16的平台系统，硅片或待刻制的材料放在11的带有照射光阴极的发光平台和硅片托板上，经过电子束成像系统1到9，最终把阴极板上的图案，在一定频率的光照射下产生光致发射电子，发射出带有阴极图案的电子束5，经过4、6、7、8的磁场透镜聚焦和消像差，聚焦形成缩小的含有阴极图案的电子像9，对涂有电子束敏感的感光胶的硅片10感光，达到加工制作的目的。感光后的硅片10通过硅片出料系统17，把感光好的在硅片托板11上的硅片，取出放到硅片出料仓18，加工完成后取出送入下一道工序，电子束光刻工序完成。

技术特征：

1.一种电子束半导体光刻机，用于曝光硅片、刻蚀半导体材料等，其特征包括图3中，由1到11的电子束成像系统，12的真空室，13的抽真空系统，14的硅片进料仓，15的硅片送料系统，16的平台系统，17的硅片出料系统，18的硅片出料仓，19的减震系统，20的电源供电系统，21的控制屏幕，22的控制系统组成。

2.电子束成像系统其特征，由图1中的1为加速极板，2为阴极基板，3为含有掩膜图案的大面积光阴极，4为聚焦调整磁体，5为含有刻蚀图案的电子束，6到8为聚焦和调整磁场，9为含有阴极掩膜图案的聚焦缩小后的电子像，把相应的图案刻制到半导体硅片或其它可加工材料上，11为带有照射光阴极的发光平台和硅片托板。

3.其特征是发射电子的阴极和带有加工图案的掩膜图案集成在一起，形成全新的带有加工图案的大面积阴极，带有加工图案的面阴极由可发射电子的光致发射电子材料制成，将光阴极做成大面积的掩膜图案形式，其特征是根据刻制的内容不同，制作更换相应的掩膜图案阴极，以光照射光阴极，光阴极发射出含有掩膜图案的光电子束，含有光阴极掩膜图案的电子束，再通过电场加速，磁场聚焦，磁场消像差，把发射的含有掩膜图案的电子像缩小，刻蚀到半导体等材料上。

技术总结
一种电子束半导体光刻机，通过掩膜图案与光阴极一体化新方法的发明与应用，解决了电子束刻蚀机的效率问题，使得电子束刻蚀的效率与光刻机水平相当，并且加工精度可以达到纳米级线宽。本发明核心技术是将传统的半导体掩膜图案做成光阴极，把需要刻蚀的图案以光阴极的形式制作在面形的阴极板上，这样具有掩膜图案的光阴极，在特定频率光的照射下发射相对应的光电子图像。发射出来的含有掩膜图案的光致发射的电子束在加速电场的加速下，形成含有掩膜图像的电子束像，在聚焦磁场的作用下，汇聚缩小成需要线宽的含有掩膜图案的电子束图像，这样的含有缩小的电子束图像，可以曝光半导体材料上的电子束敏感的光刻胶，可以加工相应线宽的半导体芯片。本发明还可以不使用光刻胶，直接通过电子束刻制相应的加工图案或结构，并且可以达到纳米级加工精度。

技术研发人员：杨国超
受保护的技术使用者：北京国视神州文化传媒有限公司
技术研发日：2020.09.15
技术公布日：2020.11.24