电子束斑的测量方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种电子束斑的测量方法和设备。所述测量方法包括：准备第一基片，在所述第一基片上形成悬置的光刻胶层，并且在第一基片与光刻胶层相对的另一侧上形成检测窗口；准备第二基片，在所述第二基片上形成背腔结构；将第二基片的背腔结构入口一侧与第一基片的光刻胶一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准；将待测电子束以一定的路径角θ单次扫过检测窗口，对光刻胶层进行背向曝光，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；以及对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d：d＝L·tanθ-W/cosθ。
【专利说明】电子束斑的测量方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子领域，具体地涉及微纳结构加工领域，更具体地涉及一种纳米尺度电子束斑的测量方法和设备。
【背景技术】
[0002]目前微电子工艺已经进入14nm工艺技术时代，根据ITRS(国际半导体技术蓝图)的预测，微电子工艺制程研究将在2019年前后进入5-7纳米。纳米尺度微观结构加工工艺水平，是保证器件性能、影响成品率的关键。目前，可达到纳米精度的电子光学设备被广泛应用到纳米器件加工工艺中。其中，电子束直写曝光工艺具有优异的纳尺度图形制造能力和灵活的构图能力，是实现长程有序纳米结构的最具竞争力的技术手段之一。另外，在器件的形貌表征、线宽测量和成分分析等方面，广泛使用到电子显微镜、CD-SEM和电子能谱分析仪等设备。上述设备的工作原理是:利用电子光学系统将电子束聚焦，形成纳米量级的束斑；束斑在偏转电场控制下扫过样品表面，达到加工或检测目的。在这些设备中，电子束的束斑尺寸决定了系统的分辨率，束斑尺寸和束流强度分布的测量是考核设备分辨率的重要指标。
[0003]束斑尺寸探测装置，常见于大型电子加速器中，如正负电子对撞机、回旋加速器、同步辐射光源等。主要类型包括:荧光探测器、线性扫描探测器、康普顿散射传感器、激光驻波场散射传感器等。这些检测手段的局限性在于:
[0004]1.荧光探测器的性能受限于荧光剂本身的物理化学性质，荧光剂分子大小决定分辨率高低。
[0005]2.由于高能电子辐射带来的热效应，为提高机械强度和使用寿命，线性扫描探测器的尺度在几个微米量级，限制了分辨率的提高。
[0006]3.康普顿散射和驻波场散射原理类似，驻波场分辨率更高，但驻波场传感器的极限分辨率仍然决定于激光波长。
[0007]这些传感器的检测对象，是能量为MeV量级、直径为微米或亚微米的电子束束斑。对于微纳电子工艺中使用的加工或检测设备，通常使用能量彡lOOkeV、束斑直径< 1nm的电子光学系统，上述传感器无法满足这类设备的应用需求。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种在纳米尺度测量电子束斑直径的方法和设备。
[0009]根据本发明的一个方面，提出了一种电子束斑的测量方法，包括:在第一基片的A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜；在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上形成检测窗口，其中所述检测窗口穿通所述第一基片，到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W ;在支撑薄膜上涂覆光刻胶；在第二基片中形成独立加工的背腔结构，所述背腔结构用于吸收散射的电子；将所述第二基片的背腔结构入口一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准；使待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口以对光刻胶进行背向曝光，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:d = L.tan Θ -ff/cos Θ。
[0010]优选地，所述测量方法在涂覆光致刻蚀剂之后还包括在光刻胶上涂覆保护层，并且在对光刻胶进行显影之前还包括去除保护层。
[0011]根据本发明的另一个方面，还提出了一种电子束斑的测量设备，包括:第一基片，在第一基片A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜，在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上沉积的薄膜中形成检测窗口，其中所述检测窗口穿通所述第一基片到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W ;在支撑薄膜上涂覆的光刻胶；第二基片，在第二基片中形成背腔结构，所述背腔结构用于吸收散射的电子；固定和对准装置，用于将所述第二基片的背腔结构入口的小尺寸端一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定,并且将检测窗口与背腔结构入口对准；扫描角度控制装置，使待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口，对光刻胶进行背向曝光，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；测量装置，在对光刻胶进行显影之后，测量光刻胶沿电子束扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:d = L.tan Θ -ff/cos Θ。
[0012]优选地，所述第一基片还包括在涂覆光刻胶之后在光刻胶上涂覆的保护层，并且在对光刻胶进行显影之前还包括去除保护层。
[0013]优选地，所述背腔结构是在第二基片中独立形成的穿通或非穿通结构。
[0014]优选地，所述支撑薄膜是对于被测量电子束具有低散射率的导电薄膜。例如，所述支撑薄膜是Al膜。
[0015]优选地，所述背腔结构的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸。
[0016]通过采用导电的支撑薄膜可以减小曝光过程中的充电效应，进一步提高束斑图形的精度；通过采用独立加工的背腔结构，使得工艺灵活，并且不受支撑薄膜材料的限制；通过光刻胶的背向曝光，可以完全避免衬底背散射电子对曝光过程的影响。更高能量的电子具有更小的散射截面，电子束首先通过低二次电子产率的薄膜材料，使得电子束透过支撑膜后保持原有特性，从而在光刻胶中形成的曝光边界真实反映电子束的束斑能量分布和空间分布；电子束透过悬置光刻胶后进入背腔结构，大部分电子在背腔结构内部经过多次散射后被腔壁吸收，从而减小电子重新返回光刻胶的几率；通过保护层进一步吸收来自背腔的散射电子，并且还在固定第一基片和第二基片器件时保护光刻胶免受机械损伤。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1示出了根据本发明的纳米尺寸电子束斑的测量方法和设备的基本原理。
[0018]图2示出了根据本发明的另一种纳米尺寸电子束斑的测量方法和设备的基本原理。
[0019]图3示出了电子束曝光扫描装置的示意图。
[0020]图4示出了通过已构图光刻胶图案测量电子束的束斑尺寸的方法示意图。
[0021]图5 (a)至5(b)示出了其他的穿通背腔结构的示意图；
[0022]图6 (a)至6(b)示出了非穿通背腔结构的示意图；
[0023]图7示出了根据本发明一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。
[0024]图8示出了根据本发明另一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。
[0025]图9示出了根据本发明另一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。
[0026]图10示出了需要测试束斑尺寸的器件结构。
[0027]图11(a) - 11(f)结合器件结构示出了根据本发明实施例的电子束斑测量方法的示意图。
[0028]图12(a) — 12(g)结合器件结构示出了根据本发明实施例的另一种电子束斑测量方法的示意图。
【具体实施方式】
[0029]以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的结构。
[0030]在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
[0031]应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
[0032]图1示出了根据本发明的纳米尺寸电子束斑的测量方法和设备的基本原理。如图1(a)所示，利用导电的支撑薄膜将光刻胶悬置在背腔结构的入口处，待测电子束在扫描时通过检测窗口，依次穿透导电的低散射率支撑薄膜和光刻胶进入背腔结构。得益于支撑薄膜的导电特性，电子不会在曝光图形附近积累，消除了充电效应对束斑图形精度的不良影响。透射的电子在背腔结构中散射，并且大部分散射电子被背腔结构捕获，不能返回到光刻胶中。入射电子能量使光刻胶分子发生交联(或解链)反应，而透射的电子不会返回到光刻胶，从而形成高对比度曝光边界，如图1(b)所示。
[0033]图2示出了根据本发明的另一种纳米尺寸电子束斑的测量方法和设备的基本原理。如图2(a)所示，利用导电的支撑薄膜将光刻胶悬置在背腔结构的入口处，待测电子束在扫描时通过检测窗口，依次穿透导电的低散射率支撑薄膜、光刻胶和保护层进入背腔结构。得益于导电的支撑薄膜的导电特性，电子不会在曝光图形附近积累，消除了充电效应对束斑图形精度的不良影响。图2所示的结构与图1的类似，不同之处在于光刻胶与支撑薄膜相对的另一侧上还涂覆了保护层。透射的电子在背腔结构中散射，并且大部分散射电子被背腔结构捕获，不能返回光刻胶中；未被背腔结构吸收的电子进一步被保护层吸收，同样不能返回到光刻胶中。也就是说背腔结构和保护层的组合构成了透射电子束的吸收结构。入射电子能量使光刻胶分子发生交联(或解链)反应，而大部分透射的电子不会返回到光刻胶，从而形成高对比度曝光边界，如图2(b)所示。
[0034]具体地，首先制造悬置的光刻胶。然后，通过电子束对悬置的光刻胶进行背向曝光，进而通过显影之后的光刻胶图案进行测量，来得到电子束的束斑大小。如上所述的光刻胶由一层具有足够机械强度的导电薄膜支撑。该薄膜材料的电子散射截面小、二次电子产率低。因此，电子束透射通过导电支撑薄膜后保持原有特性，在光刻胶中形成的曝光边界真实地反映电子束的束斑能量分布和空间分布。另外，支撑薄膜的导电性，可以消除曝光图形周围的充电效应。其次，电子束透射通过悬置光刻胶后进入吸收结构。吸收结构减小了电子重新返回光刻胶的几率。具体地，所述吸收结构可以仅仅是背腔结构，也可以是背腔结构和保护层的组合。所述背腔结构是一个尺寸远大于检测窗口的空腔，大部分电子在背腔结构内部经过多次散射后被背腔结构的腔壁吸收，从而不会返回到光刻胶，进而产生锐利的曝光边界。所述背腔结构的截面形状是近圆形、楔形或矩形，所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔远大于检测窗口开口尺寸。所述保护层是一层对电子束进行吸收的材料层。所述背腔结构可以是在第二基片中独立形成的穿通或非穿通的背腔结构，但要求腔体尺寸相对于检测窗口足够大，能够吸收散射电子。所述独立形成方式指的是所述背腔结构的加工过程与所述支撑薄膜的加工过程完全分离，是独立的加工过程。另外，可以预先准备多种不同形状、不同尺寸的背腔结构，并且根据需要测量的电子束来选择适当的背腔结构。所述保护层包括L0L2000、AR-PC5000/90、和聚酰亚胺、聚乙烯醇类聚合物等。所述保护层还可以是与所选用光刻胶的工艺兼容的其它有机物膜。透射通过光刻胶的电子在首次通过保护层时被吸收一部分，然后来自背腔结构的散射电子在保护层中会被进一步吸收，从而使得大部分透射电子不会重新返回到光刻胶。
[0035]在将涂覆了导电支撑薄膜、光刻胶(和可选的保护层)的第一基片与形成背腔结构的第二基片固定在一起之后，执行根据本发明所述的测量方法。首先进行电子束束斑图形采集。具体地，通过扫描设备的扫描夹角控制装置使电子束按照移动路径角Θ —次性地扫描通过检测窗口以对光刻胶进行曝光，如图1(b)和图2(b)所示。所述检测窗口的深度与宽度的比率较大，从而在检测窗口到光刻胶之间形成贯穿第一基片的狭长通道，使得在窗口边缘产生的大部分散射电子被侧壁吸收，电子束被检测窗口边缘遮挡，在光刻胶中形成投影边界。所形成的狭长通道可以起到的准直作用。投影边界和曝光边界围成的阴影部分即为束斑图形。另外，采用背向曝光方式对光刻胶进行曝光，完全避免了背散射电子的影响，同时高能量电子束首先通过支撑薄膜，前散射效应小。图3示出了电子束曝光扫描装置的示意图。将被检测器件放置于电子束曝光扫描装置的样品台上；待测电子束按照上述方式扫描通过检测窗口，从而对光刻胶曝光、显影，得到了图4所示的光刻胶图案。
[0036]图4示出了通过已构图光刻胶图案测量电子束的束斑尺寸的方法示意图。如图4所示，已知路径角Θ及检测窗口宽度W，束斑扫过检测窗口的距离T为:
[0037]T = W/sin θ ,
[0038]束斑直径d为:
[0039]d = t*tan θ ,
[0040]测量束斑图形长度为L, L = T+t = ff/sin Θ +d/tan θ，
[0041]从而可以推导得出下式来计算束斑直径d:
[0042]d = L.tan Θ -ff/cos θ ,
[0043]其中W是检测窗口的宽度。因为检测窗口是通过曝光刻蚀得到的，因此检测窗口的宽度是已知的或者可测量的。例如，检测窗口的宽度是0.5?1.5μπι。路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角，所述夹角的度数范围在0-90°，并且可以在通过图3所示的电子束曝光装置进行曝光时确定。L是束斑图形在检测窗口中沿电子束束斑扫描方向的长度。在减小路径角的情况下，束斑尺寸在图1(b)和图2(b)中所示的投影边界处被放大，从而可以实现纳米尺度的电子束束斑的精确测量。
[0044]例如，利用现有设备(如工业用⑶-SEM，分辨率1.8nm)测量束斑图形长度，当路径角为5.5°时，使用本方法分析获得的束斑尺寸精度为0.18nm，可以满足纳米尺度的电子束斑的测量要求。
[0045]具体地，其中所述背腔结构可以是在第二基片中独立形成的穿通结构，如图1(a)和2(a)所示，其中所述背腔结构的截面形状是楔形的。另外，所述背腔结构的截面形状还可是近圆形或矩形，分别如图5(a)和5(b)所示。
[0046]所述背腔结构也可以是在第二基片中独立形成的非穿通背腔结构。如图6 (a) -6 (b)所示，分别示出了具有矩形和近圆形截面形状的非穿通背腔结构。
[0047]具体地，所述近圆形、楔形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺从第二基片D表面进行，并穿通至C表面；或者所述近圆形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺直接从C表面进行，并形成非穿通的背腔结构。
[0048]另外所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔结构的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔结构的尺寸远大于检测窗口的开口尺寸。
[0049]下面结合图l_6(b)并且参考图7，详细地描述本发明的具体实施例。图7示出了根据本发明一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。如图7所示，所述电子束斑测量包括以下步骤:准备第一基片，在所述第一基片上形成悬置的光刻胶层，并且在第一基片与光刻胶层相对的另一侧上形成检测窗口(S701);准备第二基片，在所述第二基片上形成独立加工的背腔结构(S702);将第二基片的背腔结构入口一侧与第一基片的光刻胶一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准(S703);使待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口以对光刻胶进行背向曝光(S704)，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；以及对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:d = L.tan Θ -ff/cos Θ (S705)。
[0050]图8示出了根据本发明另一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。如图8所示，所述电子束斑测量包括以下步骤:在第一基片的A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜(S801);在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上形成检测窗口，其中所述检测窗口穿通所述第一基片，到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W(S802);在支撑薄膜上涂覆光刻胶(S803);在第二基片中形成独立加工的背腔结构(S804);将所述第二基片的背腔结构入口一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定,并且将检测窗口与背腔结构入口对准(S805);将待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口以对光刻胶进行背向曝光(S806),其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:d =L.tan Θ -ff/cos Θ (S807)。
[0051]图9示出了根据本发明另一个实施例的电子束斑测量方法的流程图。如图所示，所述电子束斑测量包括以下步骤:在第一基片的A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜(S901);在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上形成检测窗口(S902)，其中所述检测窗口穿通所述第一基片，到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W ;在支撑薄膜上涂覆光刻胶(S903);在光刻胶上涂覆保护层(S904);在第二基片中形成独立加工的背腔结构(S905);将所述第二基片的背腔结构入口一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准(S906);将待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口以对光刻胶进行背向曝光(S907)，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角；去除保护层(S908);对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿扫描方向的图形长度L,利用下式计算电子束束斑直径d:d = L.tan Θ -ff/cos Θ (S909)。
[0052]图9所示实施例与图8所示实施例的不同之处在于在涂覆光致刻蚀剂之后还包括在光刻胶上涂覆保护层，并且在对光刻胶进行显影之前还包括去除保护层。所述保护层可以包括L0L2000、AR-PC5000/90、和聚酰亚胺、聚乙烯醇类聚合物等。所述保护层和所述背腔结构构成了吸收结构，用于吸收大部分的散射电子。另外，所述保护层还可以在第一、第二两个基片固定时，避免光刻胶受到机械损坏。
[0053]此外，在图1-9所述的实施例中，所述背腔结构的截面形状可以是近圆形、楔形或矩形。所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔结构远大于检测窗口开口尺寸。所述近圆形、楔形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺从第二基片D表面进行，并穿通至C表面；或者所述近圆形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺直接从C表面进行，并形成非穿通的背腔结构。所述支撑薄膜是对于被测量电子束具有低散射率的导电薄膜。所述支撑薄膜是沉积的Al薄膜或Si薄膜，厚度小于50nm，其中Si薄膜需要先淀积Si/Si02，在检测窗口加工完成后去除S12
[0054]此外，在图1-9所述的实施例中，所述固定包括机械固定或胶合。所述固定还可以是本领域普通技术人员熟知的固定方式，只要所述固定方式可以将两个基片固定在一起，并且可以在曝光显影之后，容易地将两个基片相分离。
[0055]另外，在图1-9所述的实施例中，还可以制造细长条形检测窗口，并且在所述细长条形检测窗口上进行沿长度方向间隔开的多次扫描曝光、显影、测量和计算，对得到的电子束束斑尺寸进行平均得到电子束束斑尺寸。
[0056]图10示出了测试束斑尺寸的器件结构。其中以楔形穿通背腔结构为例进行说明。本领域普通技术人员应该理解的是还可以采用本发明所述的其他背腔结构。如图10所示，所述器件包括具有检测窗口的第一基片和包括背腔结构的第二基片。光刻胶通过支撑薄膜附着于第一基片上。通过可选的保护层对光刻胶进行保护，并且进一步吸收散射的电子。可以利用成熟的硅基MEMS工艺加工检测器件，进而实现根据本发明的电子束束斑尺寸检测方法。
[0057]图ll(a)9(f)结合器件结构示出了根据本发明实施例的电子束斑测量方法的示意图。
[0058]如图11(a)所示，对第一基片进行清洗预处理，并且对第一基片进行双面薄膜沉积。例如本实施例中使用单晶硅基片作为第一基片，其厚度> 400 μ m ;使用利用PVD工艺在正反两面淀积Al薄膜，其厚度< 50nm。双面沉积的薄膜之一可以用作后续光刻胶的支撑薄膜，而双面沉积的薄膜的另一个可以用作后续检测窗口加工时的硬掩模。实际上，只要能把第一基片刻蚀穿通，形成侧壁足够陡直的检测窗口，无需双面沉积薄膜，只需要单侧沉积光刻胶的支撑薄膜即可。所述支撑薄膜是沉积的Al薄膜或Si薄膜，厚度小于50nm，其中Si薄膜需要先淀积Si/Si02，在检测窗口加工完成后去除S12。
[0059]如图11(b)所示，利用紫外光刻和刻蚀穿通工艺，在第一基片的B背面形成宽度为W为Iym的检测窗口。已经在第一基片的A表面形成Al支撑薄膜。
[0060]如图11(c)所示，在第一基片的A表面上的支撑薄膜上涂覆电子束曝光用光刻胶。电子束曝光用光刻胶的膜厚度> 20nm，在约85°C下进行前烘I分钟。可以通过约85°C的热板进行前烘，也可以放置于烘干箱中进行前烘。
[0061]如图11(d)所示，采用KOH湿法刻蚀工艺，将第二基片从背面(D表面)刻蚀穿通，在并且在第二基片正面(C表面)形成背腔入口(入口尺寸应能覆盖整个检测窗口)。或直接从第二基片的C表面刻蚀形成背腔。图11(d)中示出了从D表面刻蚀穿通的楔形的背腔结构，但是本发明的实施例也可以通过近圆形、矩形的穿通背腔结构，或近圆形、矩形的非穿通背腔结构来实现。所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔远大于检测窗口开口尺寸。近圆形背腔结构使用各向同性腐蚀工艺来加工，楔形背腔使用KOH各向异性腐蚀工艺来加工，矩形背腔使用各向异性干法刻蚀工艺来加工。
[0062]如图11(e)所示，将第一基片的A表面翻转向下与第二基片固定，并且使检测窗口与背腔入口对齐。所述固定包括机械固定或胶合，只要确保在电子束扫描曝光期间，第一基片和第二基片的相对位置固定不变。然后，例如将待测电子束以5°路径角、零线宽方式单次扫描通过检测窗口，扫描距离覆盖检测窗口的宽度。
[0063]如图11(f)所示，通过对光刻胶进行显影、去除光刻胶，移除包括背腔结构的第二基片，得到了如图11(f)所示的曝光图案。测量曝光图案的宽度W和曝光图案沿电子束扫描方向的长度，并且根据5°的路径角，利用公式d = L ?tan Θ -ff/cos Θ计算电子束束斑直径。例如，如果光刻胶图形长度L = 11.531 μπι，检测窗口的宽度W为I μπι，则电子束斑直径为5.0nm0
[0064]图12(a)_10(g)结合器件结构示出了根据本发明实施例的另一种电子束斑测量方法的示意图。
[0065]如图12(a)所示，对第一基片进行清洗预处理，并且对第一基片进行双面薄膜沉积。例如本实施例中使用单晶硅基片作为第一基片，其厚度> 400 μ m ;使用利用PVD工艺在正反两面淀积Al薄膜，其厚度< 50nm。双面沉积的薄膜之一可以用作后续光刻胶的支撑薄膜，而双面沉积的薄膜的另一个可以用作后续检测窗口加工时的硬掩模。实际上，只要能把第一基片刻蚀穿通，形成侧壁足够陡直的检测窗口，无需双面沉积薄膜，只需要单侧沉积光刻胶的支撑薄膜即可。
[0066]如图12(b)所示，利用紫外光刻和刻蚀穿通工艺，在第一基片的B背面形成宽度为W为Iym的检测窗口。已经在第一基片的A表面形成Al支撑薄膜。
[0067]如图12(c)所示，在第一基片的A表面上的支撑薄膜上涂覆电子束曝光用光刻胶。电子束曝光用光刻胶的膜厚度> 20nm，在约85°C下进行前烘I分钟。可以通过约85°C的热板进行前烘，也可以放置于烘干箱中进行前烘。
[0068]如图12(d)所示，在光刻胶上涂布保护层。可以采用无曝光敏感性的L0L2000，保护膜厚度> 200nm，并用75°C热板进行前烘I分钟。保护层还可以包括AR-PC5000/90、和聚酰亚胺、聚乙烯醇类聚合物等。通过保护层进一步吸收了来自背腔的散射电子，并且还在固定第一基片和第二基片器件时保护光刻胶免受机械损伤。
[0069]如图12(e)所示，采用KOH湿法刻蚀工艺，将第二基片从背面(D表面)刻蚀穿通，在并且在第二基片正面(C表面)形成背腔入口(入口尺寸应能覆盖整个检测窗口)。或直接从第二基片的C表面刻蚀形成背腔。图12(e)中示出了从D表面刻蚀穿通的楔形的背腔结构，但是本发明的实施例也可以通过近圆形、矩形的穿通背腔结构，或近圆形、矩形的非穿通背腔结构来实现。所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔远大于检测窗口开口尺寸。近圆形背腔结构使用各向同性腐蚀工艺来加工，楔形背腔使用KOH各向异性腐蚀工艺来加工，矩形背腔使用各向异性干法刻蚀工艺来加工。
[0070]如图12(f)所示，将第一基片的A表面翻转向下与第二基片固定，并且使检测窗口与背腔入口对齐。所述固定包括机械固定或胶合，只要确保在电子束扫描曝光期间，第一基片和第二基片的相对位置固定不变。然后，例如将待测电子束以5°路径角、零线宽方式单次扫描通过检测窗口，扫描距离覆盖检测窗口的宽度。
[0071]如图12(g)所示，通过去除保护层、对光刻胶进行显影、去除光刻胶，移除包括背腔结构的第二基片，得到了如图12(g)所示的曝光图案。测量曝光图案的宽度W和曝光图案沿电子束扫描方向的长度，并且根据5°的路径角，利用公式d = L.tan Θ -ff/cos Θ计算电子束束斑直径。例如，如果光刻胶图形长度L = 11.531 μ m，检测窗口的宽度W为I μ m，则电子束斑直径为5.0nm。
[0072]利用硅基片刻蚀穿通工艺加工检测窗口，KOH各向异性腐蚀工艺加工背腔；利用Al薄膜作为支撑，形成高分辨率负性电子束光刻胶悬置结构；利用聚酰亚胺薄膜作为保护层。通过采用导电的支撑薄膜可以减小曝光过程中的充电效应，进一步提高束斑图形的精度；通过采用独立加工的背腔结构，使得工艺灵活，并且不受支撑薄膜材料的限制；通过光刻胶的背向曝光，可以完全避免衬底背散射电子对曝光过程的影响。更高能量的电子具有更小的散射截面，电子束首先通过低二次电子产率的薄膜材料，使得电子束透过支撑膜后保持原有特性，从而在光刻胶中形成的曝光边界真实反映电子束的束斑能量分布和空间分布；电子束透过悬置光刻胶后进入背腔吸收结构，大部分电子在其内部经过多次散射后被腔壁吸收，从而减小电子重新返回光刻胶的几率；通过保护层进一步吸收来自背腔的散射电子，并且还在固定第一基片和第二基片器件时保护光刻胶免受机械损伤。
[0073]尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。
【权利要求】
1.一种电子束斑的测量方法，包括: 在第一基片的A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜； 在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上形成检测窗口，其中所述检测窗口穿通所述第一基片，到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W ； 在支撑薄膜上涂覆光刻胶； 在第二基片中形成独立加工的背腔结构，所述背腔结构用于吸收散射的电子； 将所述第二基片的背腔结构入口一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准； 使待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口以对光刻胶进行背向曝光，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角； 对光刻胶进行显影，并且测量光刻胶沿电子束扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:
d = L.tan Θ -ff/cos Θ。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中在涂覆光致刻蚀剂之后还包括在光刻胶上涂覆保护层，并且在对光刻胶进行显影之前还包括去除保护层。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其中所述保护层包括L0L2000、AR-PC5000/90，和聚酰亚胺、聚乙烯醇类聚合物等。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述保护层和所述背腔结构构成了吸收结构，用于吸收大部分的散射电子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量方法，其中所述背腔结构是在第二基片中独立加工形成的穿通或非穿通结构。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其中所述背腔结构的截面形状是近圆形、楔形或矩形。
7.根据权利要求6所述的测量方法，所述近圆形和楔形背腔结构入口的小尺寸端的尺寸大于或等于所述检测窗口的尺寸，所述矩形背腔的入口尺寸大于检测窗口，并且所形成的背腔结构远大于检测窗口的开口尺寸。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其中所述近圆形、楔形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺从第二基片D表面进行，并穿通至C表面；或者所述近圆形或矩形背腔结构利用腐蚀或刻蚀工艺直接从C表面进行，并形成非穿通的背腔结构。
9.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述支撑薄膜是对于被测量电子束具有低散射率的导电薄膜。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其中所述支撑薄膜是沉积的Α1薄膜或Si薄膜，厚度小于50nm，其中Si薄膜需要先淀积Si/Si02，在检测窗口加工完成后去除Si02。
11.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述检测窗口的宽度是0.5?1.5 μ m。
12.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述固定包括机械固定或胶合。
13.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述检测窗口的深度与宽度的比率较大以形成穿通第一基片的狭长通道，使得在检测窗口边缘产生的大部分散射电子被侧壁吸收。
14.一种电子束斑的测量设备，包括: 第一基片，在第一基片A表面上沉积导电薄膜，构成支撑薄膜，在所述第一基片的与所述A表面相对的B表面上沉积的薄膜中形成检测窗口，其中所述检测窗口穿通所述第一基片到达支撑薄膜背面，所述检测窗口的宽度为W ； 在支撑薄膜上涂覆的光刻胶； 第二基片，在第二基片中形成独立加工的背腔结构，所述背腔结构用于吸收散射的电子； 固定和对准装置，用于将所述第二基片的背腔结构入口一侧的C表面与第一基片的A表面一侧固定，并且将检测窗口与背腔结构入口对准； 扫描夹角控制装置，使待测电子束以一定的路径角Θ单次扫过检测窗口，使光刻胶从背向曝光，其中所述路径角是电子束扫描方向与检测窗口长度方向的夹角； 测量装置，在对光刻胶进行显影之后，测量光刻胶沿电子束扫描方向的图形长度L，利用下式计算电子束束斑直径d:d = L.tan Θ -ff/cos Θ。
【文档编号】G01T1/29GK104267426SQ201410449770
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】刘鹏, 张大成, 王玮, 田大宇, 杨芳, 罗葵, 戴小涛, 李婷, 王颖, 李静, 时广轶 申请人:北京大学, 北京大学软件与微电子学院无锡产学研合作教育基地