热场发射电子枪，在电子束光刻机中的应用研究
编辑丨祥说
介绍
光刻工艺是半导体加工领域的核心工艺，光刻工艺的水平体现了半导体工艺的发展水平。
光刻机作为光刻工艺的关键加工设备，发挥着至关重要的作用。
电子束光刻是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描绘图形的技术，它的优点是分辨率高，焦深比较深，图形容易修改，缺点是生产效率低。
电子束光刻机主要应用在掩膜版的制造领域和芯片的纳米级的加工领域，特别是近年来二、三代半导体的发展为电子束光刻机提供了更广阔的应用前景。
另外由于李光栅在光波导和激光器领域内的广泛应用，电子束光刻机成为了此领域必备的加工设备。
电子束光刻机主要包含真空系统、运动控制系统电子控制系统、电子光学系统，其中电子光学系统是核心部分，它的性能好坏直接影响着设备的性能指标。
电子光学系统主要部件包括电子枪、对中系统、束光阑、电子透镜、偏转线圈、消像散器和背散射电子探测器等。
其功能是产生电子束．将电子束加速，并聚焦成极小的电子束束斑，打在需要曝光的位置国。
电子枪作为电子光学系统的关键部件，对系统的性能指标有重要影响。
电子枪的分类和特点
电子枪是能产生定向运动、束流大小和束流密度可控，并具有一定能量的聚焦电子束的部件。
电子枪发射的电子束形状，可以是空心或者实心圆截面的微细束也可以是层流、片状束或线状束。
各种电子枪被广泛应用在电真空器件、电子显微镜、电子束光刻机、电子束蒸发台等设备上。
按电子柬束流大小划分，束流在微安量级的属于弱流电子枪，束流在毫安到安培量级的属于强流电子枪。
通常电子束光刻机的电子枪属于弱流电子枪。
电子枪按灯丝引出电子的方式可以分为热游离式电子枪和场致发射电子枪。
热游离式电子枪是利用高温使电子获得足够的能量，去克服电子枪的功函数能障而逃离出金属表面。
有钨灯丝和六硼化钢灯丝两种类型，钨丝加热温度是2800K，六翻化钢加热温度是1900K。
当在真空下的金属表面受到一定强度的电场作用，将产生隧穿效应，会有数量可观的电子发射出来，即场发射现象国。
场发射电子是从很尖锐的阴极尖端所发射出来的，因此可以得到极细而又具有高密度的电子束，其亮度可达到热游离电子枪的数百倍，甚至上千倍。
场致发射电子枪又分为冷场发射电子枪和热场发射电子枪。
泠场发射电子枪工作温度是300K，最大的优点是电子束的直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优，能量分布最小。
为避免针尖被外来气体吸附而降低场发射电流并使发射电流不稳定，泠场发射式电子枪必须要在10×10－TTorr的真空度下操作。
虽然如此还是需要定时短暂加热针尖至2500K（Flashing），以去除所吸附的气体原子。
它的缺点是发射的总电流最小，发射电流不稳定。
热场发射电子枪也叫肖特基电子枪是集场致发射电子枪与热游离电子枪的特点于一体。
靠热及尖端表面极强的电场强度两种方式来发射电子。
在1800K温度下工作明避免了大部分的气体分子吸附在针尖表面。
它是在钨单品上加氧化错涂覆层（如图1所示），这样可以使W（100）品面的功函数从4.5EV降到2.8EV，从而大大降低了场发射所需的电场强度网。
其发射电流稳定度好，而且发射的总电流也大，电子的能量分布很小，稍逊于冷场发射式电子枪。
影像分率比冷场发射式稍差，电子束光刻机要求电子枪灯丝不仅要有非常好的参数性能，更重要的是要有非常好的电流稳定性。
冷场发射式电子枪由于电流不稳定，因此虽然各项参数非常出色，但是不适合电子束光刻机。
早期的电子束光刻机使用的是热游离式电子枪，随着热场发射式电子枪的发展，现在的电子束光刻机一般使用的是热场发射式电子枪。
热场发射电子枪的结构和原理
热场发射电子枪的电子发射通过加热和电场两种方式，但电场起主导作用。
主要应用在电子束光刻机、高端扫描电镜等领域。
热场发射电子枪的结构如图２所示：主要包含灯丝、抑制极、提取极、聚焦极、阳极等。
灯丝：也称阴极，作用是提供电子，通常处于阴极电位（负高压）。
抑制极：作用是抑制电子的发射和发散发射，保证电子的成束发射。
提取极：也称第一阳极，作用是产生强电场使电子能突破势能壁垒发射出来。
聚焦极：作用是对电子进行初步会聚，使其能量集中，使电子以电子束的形态发出电子枪间。
阳极：也称第二阳极，通常是地电位，作用是将电子枪发出的电子束进行加速。
电子枪各参数对电子束光刻机束流的影响分析
电子束光刻机的束流是指从电子枪发射出来的电子柬经过电子枪内聚焦极的会聚、对中模块的偏转对中、多级透镜的会聚、光阑的会聚、偏转模块的偏转，最终到达基片上的束流。
通常束流的大小是通过安装在Ｔ件台上的法拉第杯来检测的。
提取极电流指 的是通过提取极加的电场和灯丝加热激发出来的电子束束流。
提取极电流再经过电子光学系统后，最终到达基片表面，此时的束流称为电子束光刻机的束流。
提取极电流是电子束束流形成的来源，因此本节后面讨论的电子枪各参数与束流的关系，是与提取极电流的关系。
提取极电流是电子束光刻机的电子枪的一个重要的参数。
由于电子束光刻机在进行工艺时要求非常稳定的束流，因此在进行电子枪调校时，需要通过调节使得提取极电流能稳定在某个要求的范围内。
一般电子束光刻机要求的范围是100-150UA要求的波动率是＋１％／ｈ。
提取极电流近似等于电子枪灯丝发出的发射电流在热场发射的条件下，电子枪灯丝发射电流为：
灯丝电流的作用是对灯丝进行加热，它的大小决定了灯丝温度Ｔ的大小。
从式（1）可以得出，温度Ｔ越高，灯丝发射的电流越大，因此，调节灯丝电流可以控制灯丝的发射电流。
热场发射灯丝在出厂时通常有一个灯丝电流的范围值，一般新灯丝的电流需要设置在最低值，如果发射电流不够可以逐渐增加灯丝电流。
但是当增大到灯丝出厂时规定的最大电流值，灯丝发射电流依然无法满足要求，说明灯丝的氧化错已耗尽，需要更换灯丝了。
通过调节灯丝电流能显若影响提取极电流大小。
实验表明：灯丝电流对提取极电流的影响是一个缓慢的过程，当提取极电流不稳定，呈上升或下降趋势时，可以通过增加或减小灯丝电流来使提取极电流稳定。
电子束光刻机的束斑大小直接影响了电子束光刻机的分辨率。
实验表明：电子束光刻工艺加工的最小特征尺寸一般是所用束斑尺寸的两倍以上。
束斑还影响加工后图形的形貌特征，另外大的束斑会导致严重的邻近效应，也影响了电子束光刻的工艺质量。
束斑大小受光阑、电子透镜、消像散器等影响，在其他条件确定的情况下，束斑大小和束流是正相美的。
束流越大，束斑越大，反之亦然。
经过实验，某型号电子束光刻机在80KW加速电压下束斑与束流的关系如图3所示。
阴极电压对电子束起加速作用，阴极电压高，产生的电子束能量高。
高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。
高能量的电子束产生的前散射电子比较小（如图4所示）。
工艺应用实验结果
通过电子枪各参数对束流的影响分析，束流、束斑对工艺质量的影响分析，以及阴极电压对工艺质量的影响分析研究，掌握了电子枪参数的调校及其对光刻工艺的影响，以此来指导产品工艺加工。
可以根据不同光刻胶类型，不同设计加工要求，经过调校电了光学系统各参数，使电子束能量、束斑和曝光剂量，满足各种光刻工艺的需要。
在本文研究成果指导下，通过优化设备参数，可以获得不同的光刻加工图形，如图5和图6所示。
两张图片是在FIB设备上切开之后的胶口形貌图。
图5为梯形的胶口形貌，适用于下步为蒸发剥离的工艺：图6为垂直的胶口形貌，适用于下步为刻蚀或者腐蚀的工艺，两种图形在光刻工艺中有不同的应用。
其中图5中胶口形貌的加工一般需要经过复杂的工艺来实现。
经过本文的研究，可以通过调整选择电 子枪的参数，用电子束光刻工艺直接实现图5或图6所示胶口形貌的制备。
结论
本文介绍了电子枪灯丝的类型、特点以及应用，详细介绍了热场发射电子枪的结构、原理、特点和应用。
分析了热场发射电子枪各个参数对电子束光刻机束流的影响，进而分析了热场发射电子枪的调校对电子束光刻工艺的影响，并通过工艺实验结果进行验证。
热场发射电子枪因其优秀的电子光学性能，稳定的发射电流，目前广泛应用于电子束光刻机扫描电镜等设备。
随着研究的深入，热场发射电子枪的应用会越来越广泛。
参考文献
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TEM测试（透射电镜）基础知识——热阴极电子枪和场发射电子枪
TEM(透射电镜)热阴极电子枪和场发射电子枪。
大家好，这里是中材检测科普讲堂。
·一、热电子发射型的热阴极三极电子枪。
→1.阴极：灯丝(钨、六硼化镧)。
→2.栅极：控制极，使电子束强烈会聚成实际电子源。
→3.阳极：中央带小孔的金属板接地(给电子加速)。
→4.电子束交叉点：为了提高照明亮度，随后发明了电子逸出功小的六硼化镧作阴极，它比钨丝阴极的亮度高1~2数量级，而且使用寿命增长。
·二、场发射电子枪(FEG)。
→FEG是目前亮度最高的电子枪，场发射是在金属表面加一个强电场，金属表面的势垒就变小。由于隧穿效应，金属内部的电子穿过势垒从金属表面发射出来的这种现象。场发射枪在很多方面都比热电子枪简单，可以理解为FEG是相对于两个阳极的阴极。
→第一个阳极和尖端相比具有几千伏的正电势，产生"拔出电压"，因为它会产生强场，使电子从针尖隧穿出来，电子被第二个阳极以合适的电压加速。
→阳极产生的场使电子束产生交叉点，这个阳极控制着有效电子源的大小和位置。
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