电子束光刻（EBL）是一种无需掩模的直接写入式光刻技术，其工作原理是通过聚焦电子束在电子敏感光刻胶表面进行纳米级图案直写。该技术具有两大显著优势：一是具备超高的图形分辨率（可实现<10nm的极限特征尺寸），二是支持灵活的无掩模图形设计。然而，由于存在曝光效率较低、系统控制复杂等局限性，电子束光刻目前主要应用于三个领域：光刻掩模版的制作、先进原理样机的开发，以及纳米尺度的科学研究与器件研制。这种技术特别适合小批量、高精度的微纳结构加工需求。

发展历史

电子束光刻（EBL）的发展历程可追溯至20世纪初期聚焦电子束技术的起源。其技术演进与光学光刻几乎同步，但两者最终形成了互补并存的格局

技术雏形阶段

​早期的聚焦电子束技术应用于阴极射线管（CRT）显示器，而1960年代扫描电子显微镜（SEM）的出现奠定了电子束曝光机的基本结构框架。然而，真正的电子束光刻技术始于电子束敏感抗蚀剂的开发。

关键突破时期（1950s–1970s）​​

1958年：麻省理工学院研究人员首次利用电子诱导碳污染形成刻蚀掩模，实现高分辨率二维图形制备。
1965年：电子束曝光技术突破100nm结构加工。
1968年：PMMA被确立为电子束光刻胶，大幅推动图形精度提升。
1970年：采用PMMA制作出0.15μm声表面波器件。
1972年：在硅表面实现60nm×60nm横截面的铝金属线条加工。​

1980年代，电子束光刻一度被视为光学光刻的替代方案，但因其曝光效率低、成本高等固有局限，最终未能取代光学光刻。经过数十年发展，两者形成明确分工：电子束光刻专注于掩模制备、纳米级科研样机开发和小批量高精度加工，而光学光刻主导大规模集成电路生产。

理论基础

光刻技术的核心原理，是利用光辐照聚合物使其发生变化，进而形成所需图形。在光学曝光中，分辨率受到光波长的显著限制。为了突破这一限制、提高分辨率，光波的选择经历了持续缩短的发展历程，从最初的 G 线、I 线，逐步发展到深紫外，再到如今的极紫外。​

电子束从本质上来说是一种带电粒子，根据波粒二象性理论，其波长可通过特定公式计算得出。由此可知，电子束的加速电压越高，对应的电子束波长就越小，这一特性与电子束曝光系统究竟是高电压系统还是低电压系统直接相关。例如，在 100KV 的加速电压系统下，电子波长仅为 0.12nm，这也正是电子束光刻能够实现高分辨率的基础保障。不过，传统的电子束光刻采用直写模式，这一模式是目前电子束光刻效率较低的重要原因，但它也具备显著优点 —— 直写过程无需掩膜版，操作简单且灵活性强。​

和紫外光一样，电子束也能使部分聚合物发生化学键断裂或交联反应，从而在显影过程中形成相应的图形。甚至一些紫外光刻胶本身就可以当作电子束光刻胶使用，所以二者在本质上并没有太大区别。为了加以区分，我们有时会将电子束光刻胶称为抗蚀剂。然而，由于电子束在与物质相互作用时会产生散射，这使得其作用过程比紫外光刻复杂得多。

电子束曝光系统

电子束光刻技术起源于扫描电镜，它是一种基于聚焦电子束扫描原理的图形转印技术。​

电子束光刻系统的构成较为复杂，主要包含 3 个基本部件和若干辅助部件。其中，基本部件为电子枪、电子透镜和电子偏转器；辅助部件则有真空系统、工件台控制系统等。​

电子枪的作用是产生可被控制和聚焦的电子，根据工作方式的不同，通常可分为热电子源（thermionic sources）和场发射源（field emission sources）。热电子源的工作原理是，将阴极加热到足够高的温度，使阴极材料中的电子获得充足的动能，从而突破电子枪金属功函数的势垒并发射出来，形成电子束。而场发射源则是通过加强电场，让电子隧穿势垒来形成电子源。​

电子发射源出射的电子束，其聚焦和偏转过程是在电子光柱体中完成的。电子光柱体由一系列电子透镜、光阑、挡板等装置组成。具体来说，电子先通过光阑成型，接着经过电子透镜会聚成束斑，再通过偏转系统在工作台上进行曝光。

电子束曝光系统的重要指标

电子束曝光系统有多项重要指标，具体如下：​

最小束直径：它直接影响曝光图形的最小尺寸。若想获得更小的束斑直径，可通过以下措施调整：①设置尽量高的加速电压；②采用较小尺寸的光阑孔径；③采用小的工作距离；④设置小的扫描场；⑤设置小的曝光步长。​
加速电压：其数值一般在 10~100kv 之间。加速电压越高，系统的分辨率就越高，曝光产生的邻近效应也越小，同时还能够曝光更厚的抗蚀剂。​
电子束流：束流越大，曝光速度就越快，但最大曝光速度会受到扫描频率的限制，而且大束流对应的束斑也会较大。​
扫描速度：扫描速度越快，曝光速度也就越快，通常以频率来表示（例如：50MHz）。​
扫描场大小：若扫描场较大，那么曝光图形的大部分就可以在扫描场内完成曝光，从而避免因扫描场拼接而引起的误差。​

此外，还有工作台移动精度、套准精度、场拼接精度等指标也较为重要。

电子束曝光方式分类

电子束曝光方式可从不同角度进行分类，具体如下：​

按工作方式，可分为投影式曝光和直写式曝光。其中，投影式曝光需要掩模，而直写式曝光则不需要掩模。

按扫描方式，可分为光栅扫描（raster scan）和矢量扫描（vector scan）。光栅扫描采用高斯圆形束，电子束在整个扫描场里作连续逐点扫描，通过控制快门（束闸）的通断来进行图形的曝光。它的优点是控制简单，不需对偏转系统进行控制；但缺点是生产效率低，且由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成曝光。矢量扫描的优点是曝光效率高，只在有图形区域进行扫描曝光，减少了镜头在非图形区域所花费的时间，而且可采用可变矩形束；不过其缺点是控制系统复杂，因为矢量扫描必须对偏转器进行控制，不像光栅扫描那样采用固定的偏转方式。​

按电子束形状，可分为高斯束（圆形束）和变形电子束（矩形束）。在矢量扫描模式下，图形的曝光时间与束斑投射次数有关，在固定高斯束（圆形束）斑模式下，需要进行 24 次投射。​

为了加快曝光速率，可将图形分解为最小基本图形的组合，以最小基本图形作为电子束斑的形状。在这种修正束斑模式下，只需 6 次投射即可。但在实际生产过程中，图形并非一成不变，需要经常重设基本束斑形状，因此需要一种更加灵活的投射方式。一种束斑可变的模式能够应用于图形多样化的情况，如下图所示，在可变束斑模式下，电子束斑可根据具体的图形进行调整，改变束斑的基本形状，从而将投射次数减少到 3 次。

电子束光刻胶介绍

光刻胶（Photoresist，又称光致抗蚀剂）是一种耐刻蚀薄膜材料，它在紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X 射线等光源的照射或辐射下，溶解度会发生变化。​

电子束光刻胶是光刻胶的一种，通常可分为正性光刻胶和负性光刻胶，其分类依据是光刻胶在受到照射后，交联反应和化学键断裂这两种反应中哪种占主导地位。不过，光刻胶的正负特性并非绝对，例如电子束正胶 PMMA，当受到 10 倍正常曝光剂量的照射时，曝光区域的胶会发生碳化，在显影过程中会残留下来，此时它的特性就可以当作负胶来使用。​

正性光刻胶（简称正胶）的特点是，在曝光区域，光刻胶中的化学键断裂反应占主导，使得该区域的光刻胶容易溶解于显影液。​
负性光刻胶（简称负胶）则不同，在曝光区域，光刻胶中的交联反应占主导，小分子会通过交联聚合形成大分子，从而导致该区域的光刻胶难以溶解于显影液。

光刻胶的关键参数

紫外光刻胶类似，我们在选择或评价一款光刻胶在工艺中的应用时，通常会参考以下四个关键参数：灵敏度、对比度、分辨率和抗蚀刻性。​

灵敏度：光刻胶的灵敏度越高，所需的曝光剂量（照射量）就越小。其灵敏度会受到电子能力 keV（或加速电压 kV）、基底材料、工艺条件、使用的显影剂等多种因素的影响。​
对比度：高对比度的光刻胶能够获得更陡的侧壁，提供更大的加工余地，实现更好的分辨率和更高纵横比的结构，同时使其对邻近效应不太敏感，图案密度也更高。而低对比度的光刻胶仅适用于 3D 灰度光刻。​
分辨率：该参数定义了能够获得的最小特征的大小，或者两个结构之间的最小距离。​
抗刻蚀性：如果后续工艺中有刻蚀需求，应选择能在化学（湿）刻蚀和物理（干）刻蚀过程中保持自身完整特性的光刻胶。​

此外，在选择适合的光刻胶时，还需要结合光刻胶的正负特性、工艺宽容度、附着力、热流动性、膨胀效应、储存寿命等参数综合考虑。

常用的光刻胶

针对不同的应用场景，需要采用不同的光刻胶。本节主要介绍实验中常用的几种电子束光刻胶，包括正胶 PMMA、ZEP-520A、AR-P 6200（SCAR62）以及负胶 HSQ。​

PMMA（正胶）​

PMMA（poly-methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）是一种高分子聚合物，又称亚克力或有机玻璃，是目前应用最广泛的电子束光刻胶。将 5%~10% 的 PMMA 粉末与氯苯或苯甲醚（毒性较小，浓度为 2-4%）充分混合，即可制成 PMMA 光刻胶。​

它具有便宜、耐用、易操作的特点，同时拥有非常高的分辨率和对比度，但灵敏度较低，且耐干刻蚀性差（这一特性有利于剥离 lift-off 工艺，却不适合直接刻蚀的图案转移）。其灵敏度会随相对分子质量的减小而增加，PMMA 典型的相对分子质量有 495 kg/mol 和 950 kg/mol。另外，对比度和灵敏度可通过改变显影剂混合物（MIBK：IPA）中 MIBK 的比例来调控，灵敏度会随显影剂中 MIBK 比例的增加而增加，而对比度则相反。​

Zep-520A（正胶）​

Zep-520A 是最受欢迎的商用光刻胶，由日本 Nippon Zeon 开发。它是一种 PMMA 加苯环的改性胶，由 α- 氯甲基丙烯酸酯（α-chloromethacrylate）和 α- 甲基苯乙烯（α-methylstyrene）的共聚物组成，常用于替代 PMMA。​

该光刻胶具有高分辨率和高对比度，能实现 10-30nm 的图形结构，分辨率与 PMMA 相当；同时拥有比 PMMA 更高的灵敏度（为其 3~5 倍）和高抗干刻蚀性（相较 PMMA 有 5 倍以上的抗干刻蚀性能）。不过，它价格较贵，保质期为一年。需要注意的是，对于超高分辨率（亚 10nm）的需求，使用 PMMA 可能更好。此外，ZEP-520A 在曝光、显影和坚膜烘烤后不容易去除，通常采用 ZDMAC 进行去胶。​

AR-P 6200 (CSAR62) （正胶）​

AR-P 6200 (CSAR62) 具有超高分辨率（＜10nm）和高灵敏度，且灵敏度可通过选择合适的显影液来调控，同时具备高对比度（＞15）和高深宽比（可达 20:1）。​

它还具有良好的工艺稳定性和抗干刻蚀性，抗干刻蚀性是 PMMA 的 2 倍；与基片的粘着力好，不易发生脱胶和龟裂现象。但也存在一些缺点，如杨氏模量偏低，容易出现坍塌、粘连、倒覆的情况；熔点较低，会产生抗蚀剂熔融现象；图形表面易发生收缩现象。​

HSQ（负胶）​

HSQ 由 Dow Corning 开发，其成分是基于二氧化硅的无机类化合物，由甲基异丁基酮 (methylisobutylketone, MIBK) 极性溶剂中的含氢硅酸盐类 (hydrogen silsesquioxane ,HSQ) 树脂构成。​

HSQ 具有极高的分辨率（＜10nm），但灵敏度低，曝光时间长。它通过化学反应进行显影（未曝光的 HSQ 与稀释的 NH4OH 或 NaOH 显影剂反应生成 H2），而非通过溶解显影，显影后的工艺稳定性好。此外，它在电子显微镜下的观察性能好，不需要镀金，是很好的刻蚀硅的掩模材料。​

不过，HSQ 的保质期较短，存放周期只有 6 个月，而粉末状的 HSQ（H-SiOx）保质期会更长。其保存条件也较为苛刻，胶体暴露在空气中易被氧化，出现胶冻固化现象，需要在低温（5℃）下密封保存。同时，它具有极高反差，容易制备剖面陡直的高高宽比结构，属于伸缩性光刻胶，显影后线条边缘垂直度好，且粘附力好、韧性好、不容易断裂。

领近效应

电子束曝光的邻近效应，指的是当两个曝光图形距离较近时，由于电子在光刻胶和衬底中发生散射，导致电子偏离原本的入射方向。这会使得原本不应曝光的邻近区域被曝光，而一些应该曝光的区域却得不到足够的曝光量，最终造成曝光图形发生畸变，进而带来对比度降低、分辨率下降等问题。​

校正方式​

邻近效应的校正主要有三种方法：①剂量校正；②图形尺寸补偿；③背景曝光补偿。​

剂量校正是应用最普遍且效果最好的一种方法，其原理是通过人为调控，让所有曝光图形都获得均匀一致的曝光能量。剂量校正又可分为自洽技术（物理校正）和几何图形切割法。其中，自洽技术（物理校正）的校正结果比较精准，但对于大规模集成电路设计而言，计算量较大；几何图形切割法计算得到的曝光剂量分布相对粗糙，不过计算速度非常快。​

图形尺寸补偿则是通过缩小或增大每个图形的尺寸，来补偿局部能量过高或过低造成的影响，这种方法适用于简单且周期重复的图形。​

背景曝光补偿是通过二次曝光的能量叠加，使各处的能量分布达到均衡。该方法不需要计算能量分布，但可能会导致曝光图形的对比度有所下降，适用于光栅扫描曝光系统。​

此外，最简单且有效的减少邻近效应的方法是提高电子束能量和减少电子束光刻胶厚度，但需要考虑到高电子束能量可能会对基底造成损伤和导致过热的问题。

应用案例