一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统

本发明涉及半导体集成电路直写制备领域，具体涉及一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统。

背景技术：

目前，光刻是实现纳米制备的主要途径。光刻的特征尺度主要受限于光源的波长，通过光刻实现十纳米级尺度制备相对困难。一般的电子束和离子束光刻具有以下特点：制备线宽可达几纳米级；具有一个尺寸十分有限的写场(约100微米)；如需制备大面积纳米尺度图案，需要手动或通过步进电机带动样品移动，逐一写场进行制备；不同写场之间具有较大的拼接误差。

现有的电子束光刻机主要包括电子发射枪、约束孔径、多个约束磁块、磁场偏转线圈、偏转电场产生装置、光刻掩膜和晶圆放置台。该电子束光刻机在晶圆放置台和电子发生装置之间设置有光刻掩膜，阻挡了不在光刻图案路径上的电子束，可有效增加光刻精度；设置有双重的电子路径约束设施，使得电子的通过路径上即有偏转电场，又有偏转磁场，可以更精确的控制电子的方向。

上述电子束光刻机在以下缺陷：1)需要光刻掩膜，制备成本较高；2)无法进行原位测量；3)写场较小，难以实现大面积制备；4)不同写场制备过程中存在拼接误差。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电子束/离子束和纳米精度柔性伺服运动平台系统协同制备、在协同运动(联动)范围内无拼接误差、直写制备的扫描电镜光刻系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统，包括电子室、离子室、样品室和控制系统；所述电子室包括电子室腔体、电子枪、阳极、电子束阻断器、电磁透镜和电子束偏转线圈；所述电子室与所述样品室固定连接；所述离子室包括离子室腔体、离子源、抑制电极、引出电极、第一级透镜、离子束快门编辑器、离子束快门阻挡膜孔、第二级透镜和离子束扫描偏转电极；所述离子室与所述样品室固定连接；所述样品室包括样品室腔体、次级电子探测器、纳米精度柔性伺服运动平台系统、样品、伸缩送料机构、抽真空装置和基座；所述控制系统包括计算机、电子束扫描控制器、电子束阻断器控制器、离子束扫描控制器、离子束快门控制器和柔性平台执行单元驱动器；所述基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统包含两种模式，即制备模式和原位检测模式，所述计算机控制两种模式的切换；在制备模式下，所述电子束偏转线圈通过电流使所述电子枪产生的电子束发生偏转实现扫描，或所述离子束扫描偏转电极通过电流使所述离子源产生的离子束发生偏转实现扫描，所述纳米精度柔性伺服运动平台系统带动所述样品实现运动，通过所述计算机绘制或导入制备图形，所述计算机将图形智能分配到所述电子束偏转线圈/离子束扫描偏转电极和所述纳米精度柔性伺服运动平台系统作为运动子系统的参考轨迹，二者协同运动(联动)实现无拼接直写纳米制备；在检测模式下，所述电子束偏转线圈通过电流使电子束扫描样品表面，次级电子探测器可探测经样品表面反射的电子，将其成像于所述计算机中，实现原位制备与检测。

其中，所述电子枪、所述阳极、所述电子束阻断器、所述电磁透镜和所述电子束偏转线圈位于所述电子室腔体内部且由上到下依次排列；所述电子枪发射的电子依次穿过所述阳极、所述电子束阻断器、所述电磁透镜和所述电子束偏转线圈的所在区域，最终与所述样品发生作用；所述离子源、所述抑制电极、所述引出电极、所述第一级透镜、所述离子束快门编辑器、所述离子束快门阻挡膜孔、所述第二级透镜和所述离子束扫描偏转电极位于所述离子室腔体内部且由上到下依次排列；所述离子源产生的离子依次穿过所述离子源、所述抑制电极、所述引出电极、所述第一级透镜、所述离子束快门编辑器、所述离子束快门阻挡膜孔、所述第二级透镜和所述离子束扫描偏转电极的所在区域，最终与所述样品发生作用。

其中，所述电子束偏转线圈包含至少两对线圈，所述离子束扫描偏转电极包含至少两对电极，用于实现平面x方向和y方向的扫描。

其中，所述电子束扫描控制器的第一端与所述计算机连接，用于接收所述计算机发出的指令，所述电子束扫描控制器的第二端与所述电子束偏转线圈连接，用于控制电子束的偏转；所述电子束阻断器控制器的第一端与所述计算机连接，用于接收所述计算机发出的指令，所述电子束阻断器控制器的第二端与所述电子束阻断器连接，用于控制电子束的通断。

其中，所述离子束扫描控制器的第一端与所述计算机连接，用于接收所述计算机发出的指令，所述离子束扫描控制器的第二端与所述离子束扫描偏转电极连接，用于控制离子束的偏转；所述离子束快门控制器的第一端与所述计算机连接，用于接收所述计算机发出的指令，所述离子束快门控制器的第二端与所述离子束快门编辑器连接，用于控制离子束的通断。

其中，所述柔性平台执行单元驱动器的第一端与所述计算机连接，用于接收所述计算机发出的指令，所述柔性平台执行单元驱动器的第二端与所述纳米精度柔性伺服运动平台系统中的执行单元连接，用于驱动柔性平台进行扫描运动。

其中，所述纳米精度柔性伺服运动平台系统为基于板簧音圈电机驱动的纳米精度柔性伺服运动平台系统，包括纳米精度柔性运动平台、音圈电机线圈、音圈电机线圈支架、音圈电机动磁、音圈电机动磁支架；所述音圈电机线圈支架的第一端与所述音圈电机线圈连接，所述音圈电机线圈支架的第二端与所述基座连接；所述音圈电机动磁支架的第一端与所述音圈电机动磁连接，所述音圈电机动磁支架的第二端与所述纳米精度柔性运动平台的运动端连接。

其中，所述音圈电机动磁和所述音圈电机线圈之间通过电机隔热防护罩分隔，所述音圈电机动磁位于所述样品室腔体内部，所述音圈电机线圈位于所述样品室腔体外部。

其中，还包括激光干涉仪，用于反馈纳米精度柔性运动平台的实际位移，以实现闭环反馈控制。

其中，还包括探视窗，所述探视窗设于所述样品室腔体上，用于观测所述样品室腔体内部状态。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统，通过电子室、离子室、样品室和控制系统构成直写光刻系统。其中，电子室产生的电子束和离子室产生的离子束均可进行直写纳米制备，样品室中的纳米精度柔性运动平台可与电子束/离子束协同运动(联动)，从而避免了直写制备中拼接误差的产生，可实现大面积无拼接误差的纳米直写光刻制备。另外，该系统可在制备过程中进行原位检测，便于实时观察制备结果。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统的结构示意图；

图2为本发明一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统的局部剖视图；

图3为本发明一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统的电子室和离子室部分剖视图；

图4为本发明一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统的纳米精度柔性运动平台和电机部分剖视图；

附图标记说明

100-电子室；200-样品室；300-离子室；101-电子室腔体；102-电子枪；103-阳极；104-电子束阻断器；105-电磁透镜；106-电子束偏转线圈；201-样品室腔体；202-次级电子探测器；203-纳米精度柔性运动平台；204-探视窗；205-基座；206-样品；207-音圈电机线圈支架；208-音圈电机动磁支架；209-音圈电机线圈；210-音圈电机动磁；211-电机隔热防护罩；212-伸缩送料机构；301-离子室腔体、302-离子源、303-抑制电极、304-引出电极、305-第一级透镜、306-离子束快门编辑器、307-离子束快门阻挡膜孔、308-第二级透镜；309-离子束扫描偏转电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1-4所示，为本实施例提供的一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统，包括电子室100、离子室300、样品室200和控制系统。

电子室100包括电子室腔体101、电子枪102、阳极103、电子束阻断器104、电磁透镜105和电子束偏转线圈106；电子室100与样品室200固定连接；离子室300包括离子室腔体301、离子源302、抑制电极303、引出电极304、第一级透镜305、离子束快门编辑器306、离子束快门阻挡膜孔307、第二级透镜308和离子束扫描偏转电极309；离子室300与样品室200固定连接；样品室200包括样品室腔体201、次级电子探测器202、纳米精度柔性伺服运动平台系统、样品206、伸缩送料机构212、抽真空装置和基座205；控制系统包括计算机、电子束扫描控制器、电子束阻断器控制器、离子束扫描控制器、离子束快门控制器和柔性平台执行单元驱动器。

本实施例中，基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统包含两种模式，即制备模式和原位检测模式，计算机控制两种模式的切换；在制备模式下，电子束偏转线圈106通过电流使电子枪102产生的电子束发生偏转实现扫描，或离子束扫描偏转电极309通过电流使离子源302产生的离子束发生偏转实现扫描，纳米精度柔性伺服运动平台系统带动样品206实现运动。计算机绘制或导入制备图形，计算机将图形智能分配到电子束偏转线圈106/离子束扫描偏转电极309和纳米精度柔性伺服运动平台系统作为运动子系统的参考轨迹，二者协同运动(联动)实现无拼接直写纳米制备；在检测模式下，电子束偏转线圈106通过电流使电子束扫描样品206表面，次级电子探测器202可探测经样品206表面反射的电子，将其成像于计算机中，实现原位制备与检测。

下面通过具体的过程，进一步详细的描述。

电子枪102、阳极103、电子束阻断器104、电磁透镜105和电子束偏转线圈106位于电子室腔体101内部且由上到下依次排列；电子枪102发射的电子依次穿过阳极103、电子束阻断器104、电磁透镜105和电子束偏转线圈106的所在区域，最终与样品206发生作用；离子源302、抑制电极303、引出电极304、第一级透镜305、离子束快门编辑器306、离子束快门阻挡膜孔307、第二级透镜308和离子束扫描偏转电极309位于离子室腔体301内部且由上到下依次排列；离子源302产生的离子依次穿过离子源302、抑制电极303、引出电极304、第一级透镜305、离子束快门编辑器306、离子束快门阻挡膜孔307、第二级透镜308和离子束扫描偏转电极309的所在区域，最终与样品206发生作用。

本实施例中，电子束偏转线圈106包含至少两对线圈，离子束扫描偏转电极309包含至少两对电极，用于实现平面x方向和y方向的扫描。

进一步的，电子束扫描控制器的第一端与计算机连接，用于接收计算机发出的指令，电子束扫描控制器的第二端与电子束偏转线圈106连接，用于控制电子束的偏转；电子束阻断器控制器的第一端与计算机连接，用于接收计算机发出的指令，电子束阻断器控制器的第二端与电子束阻断器104连接，用于控制电子束的通断。

进一步的，离子束扫描控制器的第一端与计算机连接，用于接收计算机发出的指令，离子束扫描控制器的第二端与离子束扫描偏转电极309连接，用于控制离子束的偏转；离子束快门控制器的第一端与计算机连接，用于接收计算机发出的指令，离子束快门控制器的第二端与离子束快门编辑器306连接，用于控制离子束的通断。

进一步的，柔性平台执行单元驱动器的第一端与计算机连接，用于接收计算机发出的指令，柔性平台执行单元驱动器的第二端与纳米精度柔性伺服运动平台系统中的执行单元连接，用于驱动柔性平台进行扫描运动。

具体的，本实施例中，纳米精度柔性伺服运动平台系统为基于板簧音圈电机驱动的纳米精度柔性伺服运动平台系统，包括纳米精度柔性运动平台203、音圈电机线圈209、音圈电机线圈支架207、音圈电机动磁210、音圈电机动磁支架208；音圈电机线圈支架207的第一端与音圈电机线圈209连接，音圈电机线圈支架207的第二端与基座205连接；音圈电机动磁支架208的第一端与音圈电机动磁210连接，音圈电机动磁支架208的第二端与纳米精度柔性运动平台203的运动端连接。

优选的，音圈电机动磁210和音圈电机线圈209之间通过电机隔热防护罩211分隔，音圈电机动磁210位于样品室腔体201内部，音圈电机线圈209位于样品室腔体201外部。

具体的，本实施例中，计算机控制电子束偏转线圈106和纳米精度柔性运动平台203协同运动(联动)，可实现大面积无拼接误差的纳米直写制备。

进一步的，在制备结束后，计算机控制电子束偏转线圈106使电子束进行扫描运动，可对制备后的样品206实现原位检测。

本实施例提供一种基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统，通过电子室、离子室、样品室和控制系统构成直写光刻系统。其中，电子室产生的电子束和离子室产生的离子束均可进行直写纳米制备，样品室中的纳米精度柔性运动平台可与电子束/离子束协同运动(联动)，从而避免了直写制备中拼接误差的产生，可实现大面积无拼接误差的纳米直写光刻制备。另外，本实施例提供的基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统对制备后的样品进行原位检测，便于观察制备结果。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

进一步的，还包括激光干涉仪，用于反馈纳米精度柔性运动平台的实际位移，以实现闭环反馈控制。

进一步的，还包括探视窗，探视窗设于样品室腔体上，用于观测样品室腔体内部状态。

本实施例中，本实施例提供的基于柔性纳米伺服运动系统的扫描电镜直写光刻系统可以使用离子束制备的同时，通过电子束对制备结果进行实时检测，具体制备与检测方式如下：

计算机控制离子束扫描偏转电极309和纳米精度柔性运动平台203协同运动(联动)，以实现大面积无拼接误差的纳米直写制备。与此同时，计算机控制电子束偏转线圈106对样品206进行高速扫描，通过次级电子探测器202采集经样品表面反射的次级电子进行成像，以实时观测直写光刻制备结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。