電子束曝光系統(tǒng)（electron beam lithography, EBL）是一種利用電子束在工件面上掃描直接產(chǎn)生圖形的裝置。由于SEM、STEM及FIB的工作方式與電子束曝光機(jī)十分相近，美國(guó)JC Nabity Lithography Systems公司成功研發(fā)了基于改造商品SEM、STEM或FIB的電子束曝光裝置（Nanometer Pattern Generation System納米圖形發(fā)生系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱NPGS，又稱電子束微影系統(tǒng)）。電子束曝光技術(shù)具有可直接刻畫精細(xì)圖案的優(yōu)點(diǎn)，且高能電子束的波長(zhǎng)短（< 1 nm），可避免繞射效應(yīng)的困擾，是實(shí)驗(yàn)室制作微小納米電子元件理想選擇。相對(duì)于購(gòu)買昂貴的用電子束曝光機(jī)臺(tái)，以既有的SEM等為基礎(chǔ)，外加電子束控制系統(tǒng)，透過電腦介面控制電子顯微鏡中電子束之矢量掃描，以進(jìn)行直接刻畫圖案，在造價(jià)方面可大幅節(jié)省，且兼具原SEM 的觀測(cè)功能，在功能與價(jià)格方面均具有優(yōu)勢(shì)。由于其具有高分辨率以及低成本等特點(diǎn)，在北美研究機(jī)構(gòu)中，JC Nabity的NPGS是非常熱銷的配套于掃描電鏡的電子束微影曝光系統(tǒng)，而且它的應(yīng)用在各地越來(lái)越廣泛。
NPGS的技術(shù)目標(biāo)是提供一個(gè)功能強(qiáng)大的多樣化簡(jiǎn)易操作系統(tǒng)，結(jié)合使用市面上已有的掃描電鏡、掃描透射電鏡或聚焦離子束裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)藝術(shù)的電子束或離子束平版印刷技術(shù)。NPGS能成功滿足這個(gè)目的，得到了當(dāng)眾多用戶的強(qiáng)烈推薦和一致肯定。

一. 技術(shù)描述：
為滿足納米電子束曝光的要求，JC Nabity的NPGS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)納米圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，并采用PC機(jī)控制。PC機(jī)通過圖形發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路去驅(qū)動(dòng)SEM等儀器的掃描線圈，從而使電子束偏轉(zhuǎn)并控制束閘的通斷。通過NPGS可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行圖像采集以及掃描場(chǎng)的校正。配合精密定位的工件臺(tái)，還可以實(shí)現(xiàn)曝光場(chǎng)的拼接和套刻。利用配套軟件也可以新建或?qū)�入多種通用格式的曝光圖形。
（一） 電子源（Electron Source）
曝照所需電子束是由既有的SEM、STEM或FIB產(chǎn)生的電子束（離子束）提供。
（二） 電子束掃描控制（Beam Scanning Control）
電子射出后，受數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)伏特之加速電壓驅(qū)動(dòng)沿顯微鏡中軸向下移動(dòng)，并受中軸周圍磁透鏡（magnetic lens）作用形成聚焦電子束而對(duì)樣本表面進(jìn)行掃描與圖案刻畫。掃描方式可分為循序掃描（raster scan）與矢量掃描（vector scan）。
循序掃描是控制電子束在既定的掃描范圍內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)逐行的掃描，掃描的點(diǎn)距與行距由程式控制，而當(dāng)掃描到有微影圖案的區(qū)域時(shí)，電子束開啟進(jìn)行曝光，而當(dāng)掃描到無(wú)圖案區(qū)域時(shí)，電子束被阻斷；矢量掃描則是直接將電子束移動(dòng)到掃描范圍內(nèi)有圖案的區(qū)域后開啟電子束進(jìn)行曝光，所需時(shí)間較少。
掃描過程中，電子束的開啟與阻斷是由電子束阻斷器（beam blanker）所控制。電子束阻斷器通常安裝在磁透鏡組上方，其功效為產(chǎn)生一大偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電子束完全偏離中軸而無(wú)法到達(dá)樣本。
（三） 阻劑（光阻）
阻劑（resist）是轉(zhuǎn)移電子束曝照?qǐng)D案的媒介。阻劑通常是以薄膜形式均勻覆蓋于基材表面。高能電子束的照射會(huì)改變阻劑材料的特性，再經(jīng)過顯影（development）后，曝照（負(fù)阻劑）或未曝照（正阻劑）的區(qū)域?qū)��?huì)留在基材表面，顯出所設(shè)計(jì)的微影圖案，而后續(xù)的制程將可進(jìn)一步將此圖案轉(zhuǎn)移到阻劑以下的基材中。
PMMA（poly-methyl methacrylate）是電子束微影中很常用的正阻劑，是由單體甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate, MMA）經(jīng)聚合反應(yīng)而成。用在電子阻劑的PMMA 通常分子量在數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)之間，受電子束照射的區(qū)域PMMA 分子量將變成數(shù)百至數(shù)千，在顯影時(shí)低分子量與高分子量PMMA 溶解度的對(duì)比非常大。
負(fù)阻劑方面，多半由聚合物的單體構(gòu)成。在電子束曝照的過程中會(huì)產(chǎn)生聚合反應(yīng)形成長(zhǎng)鏈或交叉鏈結(jié)（crosslinking）聚合物，所產(chǎn)生的聚合物較不易被顯影液溶解因而在顯影后會(huì)留在基板表面形成微影圖案。目常用的負(fù)阻劑為化學(xué)倍增式阻劑（chemically amplified resist），經(jīng)電子束曝照后產(chǎn)生氫離子催化鏈結(jié)反應(yīng)，具有高解析度、高感度，且抗蝕刻性高。
（四） 基本工序
電子束微影曝光技術(shù)的基本工序與光微影曝光技術(shù)相似，從上阻、曝照到顯影，各步驟的參數(shù)（如溫度、時(shí)間等等）均有賴于使用者視需要進(jìn)行校對(duì)與調(diào)整。

二. 主要技術(shù)指標(biāo)：
型號(hào)：NPGS
細(xì)線寬（μm）：根據(jù)SEM
小束斑（μm）：根據(jù)SEM
掃描場(chǎng)：可調(diào)
加速電壓：根據(jù)SEM，一般為0-40kV
速度：5MHz（可選6MHz）
A. 硬件：
微影控制介面卡：NPGS PCI-516A High Speed Lithography Board，high resolution （0.25%）
控制電腦：Pentium IV 3.0GHz/ 512Mb RAM/ 80G HD/ Windows XP
皮可安培計(jì)：KEITHLEY 6485 Picoammeter
B. 軟件：
微影控制軟件 NPGS V9.1 for Windows2000 或 XP
圖案設(shè)計(jì)軟件 DesignCAD LT 2000 for Windows

三. 應(yīng)用簡(jiǎn)述
NPGS電鏡改裝系統(tǒng)能夠制備出具有高深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)納米線條，從而為微電子域如高精度掩模制作、微機(jī)電器件制造、新型IC研發(fā)等相關(guān)的微/納加工技術(shù)提供了新的方法。NPGS系統(tǒng)作為制作納米尺度的微小結(jié)構(gòu)與電子元件的技術(shù)平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)可與各種制程技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合。應(yīng)用范圍和域取決于客戶的現(xiàn)有資源，例如： NPGS電子束曝光系統(tǒng)可與等離子應(yīng)用技術(shù)做很有效的整合，進(jìn)行各項(xiàng)等離子制程應(yīng)用的開發(fā)研究，簡(jiǎn)述如下：
（一） 半導(dǎo)體元件制程
等離子制程已廣泛應(yīng)用于當(dāng)半導(dǎo)體元件制程，可視為電子束微影曝光技術(shù)的下游工程。例如：
（1） 等離子刻蝕（plasma etching）
（2） 等離子氣相薄膜沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD）
（3） 濺鍍（sputtering）
（二） 微機(jī)電元件制程（Semiconductor Processing）
微機(jī)電元件在制程上與傳統(tǒng)半導(dǎo)體元件制作有其差異性。就等離子相關(guān)制程而言，深刻蝕（deep etching）是主要的應(yīng)用，其目標(biāo)往往是完成深寬比達(dá)到102 等的深溝刻蝕或晶圓穿透刻蝕。而為達(dá)成高深寬比，深刻蝕采用二種氣體等離子交替的過程�？涛g完成后可輕易以氧等離子去除側(cè)壁覆蓋之高分子。在微機(jī)電元件制作上，深刻蝕可與電子束微影曝光技術(shù)密切結(jié)合。電子束微影曝光技術(shù)在圖案設(shè)計(jì)上之自由度十分符合復(fù)雜多變化的微機(jī)電元件構(gòu)圖。一旦完成圖案定義，將轉(zhuǎn)由深刻蝕技術(shù)將圖案轉(zhuǎn)移到晶圓基板。