电子束光刻（EBL）技术

什么是电子束光刻？

电子束光刻（e-beam lithography；EBL）是无掩膜光刻的一种，它利用波长极短的聚焦电子直接作用于对电子敏感的光刻胶（抗蚀剂）表面绘制形成与设计图形相符的微纳结构。 电子束光刻系统有着超高分辨率（极限尺寸＜10nm的图形转印）和灵活作图（可直写无需掩模）的优点，但因曝光效率低，控制复杂，致使电子束光刻更多应用于制作光刻掩模板、先进的原理样机和纳米级的科学研究及开发。

电子束光刻（EBL）

发展历史
电子束光刻系统的核心是聚焦电子束，而聚焦电子束的应用从20世纪初期就开始了，最早期的应用就是阴极射线管在显示器中的应用，然后在20世纪60年代出现的扫描电子显微镜的出现，扫描电子显微镜的结构已经与电子束曝光机无本质区别了。但是利用聚焦电子束曝光产生精细图形是伴随着电子束光刻胶（抗蚀剂）的出现开始的。电子束光刻的发展已经有60多年的历史了，他几乎是与光学曝光同步发展起来的，主要标志性的时间有下面几条：

• 1958年美国麻理工研究人员首次利用电子引起的碳污染形成刻蚀掩模，制作出高分辨率二维图形结构
• 早在1965年就使用电子束曝光制作100nm的结构了
• 1968年PMMA被作为电子束光刻胶使用
• 1970年使用PMMA制作出0.15um声表面波器件
• 1972年使用电子束光刻在硅表面做出横截面为60x60nm铝金属线条
  80年代，当时人们普遍认为光学曝光已经走到了尽头，电子束光刻是最有前景的替代手段，然而，30多年过去了，电子束光刻依然无法替代光学曝光。在两种光刻技术的发展方面逐渐形成了相互补充的格局，相信这种格局依旧会长期保持。
  

理论基础

光刻是利用光辐照聚合物产生的变化形成图形，光学曝光的分辨率受光波长的限制，为了提高光学曝光的分辨率，光波的选择经历了从G线到I线，深紫外，极紫外不断缩短的发展过程。

电子束本质上是带电粒子，根据波粒二象性理论，其波长为：

电子束本质上是带电粒子，根据波粒二象性理论，其波长为

由此，可知电子束加速电压越高，电子束的波长越小，这与电子束曝光系统是高电压系统或低电压系统直接相关。因此100KV的加速电压系统下的电子波长为0.12nm。这也是其高分辨率的基础保证。传统的电子束光刻使用直写模式，这也是目前电子束光刻效率比较低的重要因素，但是其优点是直写无需掩膜版，简单灵活。

电子束与紫外光一样能使一些聚合物产生化学键断裂或者交联反应，从而在显影过程中形成对应的图形，且一些紫外光刻胶本身就能当做电子束光刻胶使用，所以二者在本质上没有太大区别，为了区分，我们有时候也将电子束光刻胶叫做抗蚀剂。但是由于电子束在于物质的响作用时产生的散射会导致其作用过程比紫外光刻复杂的多。

✅ 德布罗意波长公式：
λ=h​/p

✅ 对于加速电压下的电子：

电子被加速后，其动能：

Ek=eV

e = 元电荷
VV= 加速电压（单位：V）

✅ 举例：

加速电压 VV	波长 λ\lambda
1,000 V	0.0388 nm
10,000 V	0.01226 nm
100,000 V	0.00388 nm

对于高电压（>~100kV）电子束，需要引入相对论效应

✅ 关键结论：

• 电子束的波长远小于可见光，通常在皮米（pm）级或更小，这就是电子显微镜、电子束光刻能达到纳米甚至亚纳米分辨率的物理基础。
• 波长随加速电压增高而减小。