TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3841 ~ 38 4 8   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4473          3841     Re cei v ed Se ptem ber 24, 2013; Revi se d Jan uary 3, 2014; Accept ed Ja nua ry 1 5 , 2014   Flexible Nanofabrication Equipment: E-beam  Lithography System Based on SEM      Shuhua Wei*, Lan Dai, Jing Zhang   Dep a rtment of Microel ectron ic s, Colle ge of In fo rmation En gi neer ing, North  Chin a Un iversit y  of  T e chnolog y ， N o .5 Jing yu a n zh uan g Ro ad, Sh ijin gsh an Distri c t, Beijing, Ch i n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : jsl w sh@ hotm a il.com       A b st r a ct   El e c tro n   b eam   l i t h o g r a p h y  (EBL ) i s  wi de l y  use d  in  na no scal e  de vi ce fa b r i c a t i o n   a n d  re sea r ch  due  to high r e sol u t i on and exc e l l ent  flexibility. In this paper,  nanom eter EB L system   bas ed on sc anning  electro n   micro scope (SEM)  is intro duce d .  Its  main c o mp on ents inc l ude  a  mod i fie d  SEM, a la ser   interfero m eter control l ed sta g e , a  versatil e h i gh sp ee d patt e rn ge ner ator, and a fu lly fun c tiona l an d ea sy- oper ation a l sof t w a re system. In order to exp l ain th is EBL  s ystem d e sig n  princi pl e, reali z ation  meth od, thi s   pap er mai n ly  introd uces e a c h co mp one nt’ s   desi gn  bas is, ma in struc t ures an d fun c tions. Stitchi n g   exper iments  o v erlay  exp e ri ments a n d  arb i trary sh ape   p a tterns expos ure  exper iments h a ve bee n do ne   on   this EBL syste m  b a se d on J S M-35CF SE M. The litho gr aphy r e sults d e monstrate th at the reso luti on o f   electro n  be a m  lithogr ap hy system ca n ap pr oach n a n o m et er do ma in. Thi s  kind of EBL  system b a se d on   SEM can meet  the nee d of mi cro-na nof a b ric a tion res earch  and d e si gn acti vities at flexib ili ty and low  pric e.    Ke y w ords : nanofabr ication, electr on beam   lithography syst em , pattern generator         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Electro n  be a m  lithograph y (EBL) is  wi dely used in  nano scale  d e vice fab r ication an d  resea r ch such a s  na noel e c troni cs, na n ophoto n ics, a nd na noel ect r omechani cal   system s  (NE M S)   due to nano scale resolutio n  and excell e n t flexibility  [1 , 2]. Given that the de Broglie wavele ng th   of an electro n  accele rated  to 25 keV is arou nd 0. 00 8 n m, the pract i cal re sult s of EBL techniq ue  are not influe nce d  by diffraction effect s and ultra hig h  resolution p a tterns  can b e  gene rated [ 3 ].  Hen c e th e EBL plays a n  i rre pla c ea ble  role in  nan olithography e s peci a lly in ap plicatio ns  wh ere   fast prototypi ng and n ano meter resol u tion is re qui red  [4, 5].    The re solutio n  and throu ghput of EBL depen d la rgely on the  perform an ce of the   electron be a m  lithograp hy equipme n t. Since the  first electron b e a m machine  wa s develop ed in  the late 1 960 s, vario u s  ele c tron  be am li t hogra phy  system s have  alrea d y bee n  develop ed a n d   perfe cted in the past years [6]. These inclu de co mm erci al beam  writing  syste m s, cu stom built   electron -opti c s  a nd cont rol system s,  tun neling mi cro s cop e s,  and  el ectro n  mi croscop e s that h a v e   been  modifie d  to allo w th e scan ning  coils to b e   co ntrolled  by a n  extern al source [7]. Th e  performance of commerc ial  system s in terms of resoluti on,  stability, wr iting speed  and  automation i s  excellent [8]. Howeve r, co mmercia l sy stems are con s ide r ably mo re expensive f o r   resea r ch labo ratori es  whi c h are ju st inte reste d  in the  developm ent  of technol ogi es for i nnovat ive   device s . So  a  high  pe rform ance, lo w cost and flex ible   operation EB L sy stem i s  a  goo d solutio n .  Referen c e [9]  pro p o s ed  a  simple  an d g eneral- purpo se EBL  syste m  ba sed  on  scan ning  ele c tro n   microsco py (SEM). And th ere a r e  som e  comm er cial  SEM base d  n anolitho gra p h y  system s [1 0].  In this pape r, a new EBL system is introdu ced,  whi c h is com p o s e d  of a modified SEM to allow  external  sig n a ls to  control  beam  po sitio n , a la se r  i n te rferom eter co ntrolled  sta g e ,  a versatile  h i gh   spe ed pattern  ge nerator, and a  fully  fu nction al  a nd easy-ope ratio nal softwa r e system   [11-1 3 ].  This EBL  sy stem ba sed  o n  SEM is flexible a nd lo w  co st. It has a  gre a t pote n tial to b e  u s e d  in   the nano ele c troni cs, na noo ptics a nd mo st other n anof abri c ation fiel ds.       2. Exposure  Mecha n ism of EBL   Lithography  is the  p r o c e s s of  tran sfe rri ng p a ttern s f r om  one  me dium to  an other.  Th e   EBL pro c ess  is a ch emi c al  rea c tion on  a re sist surfa c e gui ded by  electro n  bea m scannin g  a nd  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3841 – 38 48   3842 etchin g. It uses a finely focu sed b eam  of electr o n s t o  expose a radiati on  sen s itive polymer on a  wafer  surfa c e by a c cu rat e  defle ction   of the b eam  over the  wafer  su rf ace, and  sele ctively  remove s eith er exp o sed o r  no n-exp o se d re gion s of  t he resi st to  create ve ry small structu r e s  in   the resi st tha t  can   sub s eq uently be  tra n sferre d  to   the sub s trate material. Re sists suita b le  f o r  EBL are vario u s such as P MMA, HSQ a nd ZEP-52 0. These ele c tro n  beam resi st s have differe nt  perfo rman ce  to  be cho s en  in  differe nt  ap plicatio ns. F o r exampl e, PMMA  re sist can  be used with   a 3nm 1 0 0 k e V  electron b e a m to fabri c a t e 20nm  re so lution un expo sed  gap s b e twee n expo se d  lines [14]. HS Q is a  ne gative resi st  that i s   cap able  of f o rmin g  sub - 3 0  nm  line s  i n   very thin l a ye rs,   but is itself si milar to porous, hydrogenated SiO2 . It may be used to etch  silicon but not  silicon  dioxide o r  oth e r  similar diel ectri cs. ZEP - 520 i s   a p opu lar ele c tron b eam resi st, a nd can fab r i c ate  a pitch  re sol u tion limit of  60nm  stru ct ure i ndep end ent of thickn ess an d be a m  ene rgy [1 5].  Electro n s a r e focused  usin g el ectrostatic  o r   magneto s tati c le nses.  T he el ect r on s are  accele rated a t  voltages a s  high a s  100  keV. For th is reason, the el ectro n  be am diamete r  is n o t   diffraction  limi t ed sin c e  the  wavele ngth o f  the ele c tron s which a r e a c celerated  at voltages  of 3 0 – 100  keV i s  on  the orde r of fractio n s of an  ang stro m  [16 ]. It can be  se en that the  work pri n ci ple  of   EBL tech niqu e is familia r  with the  Scan ning  ele c tron  microsco pe (SEM).  So we   ca n extend  t h e   SEM function  to lithograph y while  ke epi ng the SEM’ s  o r igin al sca nning fu nctio n  intact to  form   the EBL system.      3. Main Componen t s of E B L Sy stem  A typical sch ematic of this EBL syste m  bas e d  on SEM is sho w n in figure 1. System  element s co nsi s t of the  electron source or  cathod e to generat e electron b eam; the be am   blan ker to  ke ep the  el ectro n  be am  away from  t he  sa m p le  su rface  when th e  stag e  is moving;   t h e   apertu re s to further  confin e the beam;  the magnet i c  defle ctor t o  deflect the  beam alo n g  a  pred etermi ne d path on the  wafer  surfa c e; the mark  d e tection to de tect se con d a r y electron s a n d   backscattere d ele c tro n s; t he em bed de d preci s io n  stage to  reali z e sca nnin g  fi eld  stitchin g;  the   nanom eter p a ttern gen era t or to transfe r patterns  a n d  control b eam  blanke r ; and  the EBL control  softwa r e. Thi s  ki nd of EB L syste m  ba sed on SEM  i s  inexp e n s ive, easy to  op erate, a nd h a s a   good  pro s p e c t in micro - n anofab ricatio n  appli c ation .  As follow,  some i m po rtant com pon e n ts  whi c h are essential for this  ki nd EBL sy stem will be introduced.           Figure 1. The  Schemati c  of EBL System  Based o n  SEM      3.1. Thermal Field Emission SEM  The SEM i s  employe d  i n  ele c tro n   b eam fo cu sin g , astig m atic co rrectio n  a nd  setting   lithogra phy field si ze. The  electron -opti c al perfo rm an ce ha s a di re ct effect on th e re solution a nd  stability of the EBL  system, so the  suit able SEM  must be chosen.  Lower  resolution sy stems  can  use th ermi on ic source s,  which  are  u s u a lly form ed f r om LaB6.  Howeve r, sy stems  with hi g her   resolution  req u irem ents n e ed to use fiel d electron  em issi on s our ce s,  su ch  a s  he ated W/ZrO2  for  lowe r e n e r gy  sp rea d  a nd  enha nced  bri ghtne ss [13]. After an alysi s  a nd  com p a r iso n , we fou n d   that the thermal field em issi on SEMs were p r ef erred ove r   col d  field emi s sion source s  fo r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Flexibl e  Na no fabrication Eq uipm ent: E-beam  Li thogra phy System  Based o n  SEM (Shuhu a Wei)  3843 stabili zing total electron b eam cu rrent, maximi zing  prob e cu rrent  and red u ci n g  electron be am  noise, a s   we ll as in  se nsi t ivity to the environ ment.  The  main  fu nction  of SE M is to  p r od uce  electron b e a m , focus  on e l ectro n  be am  and  contro l el ectro n  be am  on and  off to reali z e el ectron  beam sca nni ng.    3.2. Laser Interfer ometer Con t rolled Stage   The  po sitioni ng a c curacy   of SEM sta g e  is  usually in  range  of 1 - 5 m , and  mobile  ra nge  is limited. Ho wever,  writin g t he entire wafer  req u ire s  a la rge  n u m ber of the  stage tran slat ions  that  incl ude s accele ration, deceler ation, settling ope ra tions.  So  it  ca n’t meet the  requireme nts  of   EBL scan nin g  field  stitching [17]. In  o r de r to  a c hie v e high  a c cura cy of fiel d stitching,  th e   pre c isi on l a ser inte rferom eter  cont roll ed  stage  is nee ded. It  is  comp osed  of work  st age   machi n e r y structure, laser  interferomete r  me a s u r eme n t system, XY positionin g  control syste m ,  CCD alig nm ent system  and auto m atic tran sm issi on tabl et control system. The  lase r  interferomete r  me asureme n t syste m  a n d  XY po siti on ing cont rol sy stem co nstitu te  a clo s ed   lo op  measurement  cont rol  syste m , whi c h  can  locate  t he  stage in th e target location.  CCD ali gnme n t   system  is u s e d  to m a ke th e  sili con  wafer  in the   depth  o f  focu s  of ele c troni c opti c al  syste m , to  g e t  the be st exp o su re effe ct. Positionin g  is cont rolled  by a DM C-184 2  motion control ca rd. Spe c ial  control com m and s a r e  download ed  to flash  m e mory to i m prove th e  stage  po sitioning   perfo rman ce   in de aling  wit h  a c celeratio n  an d d e cele ration. T he  st age i s   de sign ed  comp actly  to   fit in the small chamb e r of the SEM ．     3.3. Nanome t er Pattern  G e nera tor   The p a ttern  gene rato r is  the key  com pone nt of m a kin g  u s e of  SEM to asse mble th e   EBL system.  The main f unctio n s of  pattern g ene rator a r e to  interp ret dat a pro duced  by  a   softwa r e p a ckag e and  co ntrol be am  deflectio n an d beam bl an king  coil s of  SEM for high  resolution  lithogra phy. Fig u re  2 sho w s  a blo c k di ag ram of the  hardwa r e  stru ctu r e of the  patt e rn   gene rato r.  It con s i s ts of  o peratio n co ntrol uni t, digit a l-to-anal og  conve r ter (DAC)  unit, im age   acq u isitio n un it, blanking  co ntrol unit, and  some othe rs [11].          Figure 2. Block  Diag ram o f  the Pattern Gene rato r Ha rdware Struct ure                         3.3.1. Opera t ion Contr o l Unit  The patte rn s to be expo sed  are  bro k en do wn int o  a serie s  o f  exposu r e p o ints by   operation  con t rol unit. A growin g num be r of impo rt ant  application s , su ch a s  opto - ele c tro n ic a n d   diffractive opt ical devices,  requi re smoo th curved sh ape s. The pa ttern gene rat o r req u ires hi gh   spe ed a nd  hi gh a c curacy  in the transl a tion of patte rn data to  sh ot data. So t he digital  si g n a l   pro c e s sor (DSP) is empl o y ed in th e o p e ration   control unit. In  thi s   system, th e  TMS32 0 C67 1 3   200-MHz  DS P is em ploye d  to interpret  circle s,  ri ngs and ot her  complex  curve d  sh ape s. Th is  DSP ha s  po werful  comp uting  cap abili ty, which  ca n complete   32 float  of  multiplicatio n  and  division ope rations du ring 80  cl ock cycl es.  Fig u re   3  shows the  con f iguration  of o peratio n  cont rol  unit. It also con s i s ts of complex programmabl e  log i c device (CPLD) to impl ement extern al  circuit, FLAS H mem o ry t o  sto r e p r o c edures,  syn c hron ou s dyn a mic  ran dom  acce ss  me mory  (SDRAM) to store d a ta, universal se ria l  bus (U SB ) interface, power su pply and  other eleme n ts.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3841 – 38 48   3844 The USB2.0 i n terface is u s ed to re solve  data tran sfer  bottlene cks, who s e  spe e d  of transfe r d a ta  to compute r   can b e  up to 20 Mbp s . Th erefo r e,  circle s, ring s and  other  compl e x curved  sha pes  can b e  interp reted with a very high spee d.     3.3.2. Scanning Unit  The  co re  co mpone nt of  scan ning  unit i s  di gital-to-an a log  conve r te r (DACs). Th e pattern  gene rato r se nds a st ream  of coordinate s  to the DA Cs, whi c h co nverts patte rn d i gital informat ion  to voltage to drive the d e flection  coil s a nd cau s e the  beam to trace  a sh ape. Me anwhile, in o r der  to implem ent  pattern  ove r lay and  field s   stitchin g, the g a in, offset, rotation  e rro rs of  scan ning  field, and wo rksta ge po sitio n  errors ne ed  to be  corre c t ed. The sca n n ing unit is  controlle d by two   set of 16-bit DACs. Either set of DACs includ es one main DA C and three mult iplicative DA Cs.  The  main DAC  re ceive s  pattern coo r d i nates,  an d three m u ltiplicative DACs receive the  g a in,  offset, rotatio n  an d  stage   positio n  correction s . T he  scanni ng  unit  ca n al so  ge nerate  bla n ki ng   sign als to  co ntrol b eam bl anki ng  coil s. The mai n  DA C u s ed i n  the  pattern  gen e r ator i s  A D 66 9,   whi c h is hi gh  resolution 1 6 -bit analog -to-digital  co nverter (A/D) a nd  has 6 5 ,536 bi nary co de s. In  this system 6 4 ,000 bina ry cod e s form 0x2FF to  0xFCFF are use d . The satu ra ted mode of main   DAC can be  avoided through thi s  me thod. Furthe rmore, the st ep si ze can  be minimi zed  to   1.25nm, a nd  highe r patte rn accu ra cy can be  achiev ed. The  wo rk state of mai n  DA C is volt age   mode, wh ose input is 16 -bit shift bin a ry co d e s a nd output is ±5v. When  output voltag e is  cha nge d duri ng full scale,  the establi s h m ent time of main DA C is 6 μ s, and the  freque ncy can   rea c h 1M Hz. This can  sufficiently me et SEM  operating freq uen cy, and exp o su re rate can  achi eve the maximum.    3.3.3. Image Acquisi tion Unit  In ord e r to  co rre ct  scannin g  field di storti on,  sta nda rd i m age m u st fi rstly be a c q u ired. The   function  of i m age  acqui si tion unit i s  t o  sca n  ma rks a nd  stan da rd  che s s g r a phics to  a c q u ire  image i n form ation. The  m a in  comp one nt is  DAC.  I n  this sy ste m  we  choo se AD9 220  D/A  conve r ter. Acquire d data a ppea rs o n  the data bus a fter four trigg e r clo c k, so the initially four  times data a c qui sition h a s  no si gnifica nce a nd do n o t need to b e  saved. Fro m  the fifth trigger  clo ck, a c q u ired data  rep r ese n t the re al image  inf o rmatio n. Th ese  data a r e  conve r ted from  analo g   sign al  of ima ge i n fo rmation  colle cted  by  sen s or to  data  si g nal by  D/A  co nverter.  They  are   transfe rred to  compute r  by USB2.0 interf ace a nd di spl a yed on the scre en.     3.4. Soft w a r e  Sy stem  The EBL syst em is so com p licate d  and  sop h is ti cated,  which n eed s a fully functional and  easy-ope ratio nal  softwa r e   system  to e n s ure it  ru n correc t ly. The  main func tions  of the  s o ftware  system  in clud e initiali zing  the  system, g enerating exp o su re  data,  d e tecting  the  status of  sy ste m   comp one nts,  co rrectin g  t he  scanni ng  field,  tra n sf erri ng  expo sure  data  an d  pa ramete rs, and  controlling th e exposure  pro c e ss. Accordin g to  the s e fun c tional  requi reme nt s, the softwa r e  system ha s been de sign ed  three  m o dule s :  expo su re l a yout p r oce s sing fu n c tional  mod u l e ,   alignme n t co ntrol functio n a l module, a nd expos ure  control fun c tional modul e. The software  system i s  dev elope d ba sed  on Visual  C++6.0 devel op ment enviro n m ent [12].    3.4.1. Expos ure La y out Proces sing M odule   The m a in  pu rpose of  expo sure l a yout p r oc essin g  m o dule i s  to  ge nerate  expo sure  data   format (E DF )  files. The E D F file is  one  o f  our  cu stom f ile format s  which i s   easily  recogni ze d a n d   received. It stores  eno ugh  information  for the  expo sure of one  compl e te sh ape. It conta i ns  scanni ng field  information,  a control wo rd whi c h sp e c ifies the geom etric cl as s of primitive sh a pe,  geomet ry informatio n of p r imitive sha p e s (su c h  as  vertex  coo r di nates hei ght and width,  ce nter  coo r din a tes a nd  ra diu s ),  ex posure do se of  prim itive shape s [18]. EDF files  ca n  be a c compli shed  by two pro c e s ses, on e of whi c h is exp o su re  layout  desi gn, and  anothe r is format conve r si on.  Variou s layou t s includi ng li ne, polyline, rectan gle,  circl e , ellipse, rin g , secto r  and  polygon can  be   desi gne d di re ctly by drawi ng an d e d itin g figures.  An other  way of  cre a ting  expo sure layo ut is to  import co mm on indu strial l a yout such a s  Calte c h Inte rmedi ate Format (CIF) an d Grap hic De sign  System II (G DSII) form at  file, whi c h  ca n be  edite d   conve n iently. The file  format is  pa rse d  by  recursive de scent pa rsi ng method on b a si s of BN F (Backu s-Na ur Form) rule. This metho d  is  comp re hen si ve and  preci s e  so  any  complex layo u t  can  be i m p o rted  and  di splaye d  correctly  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Flexibl e  Na no fabrication Eq uipm ent: E-beam  Li thogra phy System  Based o n  SEM (Shuhu a Wei)  3845 (se e  Figu re 3 ) . Both layouts de sign ed di rectly  and  co mmon ind u st rial layouts i m porte d ca n be   trans ferred to EDF file.          Figure 3. CIF Format Expo sure Layout s Imported by the Software System      3.4.2. Alignment Co ntro l Module  The alignm en t control mod u le is to impl ement scan ni ng field align m ent and co ordin a tes  alignme n t. This  can  be i m pleme n ted  by scanni ng  and a c q u irin g stan da rd  chessb oard i m age,   adju s ting ma rks po sition s,  cal c ulating  corre c tion  pa ramete rs  an d then tra n smitting them  to  pattern gen e r ator. Then  pattern gen e r ator  control s   b eam defl e ction   a c cording  to   the s e   corre c tion  pa ramete rs sca nning  agai n t o  a c compli sh  scan ning fiel d an d  coo r di nates align m ent.  Image processing te chnol o g ies  su ch as  noise  red u cti on and bo rd e r  re cog n ition have been u s ed  to implem ent  automati c all y  write - field  alignme n t. T he  coo r din a te’s  alignm en t is to  dete c t  alignme n t ma rks  of the  su bstrate  in  a c corda n ce  with  a p r ed etermi ned  se que nce to  en sure t h e   best overl a y accuracy.     3.4.3. Expos ure Con t rol  Module   The expo su re co ntrol m o dule i s  to con t rol t he whole  pro c e ss  of e x posu r e, whi c h i s  the  final procedu re an d al so  integrate d  o p e r ation of  m any  pro c e s sed.  T he exp o sure   para m eters  a r e   importa nt to determi ne th e do se of ex posure,  wh i c h is the d e scription of resi st ab sorbing  the  electroni c en ergy when e x pose layo uts. Variou s  g r aphi cs h a ve different exp o su re do se [ 12].  The EDF file acqui red f r om the  exp o su re l a yout  pro c e s sing  module  and  these  expo sure   parameters  can be transf erred  to pattern  generator, whi c h w ill control  beam defl e ction  according  to layouts informatio n stored in  EDF file  to exposure layouts.       4. Exposure  Experiments   Exposu r e exp e rime nts hav e been  done  on the el e c tro n  beam litho g r aphy  system  base d   on JSM - 35 CF SEM. Expo sure expe rim ents in clud e  stitchin g exp e rime nts, ove r lay experim e n ts  and  p a ttern s exposure.  Sti t ching and o v erlay  accu ra cy is a n  imp o rtant evalu a t ion indi cator of  EBL equipme n t performan ce.     4.1. Exposur e Stitching E x periments     In orde r to  ensure  stitchi ng a c curacy,  it is  ne ce ssary to calib ra te the sca nni ng field.    The calib rati on can   be   realized by  u s e of  coo r di nate  system  linea r tran sformatio n , an d its  mathemati c al  expressio n  is as follows:     dx  =  A  +  B x   +  Cy                                                                                                                        (1)   dy = E  + F x  +  Gy      Whe r e,  dx  and   dy  are deviation of the actual po sition  and the ideal  position;  x  an d  y  are  the sample  stage p o sition  of the m a rk; A, E re p r e s ent shift para m eters; B, F  rep r e s ent  g a in  para m eters; C, G represe n t rotation pa ramete rs. Fo r solving the six coefficients, three marks in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3841 – 38 48   3846 a scannin g  field are n eed ed as sho w n  in Figure 4 ( a ) . The pattern gene rato r co ntrols the SE M to   scan the th re e marks and  gain the a c tu al positio n  co ordin a tes. T h e actu al cali b r ation p r o c e s s   can b e  ca rri e d  out by use  of che s sboa rd image a s  shown in Figu re 4(b ) .            Figure 4(a ) . Princi ple dia g ram of scanni ng  positio n   Figure 4(b ) . T he ch essb oard image an d mark  field c a libration                                  Acco rdi ng to  the formul a o f  corre c tion a l gorit hm  (4 ), the imple m ent ation form ula  is a s   follows :     () 4 n e w n ew ne w n ew S x M L T x RT x L B x RBx Cx F S R     () 4 new n ew new n ew S y M LT y R Ty LB y R By Cy F S R                                      (2)     2 ne w n e w ne w n e w ol d o l d ol d o l d x R Tx LTx RBx L Bx R Tx LTx RBx LBx G           2 new n e w n e w n ew ol d o l d ol d o l d y LBy L Ty RBy RTy L B y L Ty RBy R Ty G                                                 (3)     11 tan ( ) t an ( ) 2 ne w n e w n e w n e w ne w n e w n e w n e w x R T y L Ty RB y L By RTx L Tx RB x L Bx R      11 ta n ( ) t a n ( ) 2 ne w n e w ne w n e w ne w n e w ne w n e w y LB x LTx RBx RTx LB y LTy RBy RTy R                                    (4)     Whe r e,  x S ， y S ， x G ， y G ， x R ， y R  rep r esen t shift param eters,  gain  p a ram e ters a n d   rotation p a ra meters. The  softwa r e  syst em acqui re s these co ordi nates and ca lculate s   the six  equatio ns to  get calibratio n  coefficie n ts, then  se n d  t hese p a ra me ters to  patte rn ge nerator.  The   scanni ng unit  of pattern g e nerato r   control beam  def le ction coils according  to  th ese paramet ers.   This process  will be execut ed several times unt il the  precise scanning field can be obtained.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Flexibl e  Na no fabrication Eq uipm ent: E-beam  Li thogra phy System  Based o n  SEM (Shuhu a Wei)  3847 The stitching  test pattern i s  de sign ed di rectly  by the  softwa r e. It is a 6×6 a r ray of 100    m  size ve rnie r curso r  field s .  Acco rdin g to the error  calculation form ul a:      n x x n i i n 1 2                                                    (5)    Whe r e,  n is sample  size,  x is sample  averag e an d   n is sample  mean -squa re   deviation. Statistical  results show  that thi s  exp o sure  t e st e r ror  x is 3 1 .19  nm and  y is 2 6 .53  nm .                     4.2. Exposur e Ov erla y  Ex periments   Multilayer lithography is needed fo r some  ME MS structu r e and se mi con d u c tor  fabrication. I n  this  pro c e s s, ea ch l a yer patte rn i s   e x pose d  an d t hen  remove d  out to do  p o st- treatment.  When thi s   sili con  chip  is ba ck into th e  work  stage, it s rel a tive po si tion of the   work  stage i s   cha n ged. So in o r der to g u a r an tee overla y a c cura cy, it is  need ed to ali gnment m a rks of  chip, dete r mi ne the po sitio n  and a z imut h of chip.   Experiment o peratio n step s are a s  follo ws: a.  Put the sampl e  wit h  marks into t he stag e,  and im pleme n t the coordin a te syste m  correctio n  to  make  the  sta ge coo r dinate  and  silicon  wafer  coo r din a te co nsi s tently. b. Control the  stage to  exp o sure a r e a , and  impleme n t the scan ning fi eld   calib ration, th en the E D F file of ma in verniers is exposure. c. Afte r  the first laye r  exposure, ta ke  the silicon wafer out. d. Put the silico n  wafer into  the stage a g a in, and the n  implement  the   coo r din a te  system  co rrecti on o n ce a gai n. e.  C ontrol t he  stage  to  e x posu r e  area , and  implem ent  the sca nnin g  field  calib rat i on, then  the  EDF  file of  dep uty vern iers i s  exp o sure. T he  error  cal c ulatio n fo rmula  is th e  same  with  th e stitchi ng  experim ents. St atistical  re sult s  sho w  that t h is  exposure te st erro r  x is 31.95 nm and  y is 33.38 nm .                                                                       4.3. Exposur e Patte rns E x periments           Figure 5(a ) . SEM micro g ra ph of flower p a ttern  exposed in PMMA at 30kV   Figure 5(b ) . SEM micro g ra ph of line exp o se d  in PMM at 5kV             Arbitra r y sh a pe patterns  e x posu r e exp e r iment s have  been d one to  verify the re solutio n   and  accu ra cy of this EBL  system.  Fig u re  5(a)  sh o w s the SEM  microg rap h   of flowe r  p a ttern   exposed at t he a c cele rati on voltage  of  30  kV. The   resi st i s  mo n o layer PMMA , and the  be am  curre n t is 5p A. The curve  of rings exp o se d  app ears to be smo o th, which d e mon s trate s   the  stron g   divisio nal p o wer of t he p a ttern  ge nerato r .  T he minimization of  line   width  achi eved by  t h is  electron b e a m  lithograph y system is  21.4nm. Fi g u r e 5 ( b)  sh ows the SEM  micrograph  o f  this  experim ental  result. The e x posu r e  wa s  made at th e  beam e n e r gy  of 5kV in P MMA re sist.  This  result d e mon s trate s  th at the  re solution  of  ele c tron  beam  lithog raphy  system  ca n a p p r oa ch   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3841 – 38 48   3848 nanom eter d o main.           5. Conclusio n   The above experiments testif y the feasi b ility of this EBL system  based on  a modified  SEM. It is equipp ed with  a laser int e rferomete r  stage whi c h   facilitates p r eci s e multil evel   lithogra phy  with automati c  mark  re cog n ition a nd p a tterns to b e  stitch ed to g e ther. T h is EBL  system  ca n  be u s ed fo r large - scale  micro-n anof a b rication a n d  function al  MEMS or mi cro   electri c al  pa rt s. Thi s  EBL f abri c ation  sy stem ca n  m eet  most  lithog ra phy ap plicatio ns i n  u n iversity  laboratori e s  with its po we rful fun c tion s, friendly  man i pulation  and  low cost. It  has mad e  ve ry   importa nt co ntribution s  in quantum effe ct devic e s , integrated o p tical device manufa c turin g  an d   nano stru ctu r e  manufactu rin g .      Ackn o w l e dg ements   This work wa s su ppo rted i n  part by the National Natural Scie nce Found ation o f  China   (No.6 100 105 2) and Beiji ng  Natural S c ie nce Fo und ation (41 230 96 ).      Referen ces   [1]    Pain  L, T ede sco S, C onst anci a s C.  Dir ect  w r ite  lith o g rap h y :  the  g l oba l so luti on   for R ＆ D and   manufactur i ng.   Comptes Rendus Physique . 200 6; 7(8): 910 -923.   [2]    Peter H, Olaf  F .  ‘50  ye ars o f  electron  be a m  litho grap h y :  Contri buti ons  from Jen a .  Microel ectron ic   Engi neer in g . 2009; 86( 4-6): 4 38-4 41.   [3]    Zárate JJ, Pastoriza H.  Co rrection Alg o ri thm for the Proxi m ity Effect in e-bea m Lithogr aphy.   Procee din g s  o f  the Arg enti n e  Scho ol  of Mic r o-Nan o e l ectro n ics  T e c hno lo gy a nd A p p lic ations . 20 08;   38-4 2 .  [4]    Vieu C, C a rce nac F ,  Pepi n  A, et al. Electron  b eam l i tho g rap h y : r e sol u tion l i mits an d  app licati ons .   Appl ied S u rfac e Scienc e.  200 0; 164(1- 4): 11 1-11 7.  [5]    T s eng AA, Ch en K, et a l . Ele c tron Beam  Lit hogr aph y in N anosc a le   F abri c ati on: R e ce nt Devel opm ent.   IEEE on Electronics Pack agi n g  Manufactur i n g . 2003; 2 6 : 14 1-14 9.  [6]    Rai-C h o udh ur y P. Hand b ook of Micr olith ogra p h y ,  Micromach i nin g   an d Microfabric atio n.  Microlith ogr ap hy.  1997; 1.   [7]    Nabit y   JC, W y bour ne M N . A  versatil e p a ttern g ener ator for  hi gh-res o luti o n  e l ectron- be a m  litho gra p h y .   Review  of Scie ntific Instrumen t s.  1989; 60(1):  27-32.   [8]    Penn ell i  G, Angel o F D , Piotto M, et al. A lo w  co st high res o lutio n  pattern g ener ator for el ectron-b eam   litho grap h y .  R e view  of Scientific Instrume nts.  200 3; 74(7): 35 79-3 582.   [9 ]    Møl h a v e  K, Ma d s en  D N ,  Bøg g i l  P. A si mp l e  el e c tron -be a m  l i t ho g r aphy  sy ste m .  Ult ramicroscopy.   200 5; 102( 3): 215-2 19.   [10]    T ennant DM, Blei er AR. Han dbo ok of Nan o f abric ati on, 1st  ed., edited b y   Gar y  P. W i ede rrecht, Chap.   201 0; 4: 121-1 48.   [11]    W e i SH, Li u W ,  Han  L.  A new   versatil e hi gh s pee d p a ttern g ener ator for n a nolit hogr ap hy.  Procee din g s   of the IEEE IN EC. 2008; 8 24- 828.   [12]    W e i SH, Z han g JZ , Han L.  Desig n  a nd I m ple m entatio n o f  Softw are System of E- bea m Litho g rap h y   Based on SEM .  Proceedi ngs  of the IEEE NEMS. 2009; 54 7 - 550.   [13]    Yin B H , F a n g   GR, Liu  JB, et  al. M i ni ature   Electron  Be am  Lith ogra p h y   S y stem f o r Micr o /Na nomet er  Pattern F abric ation.  Na notec hno logy  and Pr ecisio n Eng i n e e rin g .  201 0; 4: 290- 294.   [14]    Cummin g  DR S,  T homs S, Beaum ont SP, et al. F abric a t ion of 3  nm  w i res us in g 10 0 keV e l ectron   beam lithography   and poly  ( m et hy l methac r y late) res i st.  Appl ied  Physic s  Letters . 1 9 9 6 ; 68( 3): 32 2- 324.   [15]    Yang  H, F an  L, Aizi J, et al .  Low -energy  Electron- bea m Litho g rap h y o f  Z EP-520 Po sitive Res i st.   Procee din g s of  the IEEE NEMS. 2006; 39 1– 3 94.   [16]    F ontana RE, K a tine J, Rooks  M,  et al. E-Beam W r iting: A N e xt-G e nerati o n  Lithogr aph y A ppro a ch for  T h in-Film Hea d  Critical Fe atu r es.  IEEE Transactions o n  Ma gnetics.  20 02; 38(1):  95- 10 0.  [17]    Lv SL, Son g  ZT ,  F eng SL.  F abricati on of  arra ys of li ne  w i t h  na nosc a le   w i dth a nd l a r ge le ngth  b y   electro n  b eam  litho grap h y   w i th hi gh-pr ecisi on stag e.  Micr oel ectronics J ourn a l.  2 008;  39(9): 1 1 2 6 - 112 9.  [18]    W e i SH, L i u  W ,  Li X,  et a l . Desi gn  an d  Impleme n tati on of E x pos ur e Data  F o rma t for E-beam   Litho g rap h y ’, Microfabric atio n  T e chnolo g y .  200 6; 6(6): 6-1 0 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.