引言

电子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）不用掩模，图形由聚焦电子束在抗蚀剂上逐点写出。它的套刻精度，也就是本层图形与已有层的对准偏差，通常在纳米量级被讨论，厂商规格书里以纳米为单位给出。

这个量级与地面振动的微米量级之间差了两到三个数量级。两者能共存，靠的是隔振与伺服把相对位移压下去。压不住的部分，会直接写进图形，表现为场与场之间的拼接错位、线条的位置偏移或边缘粗糙。

本文讨论三件事：振动在套刻误差里占哪一份，EBL 为什么比成像类设备更敏感，以及指标该怎么定。

一、套刻误差里，振动占哪一份

1.1 套刻误差的几个来源

套刻偏差不是单一原因造成的。常见的几项是：对准标记的探测误差、样品台定位与计量误差、束流位置漂移、样品自身的热变形与装夹应力释放，以及环境振动带来的束与样品相对运动。

前几项由设备本身的对准算法与伺服系统处理，振动这一项不同，它来自建筑与设备基础，落在设备的控制带宽之外，只能靠隔振与场地条件解决。

1.2 振动怎么变成图形位移

电子束的位置由柱体内的磁透镜与偏转器决定，样品的位置由工作台决定。两者之间的任何相对运动，都会让束斑落在抗蚀剂上的实际位置偏离设计位置。

在成像类设备上，这类位移表现为图像模糊或条纹；在光刻设备上，它直接变成图形的尺寸与位置误差，没有后期修正的机会。

1.3 时间尺度决定表现形态

同一份振动，在不同时间尺度上留下的痕迹不同。位移的周期远大于单场曝光时间时，整场图形平移，表现为场与场之间的拼接错位；周期与曝光时间相当时，图形在曝光过程中被拉斜或拉弯，线条边缘出现波动；周期远小于曝光时间时，正负位移在曝光中相互抵消一部分，残留在边缘粗糙度上。

这套时间尺度与位移幅度的对应关系，与原子力显微镜上判断漂移来源的方法一致，可以对照AFM 扫描头漂移的来源分辨方法来看。

二、EBL 为什么对振动更敏感

2.1 逐点写入，时间窗口长

扫描电镜成像时，一行像素的驻留时间是微秒到毫秒级，整幅图像的采集在秒级完成。EBL 的一个写场要按面积与剂量逐点累积，时间尺度比成像长两个数量级以上。

曝光时间越长，设备暴露在低频振动下的窗口越大。1Hz 附近的分量在一个场里几乎不重复，无法通过平均消除。

2.2 柱体高度把倾斜放大

束斑在样品上的位置，等于柱体的角度偏差乘以有效高度。柱体高度按米计，1μrad 的倾斜在 1m 高度处对应 1μm 的位移。地面或隔振平台的角振动，经过这段高度就被放大成可观的横向误差。

这也是为什么高而重的柱体对振动更敏感。厂商在给出限值时，往往把测点高度与方向写清楚，读法上的差别可参考蔡司 GeminiSEM 的三段限值写法。

2.3 真空腔与声学耦合

EBL 的柱体与样品室处在真空环境中，腔壁面积大、壁厚有限，声压作用在腔壁上的力会传进柱体。低频声波在这一点上与振动没有本质区别，隔振做得再好，声学路径不处理，束流仍然会漂。

三、标准给的口径，以及它的边界

3.1 VC-E 对应的设备

IEST-RP-CC012.2 的 VC 曲线把场地振动按速度划级，其中 VC-E（3.12μm/s）的适用设备一栏写的是纳米级电子束光刻与长光程激光系统，细节尺寸小于 0.1μm。各等级与设备的完整对应关系见VC 曲线与电镜振动等级的对应关系。

评定口径按 1/3 倍频程给出，VC-C 及以下等级的频段为 1 至 80Hz，部分资料写作 1 至 100Hz，引用时需与版本一起注明。

3.2 速度限值折算成位移

VC 曲线用速度表达，工程判断时常要换算成位移。单频简谐运动下，位移幅值与速度幅值的关系是 x = v / (2πf)，用有效值时同理。

表内为按上式换算的结果，未计入阻尼与多频叠加，用于量级判断，不作验收数据。

3.3 为什么 VC-E 对纳米套刻不够用

从表里能看出问题。VC-E 在 1Hz 处对应的位移约 0.5μm，在 10Hz 处约 50nm，都大于纳米级的套刻预算。

原因是 VC 曲线定义在 1/3 倍频程的宽带速度上，它的细节尺寸一栏停留在亚微米时代，用它判场地够不够用是合理的，用它当纳米套刻的设计指标就偏松。

实际操作是两层判断。VC-E 作为场地准入的初筛，低于这个级别的场地不必再谈光刻设备；设备厂商给出的频率相关限值作为设计指标，两者不一致时以厂商限值为准。

四、指标怎么按曝光时间窗来定

4.1 用时间窗给频谱加权

把实测的位移谱按频率分成三段看，比看总有效值有用。

判断时需要知道本机的单场曝光时间，这个数值随写场面积、束流与剂量变化，同一台设备在不同工艺下也不一样。

4.2 测点要放在柱体基座

地面读数只说明场地条件，不能代表束与样品的相对运动。测点应放在柱体与工作台的公共基座附近，方向按三个平动与三个转动分别记录。

只测地面就下结论，是把隔振系统的效果一起算进了场地条件，容易低估或高估问题。

4.3 与成像类设备的差别

扫描电镜的容许值通常按图像质量退化来定，判定带有主观成分。光刻设备的容许值由套刻预算反推，是硬指标。

这意味着同样的场地，成像设备能用，光刻设备未必能用。按电镜的限值给光刻设备选场地，是常见的一处误判。

五、工程上怎么落地

5.1 隔振从 0.5Hz 起覆盖

低频段是这类设备的短板。0.5Hz 起生效的主动隔振模块覆盖了这一段，六自由度控制，能把 1Hz 附近的分量压下去；1Hz 起生效的型号在高频段表现相近，低频段留有余量差距。

主动与被动在频段上的分工，见主动隔振与被动隔振的频段边界，选型时按实测峰值落点对照。

5.2 声学与气源一起处理

隔振台处理地基路径，腔壁受声压激励这一路要另外处理。常见做法是给柱体与样品室加隔声罩，把空调出风口调开，避免正对设备。

真空泵、压缩机这类自带振源的设备，管路要用软连接，机组放在与设备不同基础上。管路刚性连接会把振动直接送进腔体，隔振台对此无能为力。

5.3 热稳定与抗震

EBL 的束流位置对温度敏感，柱体与样品的温差会引起缓慢漂移，与振动叠加在一起。房间温度波动控制住，漂移项的占比才降得下来。

大型柱体与工作台还要配抗震约束，避免大位移时滑移。这两项与隔振不是替代关系，是并行条件。

六、常见问题

问：电子束光刻的场地按 VC-D 还是 VC-E 做？

答：VC-E 更接近。IEST 的 VC 曲线在 VC-E 一栏写的就是纳米级电子束光刻，VC-D 对应的是多数电子显微镜与电子束系统。但 VC-E 是宽带口径，纳米套刻的实际预算比它紧，最终指标以设备厂商给出的频率相关限值为准。

问：为什么地面振动只有几微米每秒，套刻还是超差？

答：看频段和测点。几微米每秒在 1Hz 处对应的位移接近半微米，已经远超纳米级预算；测点若只在地面，也没反映柱体与工作台之间的相对运动。先补测柱体基座，再看低频段的峰值。

问：隔振台装了，套刻数据为什么没改善？

答：先排除声学与热两项。腔壁受声压激励、房间温度波动，都会造成与振动相似的束流漂移。其次查管路与线缆，刚性连接会旁路掉隔振台。最后确认隔振台的起始频率是否覆盖了超标频段。

问：曝光时间长短会影响振动的要求吗？

答：会。曝光时间越长，低频分量在场内越难平均掉，场间拼接错位越明显。短曝光工艺对同一份低频振动的敏感度低一些，这也是同型号设备在不同工艺下表现不同的原因之一。

问：倾斜和水平位移，哪个影响更大？

答：看柱体高度。束斑位移等于角度偏差乘有效高度，柱体越高，同样的角振动造成的横向误差越大。柱体高度按米计时，1μrad 的倾斜对应 1μm 的位移，量级上不能忽略。

七、结语

振动在套刻误差里占的份额，取决于频段与曝光时间窗的对应关系，不是一个总有效值能说清的。判断顺序是先测柱体基座、按频段看位移、再对上本机的曝光时间。

VC-E 可以作为场地准入的初筛，纳米套刻的设计指标要回到设备厂商的频率相关限值。若场地在 1 到 2Hz 段超标，先解决这一段，再谈其他频段。场地的自查方法在实验室楼板振动自查方法里，可以先跑一遍再定方案。

产品页里按频段与负载分档列出各系列隔振模块的参数，可以按实测峰值对照查看。

参考文献

1. IEST-RP-CC012.2, Considerations in Cleanroom Design.（VC 曲线限值、细节尺寸与适用设备，评定频段）

2. Preumont, A. Vibration Control of Active Structures: An Introduction, 4th ed., Springer.（主动隔振的控制带宽与低频覆盖）

3. Rao, S. S. Mechanical Vibrations, 6th ed., Pearson.（速度与位移的换算关系、多自由度系统的角振动）

4. 《建筑工程容许振动标准》GB 50868-2013.（精密仪器与设备的容许振动值）

5. 翌颖科技. HERZ AVI 系列主动隔振模块产品资料.（起始频率、负载分档、六自由度控制）