X射线光刻研究

1、 X射线光刻的发展可以追溯到本世纪70年代初,1972年Spears和Smith发表了第一篇有关X射线光刻的论文。由于当时集成电路的线宽在5m左右,不仅普通的光学光刻能完全满足要求,而且X射线光刻也遇到了诸如掩膜版的材料与制备、光致抗蚀剂、光源等方面的困难,因此X射线光刻研究进展比较缓慢。 到90年代,当时人们认为光学光刻技术开始逼近其物理极限,作为能满足下世纪初VLSI生产要求的X射线光刻技术受到了极大的重视,世界各大半导体公司及一些国家级实验室都在这一领域投入了巨大的人力和财力,使之已成为新的研究热点。 从1994年,美国IBM和Motorola公司起正式合作开发X射线光刻技术,之后它们又

2、与日本的东芝、NEC、三菱和NTT联合宣布对X射线光刻机采用共同的掩膜标准,因此将这项光刻技术的研究推向了高潮。在光刻机的曝光方式方面,由于所有光学材料对X射线的折射率都略小于1,这样在X射线光刻机中使用折射光学系统就很困难,因此起先的X射线光刻主要采用接近式曝光方式。此外,利用全外反射的投影式光刻机之后也被采用。同时,掩膜版的制备及修复技术,适合X光的抗蚀剂及X射线源的研制方面也都取得了很大进展。当时专家们认为X射线光刻将可能首先用于特征尺寸为0.25m的256Mbit/DRAM的生产,然后再扩展到0.18m,最后分辨率达到0.1m以下。 X射线光刻技术的发展 X射线是光线波长介于紫外线和射

3、线 间的电磁辐射。它是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（200.06）10-8厘米之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895发现，故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.11埃范围内的称硬X射线，110埃范围内的称软X射线。 什么是X射线？ 接近式X射线光刻(proximity X-ray lithography,简称PXL)，它主要由X射

4、线掩模、光刻胶、步进光刻机和X射线光源组成,以下将对四大主要组成部分进行逐一介绍。注：X光光刻分为X射线接近式光刻和软X射线投影式光刻，为了强调软X射线投影光刻与现有光刻的连续性，现在业界普遍称其为“极紫外投影光刻”。 PXL的组成PXL的原理,即平行入射的X光透过11式的X射线掩模直接到达光刻胶表面,不需要光学系统,所以不存在光学系统像差的问题,而且PXL是步进式的,不需要解决光学光刻步进扫描过程中的同轴扫描问题。X射线波长很短，衍射效应很小。因此，PXL能够精确复制图形。另外,PXL还具有分辨率高、焦深大、曝光像场大、产量高、对曝光基片衬底反射无特殊要求、曝光环境灵敏度低、X射线掩模可以自

5、复制、光刻工艺宽容度大、工艺简单、与IC工艺兼容、光刻分辨率技术延伸性大、成本较低、技术较成熟等诸多优点。 PXL的原理 X射线源 为X射线光刻提供支持的有两类X射线源波长都在软X射线范围。一种是同步辐射源,它可由多台光刻机共同使用;另一种是仅由单台光刻机使用的点光源。在接近式曝光中,同步辐射源的波长0.6nm1.0nm,点光源的波长为0.8nm1.4nm。在投影曝光中,X射线波长为8nm25nm,典型值是13nm。同步辐射源是目前亮度最高的软X射线源,它有输出能量高、稳定性高和准直性好等优点,因此可以降低接触曝光像场边缘的阴影效应,获得大的焦深和高的分辨率。但是这种X光源需建造耗资为1500

6、2000万美元的电子直线加速器和电子储存环,因而价格昂贵。鉴于这种情况,许多大公司都在致力发展点X射线源. X射线掩模的结构示意图如图所示。由图可见,X射线光刻掩模是由低原子序数的轻元素材料形成的衬基薄膜(如SiC、金刚石等)和附着在该衬基薄膜上的高原子序数X射线吸收体(如Ta和W等)图形组成。( 1)基底透明层必须对X射线有高的透明度,透过率 50% ,同时又对可见光透明，透过率 70% ;( 2)透明层薄膜应力小、平整,有足够的强度、机械稳定性和吸收薄膜应力(以利于减小X射线掩模图形尺寸畸变) ;( 3)耐辐射;( 4)缺陷密度低;( 5)吸收体具有较高的X射线吸收细数和足够的厚度，以确保

7、良好的曝光掩蔽性能。( 6)有高的掩模反差,即掩模透明区与不透明区的透射系数大。X射线光刻掩模的基本要求如下: X射线掩模 X射线光刻胶 X射线步进光刻机主要由基片自动预定位和传输系统、基片装载和调平系统、掩模基片曝光间隙自动设定系统、垂直步进曝光承片件台系统、垂直掩模台和掩模基片对准系统、超精 X射线光刻机密掩模基片对准系统、整机计算机控制系统、主机结构及防震支撑系统组成,不同厂家制造的X射线步进光刻机的主要差异在于超精密掩模基片对准系统,比如日本NTT的SR-1和SR-2型X射线步进光刻机采用的是光学外差式对准方法,日本Canon公司的XRA-1000型则采用的是先进双光栅透镜的对准方法,

8、JMAR公司的XRS-2000型X射线步进光刻机采用的是CCD对准方法 X射线光刻胶 作为影响产率的重要因素,不断提高X射线光刻胶的灵敏度对PXL的是十分重要的。由于X射线光子具有很强的穿透能力,而抗蚀剂对X射线光子的吸收率很低,只有少数入射的X射线光子能对光化学反应有贡献,因此,一般抗蚀剂对X射线曝光的灵敏度都很低。提高X射线光刻胶灵敏度的主要方法是在抗蚀剂合成时增加在特定波长范围有较高吸收峰的元素(如Br,Cl等),并引进增强光化学反应的新机制。此外,X射线光刻胶还应具有相应的光刻分辨率和良好的抗干法刻蚀性能,以及相应的工艺兼容性等。当前国际上可供商用的X射线光刻胶如表2所示。 PXL技术

9、的优点 (1)高分辨率,可达70nm;(2) X射线光刻由于没有透镜,景深控制容易,对于0. 13m的光刻分辨率,其景深也可达7m;(3)由于X射线方向性好,穿透尘埃的能力强,所以掩模上的某些缺陷将不被复印到硅片上,大大地提高了曝光质量和成品率;(4)特征尺寸( CD)控制能力强,利于小尺寸器件的加工;(5)可以很方便地采用单层胶工艺并可以对胶的厚度进行精确的控制;(6)曝光视场很大,可达到50 50mm2 ,曝光效率高;(7)成本较低,经过近10年的努力,无论是X射线掩模还是X射线光刻装置的价格都大幅度下降,已接近248nm光学光刻的成本。 PXL技术的障碍 水浸没式193 nm光学光刻的分

10、辨率已经达到45nm,它的迅猛发展已经迫使它的许多竞争对手(比如电子束投影光刻技术、多通道电子束高速直写、离子投影光刻技术)的研究工作停顿下来,尽管极端远紫外投影光刻（EUV）的研究目前还在进行,但是也面临着许多量产化的困难。 PXL是NGL技术中研发历史最长也是最接近实用化需求的,第二代PXL进入硅基超大规模集成电路生产的主要技术障碍并不是通常人们所认为的11式X射线掩模,而在于可适应生产线要求的商用X射线点光源。另外,尽管PXL的工业基础比其它NGL来要好得多,但是比起光学光刻还差得很远。而如今与NGL中的热门EUV相比，综合来说也处于优劣势。所以，之后的技术节点也不太可能采用X射线光刻。 PXL规划发展路线图 各种光刻的分辨率1.超紫外EUV2.多波束无掩膜3.纳米压印4.定向自组装 光刻技术一直是集成电路制造业向前发展的技术先导,微电子技术的飞速发展在很大程度上归功于光刻技术与设备的不断进步。100 nm及其以下尺寸光刻技术的不断发展标志着人类加工能力进入了一个空前的高度,促使微电子的基础理论、材料技术和工艺技术发生革命性变化。通过不断增大数值孔径、离轴照明、缩短曝光光源波长、移相掩模、