微细和纳米加工技术：第2章 光学曝光技术（2-6 短波长曝光技术2-6-1+2-6-2)

1、1标准的光学曝光一般是在31004500埃的光谱范围内进行的，它的实际分辨率约为11.5m。从接近式最小可分辨的线宽公式和投影式最小可分辨的线宽公式都可以看出，照射光波长对提高光刻图形的分辨率起着关键作用。因此，研究深紫外光、极紫外光和x射线曝光技术十分必要。从原理上说，深紫外光曝光方法所用的并不是一种新的曝光原理，它只是引入了一种新的光源- 深紫外光源。换句话说，前面介绍的接触式、接近式和投影式的曝光装置机构对深紫外光曝光都适用。2.6.1 深紫外曝光技术2.6短波长曝光技术2深紫外光(deep ultraviolet)的波长在20003000埃，与以往光刻- 曝光工艺采用的4000埃左右的

2、紫外光相比，光的波长缩短1213。因此，可获得更高图形分辨率的光刻线条。这种曝光方式的光学系统原则上可以用前述的接触式、接近式和投影式等结构。深紫外光的波长3二、深紫外曝光(deep UV lithography)技术中的光源深紫外曝光技术中的光源波长波段产生方法436 nm(g 线)紫外长弧形汞灯405nm(h 线)365 nm(I 线)311 nm351nm深紫外（XeF）氟化氙准分子激光器308nm（XeCl）氯化氙准分子激光器248nm（KrF）氟化氪准分子激光器193 nm（ArF）氟化氩准分子激光器157nm（F2）氟分子准分子激光器4深紫外光曝光是否有实用价值，取决于有无合适的抗

3、蚀剂；曝光机构的输出光谱和抗蚀剂吸收光谱之间的匹配程度决定了这种曝光技术的生产能力。通常采用与X射线和电子束曝光相同的电子抗蚀剂作为深紫外光曝光的抗蚀剂，而不用与紫光和紫外光相同的光致抗蚀剂，这是因为深紫外线的能量与电子束曝光中起感光作用的二次激发电子的能量大致相同之故。对于掩模，常用高质量的人造石英作掩模基底材料，它对深紫外光有良好的透射性；而用铝膜或铬膜作为对深紫外光的掩蔽膜。深紫外曝光技术中的光刻胶与掩模5157nm深紫外曝光技术中的难点在透镜方面，过去用于I 线与G线的石英透镜在248nm和193nm还可以适用，而在157nm要采用氟化钙(CaF2)晶体作为透镜材料。这是因为石英透镜在

4、对157nm波长有强吸收作用而不再适用，只有采用氟化钙晶体才能作为透镜材料。要解决以上技术难题所需要的研究开发投资巨大，而157nm的波长只能将集成电路的最小电路尺寸延伸一代。另一方面，对极紫外(extreme UV，EUV)曝光技术和浸没式曝光(immersion lithography)技术的早期开发证明，193nm波长光源结合浸没式成像技术可以完全实现70nm集成电路的生产，而更小电路尺寸可以由极紫外曝光技术实现。因此，到2004年集成电路制造工业已经达成共识：中止157 nm曝光技术的开发，全力投入极紫外曝光技术的开发。在光刻胶方面，为248 nm和193 nm光源开发的光刻胶也因为强

5、吸收作用而不再适用于157nm光源。62.6.2极紫外曝光技术极紫外是波长为13 nm的光辐射。极紫外不是严格意义上的光辐射，而是一种软X射线。为了与穿透力更强的硬X射线区别，半导体工业界普遍把13nm波长的极紫外曝光仍归为光学曝光技术一类。这同时也因为极紫外曝光与传统光学曝光技术很相近，也是将掩模图形投影成像到硅片表面。极紫外曝光与传统深紫外曝光有本质的不同。极紫外波长几乎被所有材料吸收，传统的折射式透镜成像已完全不适用，所有光学元件包括掩模本身都必须是反射式的。7由光源发出的极紫外辐射由一组反射镜收集并投射到反射式掩模上，被反射的掩模图形由另一组反射镜会聚缩小，然后投射到硅片上实现极紫外光

6、刻胶的曝光。极紫外曝光系统的组成图2.19 极紫外曝光系统的示意图8极紫外曝光技术由4个关键部分组成：极紫外曝光系统的组成极紫外光刻胶极紫外掩模极紫外光学系统极紫外光源图2.19 极紫外曝光系统的示意图9(1)极紫外光源极紫外光可以由两种方法产生：等离子体激发和同步辐射源。基于高能电子加速器的同步辐射源是一种大型科学研究装置，只能由政府建造并运行，很难应用于工业生产。关于同步辐射源，见X射线源部分。作为集成电路生产应用的极紫外光源主要是等离子体源。按照等离子体产生的方式，这类极紫外光源又可分为激光等离子体源和气体放电等离子体源。而激光等离子体源较常用。极紫外曝光系统的组成之极紫外光源10激光等

7、离子体源产生EUV光源的原理是用准分子激光轰击靶材产生EUV，它具有技术成熟，亮度高、光谱范围可与多层膜反射峰相匹配、位置稳定性高、体积小、价格相对便宜等优点，最为人们所看好。激光等离子体源11靶材对于EUVL光源来说是非常重要的。靶材有固体靶(如金属锡)、循环低温气束(如氙)和液滴靶三种。采用激光轰击固体靶产生EUV光源的技术目前比较成熟，其主要问题是轰击靶材除了辐射出EUV光源外，还会产生碎屑，这些碎屑会对聚焦系统的反射镜光学元件造成直接损害，为此人们曾尝试了各种靶材和残渣的滤除技术(如高速旋转挡板、电场和磁场以及流动的气流)来抑制光源中残渣的出现。为此人们发展了循环低温氙(Xe)气高速喷

8、射靶，Xe气高速喷射入真空系统，经冷却后形成一定厚度的固态表层，激光使固态表层汽化并产生EUV光，这样一来就可以大大减少碎屑。但是它的缺点是光源功率不如固体靶那么大，而且成本也很高。 激光等离子体源所采用的靶 12其原理是使液体通过一个直径仅为10m左右的毛细管子，由于表面张力的作用，管口会形成液滴，激光脉冲打在液滴上，产生EUV。水滴靶13液态氙储存盒左边是一个温度为160180K的制冷装置，高压氙气体从液态氙储存盒上方进入液态氙储存盒后变成液态氙，液态氙通过一个直径为10m的喷嘴喷射而出，激光脉冲打在液滴上，产生EUV。液态氙激光等离子体EUV光源14图表示的是激光等离子体氙产生的EUV谱

9、线。 激光等离子体氙产生的EUV光谱15除了上述的激光等离子体EUV光源之外，目前毛细管放电EUV光源的研究也是一个研究热点，其原理如图所示。毛细管放电EUV光源1613.5nm毛细管放电EUV光源的光谱17极紫外光源本身是一个非常复杂的装置，开发极紫外光源的核心技术问题是如何提高它的辐射功率。目前极紫外光源的可用曝光功率在1525 W的水平，而要实现每小时曝光120片硅片的大生产能力，极紫外光源的可用曝光功率至少要达到115 W的水平。极紫外光源的难点18 (2)极紫外光学系统如前所述，极紫外波长在任何材料中都有极强的吸收，折射光学系统已不再适用，必须用反射光学系统。而极紫外光在任何单一材料

10、的表面反射率都很低，唯一的办法是利用多层膜反射镜。多层膜反射镜是由两种不同材料交替沉积形成的膜系统，交替膜厚的周期控制在极紫外的半波长(2)左右。极紫外光波会在这种多层膜中形成谐振，形成反射峰值。迄今为止，技术最成熟的多层膜系统是由钼和硅组成的多层膜，它的极紫外反射峰值正好在13 nm波长左右。极紫外曝光系统的组成之极紫外光学系统19反射镜由50对钼(276 nm)和硅(414nm)薄膜交替沉积形成。反射峰值在135nm附近，正好是极紫外光源的中心波长，最大反射率在70以上。实际制作的钼-硅反射镜可以达到68左右的峰值反射。影响最大反射率的主要因素是薄膜沉积中形成的杂质和缺陷，以及薄膜表面的粗

11、糙度。钼-硅反射镜对极紫外光的理论反射率20MoRuBe多层膜结构的反射镜，其反射率比MoSi多层膜结构的反射率高。之所以要在MoBe之间加入Ru，是因为Ru可以防止MoBe之间的互溶，使MoBe之间的界面更为清晰。但是由于Be是一种对人体有害的物质，因此人们通常会选择MoSi多层膜结构。其他材料的多层膜结构反射镜21Mo/Si与MoBe多层膜结构的比较22 (3)极紫外掩模与极紫外光学元件一样，极紫外掩模也必须是全反射式的。掩模由两部分组成：极紫外曝光系统的组成之极紫外掩模掩模基板金属层23其次，在基板上沉积金属膜并用电子束曝光与刻蚀技术形成掩模图形。金属层的功能是吸收极紫外光，因此凡是有金

12、属层覆盖的区域，极紫外光被吸收；没有金属层覆盖的区域，极紫外光被反射。可以作为吸收层的金属有Al、Cr、Ta、W等。极紫外曝光系统的组成之极紫外掩模首先是掩模基板，它是在一种低热膨胀系数的材料上交替沉积多层钼-硅薄膜而构成的。24 (4)极紫外光刻胶对极紫外光刻胶的要求是要比深紫外光刻胶具有更高的灵敏度和更高的分辨率。更高灵敏度是因为极紫外的光源输出功率有限。为了在源功率115W的条件下实现每小时曝光100片硅片以上的产出率，光刻胶的灵敏度至少要高于3 mJcm-2。目前有些化学放大胶可以达到这样的灵敏度。但高灵敏度和曝光50nm以下的图形带来了另一个严重问题，这就是线条边缘粗糙度(Line edge roughness，LER)问题。极紫外光源功率的进一步提高遇到了极大的困难，工业界转而把希