光刻工艺的种类与发展

1、光刻工艺的种类与发展物理学院2008301510009张乐从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保 持着强劲的发展态势，继续遵循Moore定律即芯片集成度18个月翻一番，每三年器 件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC 生产,正在对半导体设备带来前所未有的挑战。集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、 化学机械抛光等多个工序,其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程 度。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外(NUV)区 间的436nm、365nm波长进入到深紫外(DUV)

2、区间的248nm、193nm波长。目前大部 分芯片制造工艺采yong了 248nm和193nm光刻技术。目前对于13.5nm波长的EUV极端远紫外光刻技 术研究也在提速前进。光刻工艺的种类很多，我们以时间为线索，逐个展开如下：以Photons为光源的光刻技术在光刻技术的研究和开发中，以光子为基础的光刻技术种类很多，但产业化前 景较好的主要是紫外(UV)光刻技术、深紫外(DUV)光刻技术、极紫外(EUV)光刻技术 和X射线(X-ray)光刻技术。不但取得了很大成就，而且是目前产业中使用最多的技 术，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起到了重要作用。紫外光刻技术是以高压和超高压汞(Hg)或者

3、汞-氙(Hg-Xe)弧灯在近紫 (350450nm)的3条光强很强的光谱(g、h、i线)线,特别是波长为365nm的i线为 光源，配合使用像离轴照明技术(OAI)、移相掩模技术(PSM)、光学接近矫正技术 (OPC)等等，可为0.350.25um的大生产提供成熟的技术支持和设备保障，在目前任 何一家FAB中,此类设备和技术会占整个光刻技术至少50%的份额;同时，还覆盖了 低端和特殊领域对光刻技术的要求。深紫外技术是以KrF气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长 (248 nm和193 nm)的激光作为光源，配合使用i线系统使用的一些成熟技术和分辨 率增强技术(RET)、高折射率图形传递

4、介质(如浸没式光刻使用折射率常数大于1的 液体)等，可完全满足O.25 0.18um 和 0.18um90 nm的生产线要求；同时,9065 nm的大生产技术已经在开发中，如光刻的成品率问题、光刻胶的问题、光刻工艺中 缺陷和颗粒的控制等，仍然在突破中；至于深紫外技术能否满足6545 nm的大生产 工艺要求，目前尚无明确的技术支持。相比之下，由于深紫外(248 nm和193 nm)激 光的波长更短，对光学系统材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。极紫外(EUV)光刻技术早期有波长10100 nm和波长125 nm的软X光两种， 两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为

5、主，后者以接触 /接近式为主，目前的研发和开发主要集中在13 nm波长的系统上。极紫外系统的分 辨率主要瞄准在1316 nm的生产上。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因 素，极紫外(EUV)光刻技术是众多专家和公司看好的、能够满足未来16 nm生产的主 要技术。但由于极紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈来愈高，产业化生产中由于掩模版 的费用增加会导致生产成本的增加，进而会大大降低产品的竞争力，这是极紫外(EUV) 光刻技术快速应用的主要障碍。为了降低成本，国外有的研发机构利用极紫外(EUV)光源，结合电子束无掩模版的思想,开发成 功了极紫外(EUV)无掩模版光刻系统，但还没有商品化，进入生产

6、线。X射线光刻技术也是20世纪80年代发展非常迅速的、为满足分辨率100 nm 以下要求生产的技术之一。主要分支是传统靶极X光、激光诱发等离子X光和同步 辐射X光光刻技术。特别是同步辐射X光(主要是O.8 nm)作为光源的X光刻技术， 光源具有功率高、亮度高、光斑小、准直性良好，通过光学系统的光束偏振性小、 聚焦深度大、穿透能力强；同时可有效消除半阴影效应(Penumbra Effect)等优越 性。以Particles为光源的光刻技术以Particles为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻，特别是电 子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用，目前仍然占有霸主地位，没有被 取代的

7、迹象;但电子束光刻由于它的产能问题，一直没有在半导体生产线上发挥作用, 因此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技术推进半导体生产线。特别是在近几 年，取得了很大成就，产能已经提高到20片/h(6 200 mm圆片)。电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度 散射投影电子束光刻(SCALPEL)和扫描探针电子束光刻技术(SPL)。传统的电子束光 刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热/冷场发射(FE)比六鹏化镧(LaB6) 热游离(TE)发射的亮度能提高1001000倍之多，因此，热/冷场发射是目前的主流， 分辨率覆盖了 100200 nm的范围。但由于传统电子束

8、光刻存在前散射效应、背散 射效应和邻近效应等，有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题， 由此产生了低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透 镜与扫描电子显微镜(SEM)基本一样，将低能电子打入基底材料或者抗蚀剂，以单层 或者多层L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)为抗蚀剂，分辨率可达到10 nm以下。 扫描探针电子束光刻技术(SPL)是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜原理，将 探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性化学作用，如 刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。另外一种比较有潜力的电子束光刻技术是 SCALP

9、EL,由于SCALPEL的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版(又称鼓 膜)和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高(纳米级)、聚焦深度长、掩模版制 作容易和产能高等优势，很多专家认为SCALPEL是光学光刻技术退出历史舞台后，半 导体大生产进入纳米阶段的主流光刻技术，因此，有人称之为后光学光刻技术。粒子束光刻发展较快的有聚焦粒子束光刻(FIB)和投影粒子束光刻，由于光学 光刻的不断进步和不断满足工业生产的需要，使离子束光刻的应用已经有所扩展，如 FIB技术目前主要的应用是将FIB与FE-SEM连用，扩展SEM的功能和使得SEM观察 方便;另外，通过方便的注射含金属、介电质的气体进入F

10、TB室，聚焦离子分解吸附 在晶圆表面的气体，可完成金属淀积、强化金属刻蚀、介电质淀积和强化介电质刻 蚀等作用。投影粒子束光刻的优点很明显，但缺点也很明显，如无背向散射效应和邻 近效应，聚焦深度长，大于l0um,单次照射面积大，故产能高，目前可达6 200 mm硅 片60片/h,可控制粒子对抗蚀剂的渗透深度，较容易制造宽高比较大的三维图形等 等;但也有很多缺点,如因为空间电荷效应，使得分辨率不好，目前只达到8065 nm, 较厚的掩模版散热差，易受热变形，有些时候还需要添加冷却装置等等。物理接触式光刻技术通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发，但和光刻技 术相提并论，并纳入光刻

11、领域是产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技 术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括Printing、Molding和 Embossing,其核心是纳米级模版的制作，物理接触式光刻技术中，以目前纳米压印技 术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经达到了 10 nm,而且图形的均一性完全符 合大生产的要求，目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物 器件，预测也将是未来半导体厂商实现32 nm技术节点生产的主流技术。由于目前 实际的半导体规模生产技术还处在使用光学光刻技术苦苦探索和解决65 nm工艺中 的一些技术问题，而纳米压印技术近期在一些公司的研究中心工艺上取

12、得的突破以 及验证的技术优势,特别是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)为一些半 导体设计和工艺研究中心提供的成套光刻系统(包括涂胶机、纳米压印光刻机和等 离子蚀刻系统)取得的满意数据，使得人们觉得似乎真正找到了纳米制造技术的突破 口。其它光刻技术光刻技术常见的技术方案如上所述的紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻 等，以广为业界的人们所熟悉。但近年来，在人们为纳米级光刻技术探索出路的同时, 也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中,主要有干涉光刻技术(CIL)、激光聚焦中 性原子束光刻、立体光刻技术、全息光刻技术和扫描电化学光刻技术等等。其中成 像干涉光刻技

13、术(IIL )发展最快，主要是利用通过掩模版光束的空间频率降低，可使 透镜系统收集，然后再还原为原来的空间频率，照射衬底材料上的抗蚀剂，传递掩模 版图形，可以解决传统光学光刻受限于投影透镜的传递质量和品质，无法收集光束的 较高频率部分，使图形失真的问题。其他的光刻技术因为在技术上取得的突破甚微, 距离应用相当遥远，此处不再赘述。未来光刻技术的发展随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义 上的范畴，如上所述,它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和 微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的，应用领域的不同会 有所不同,但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言，实现其纳米水平产业化 的光刻技术将分成两个阶段，即9032 nm阶段将仍然由深紫外和极紫外光刻结合一 些新的技术手段去完成，同时纳米压印和扫描探针光刻技术在45