浸没式光刻技术的发展

浸没式光刻技术的发展

现代微波技术在摩尔定法中不断发展。光刻技术也经历了从g线（436nm）、i线（365nm）到深度和紫外248nm、现在的193nm光刻技术的发展过程。光刻胶也是最好的。光刻胶中的主要成分，如成膜树脂、光切剂和添加剂，也随着光刻胶的广泛整合而变化。目前集成电路制作中使用的主要光刻胶见表1。光刻可能方案在2007年的的国际半导体技术线路图中,对32nm的下一代光刻技术提出了5种可能方案:193nm浸没式光刻+双重曝光/双重图形,EUV(极紫外)光刻,193nm浸没式光刻+高折射率浸没流体+高折射率透镜,无掩膜电子束光刻,纳米压印。119浸没液体光刻技术的应用和发展方向曝光机的数值孔径NA=nSinθ,n为透镜与基片之间介质的折射率,θ为透镜的接受角。传统的“干法”光刻系统中,透镜与基片之间介质为空气,n等于1,NA的理论最大值是1(实际上它的极限值为0.93)。增大透镜与基片之间介质的折射率,可以提高NA值。基于这一原理,2002年193nm浸没式光刻技术应运而生,见图1。它采用高纯水作为透镜与基片之间填充介质,由于水在193nm波长的折射率为1.44,比空气大,一方面提高了透镜的NA值,另一方面光通过水介质后,波长变短,由193nm变成193nm/1.44=134nm,双重作用使分辨率提高。除了提高NA值和分辨率外,浸没式光刻技术还有第二个优越性,它可在相同的NA下提供比干法设备更大的焦深,这可提高工艺极限,能在较难的工艺流程中得到更高的良率。浸没式光刻早期存在的水印、气泡和残余物等缺陷问题已解决,已成为一种主流性的光刻技术。水为介质的浸没式光刻技术在2008年已用于45nm技术节点的量产。采用的光刻胶大多为193nm干法光刻胶加顶部涂层,顶部涂料(topcoat)是涂制在光刻胶膜表面的一层材料,在光刻胶膜上形成一层保护层,避免光刻胶与浸没液体的直接接触,是解决光刻胶组分在浸没液体中的浸出及污染等系列问题的有效手段。随着浸没式光刻技术的发展,以水为浸没介质的193nm浸没式光刻技术的数值孔径达到了理论极限1.35,这项技术的下一个发展方向是使用高折射率的浸没液体和镜头材料。而通过采用第二代浸没液体(折射率~1.65),其NA能够达到1.45,如果再配合使用高折射率镜头材料(镥铝石榴石),其NA就可以增加到1.55。采用第三代折射率达到~1.8的浸没液体及高折射率镜头材料,NA就可以增加到1.75,这时需要具有近似折射率的高折射率光刻胶。1.11mn光刻技术一开始,半导体业界普遍相信曝光波长为13.5nm的极紫外光刻技术(EUVL)将在2009~2010进入市场,满足32nm的需求。然而事与愿违,在过去的几年中这项技术进展缓慢,相反,得益于双重成像技术(doublepatterning,DP)的ArF浸没式光刻技术已经成为联系193nm光刻技术和EUVL之间的纽带。193nm浸没式光刻(NA=1.35)单步曝光工艺,能够实现32nm的分辨率。双重成像技术的成像原理是通过将密集的电路图形一分为二,从而降低每次图形密度,使分辨率接近22nm。对于DP技术而言,图形线宽的均匀性和套准是尤为关键的两个技术指标。至于需要它们达到哪种程度,那就得取决于所采用的DP方案了。目前已有多种不同的双重曝光技术,但仍然没有一套符合大规模量产要求的切实可行的操作方案。双重成像技术需要使用额外的掩膜版,需要增加更多的工艺步骤,需要更长的工艺周期,这些都会大幅度增加光刻成本,降低生产效率。浸没式光刻和双重成像技术是目前能获得最高分辨率的光刻技术。NAND芯片的制造商认为在32nm技术节点中将采用双重成像加上基于水的浸没式光刻技术。IBM公司坚信193nm浸没式光刻技术肯定可以用于32nm制程的芯片生产,如此便可降低更换新设备所需的成本。1.21双光刻胶材料采用第二代浸没液体(折射率~1.65),再结合使用高折射率透镜(LuAG透镜),NA就可以增加到1.55,如果再结合使用双重曝光技术,那么可成为对半节距为22nm技术节点的理想解决方案。采用第三代折射率达到~1.8的浸没液体及高折射率透镜,NA就可以增加到1.70,再结合使用高折射率光刻胶(折射率>1.9),再结合其他光刻技术,可能成为半节距为22nm、甚至是16nm技术节点提供光刻的解决方案。但这些解决方案不是天上掉馅饼,还存在很多问题,需要进行不断研发才能将其变为现实。JSR和DuPont都成功的实现了第二代浸没液体(折射率~1.65)。SchottLithotec在镥铝石榴石(LuAG)高折射率镜头材料方面取得重大进展。JSR宣布开发出对应32nm级工艺的ArF浸没光刻的无顶涂层光刻胶,并且同尼康及东京电子共同进行了光刻性能、缺陷、生产性等方面的评估,评估显示可用于先进内存及32nm半导体量产。Sematech进行了高折射率光刻胶材料的开发,目标是使光刻胶的折射率能够>1.9,并取得了很大进展。但只有在采用第三代浸没流体材料时才会需要使用高折射率的光刻胶。由于高折射率透镜材料的吸光率问题还没有得到完全解决,目前还没有一家光刻设备制造商开发出整合有第二代流体材料、具有高NA投影光路的全尺寸、高NA的浸没式光刻设备。2euv光刻胶由于对高折射率技术成功与否存在疑虑,在浸没式光刻技术发展的同时,业界也在不断推动EUV技术。在32nm技术以下,EUV光刻技术最有可能取代ArF浸没式光刻技术,进而成为主流的生产技术解决方案。EUV光刻技术中最为关键、紧迫的难题是光源的功率和使用寿命、光刻胶的分辨率和敏感度以及光掩膜版的缺陷密度。高能光源是实现大规模量产并降低成本的前提和保障。根据预测,功率>115W的光源可以确保涂有敏感度为5mJ/cm2光刻胶的硅片的产能>100片/h,对于敏感度达到10mJ/cm2的光刻胶就需要180W的光源,而敏感度高于20mJ/cm2的光刻胶甚至需要200W以上的光源以满足量产需求。目前EUV光源的功率可达到100~115W,而化学增幅型光刻胶的敏感度大多在10~30mJ/cm2。EUV光源的功率与大规模量产要求(产能>100片/h)还有距离。业界大多认为EUV的机会在22nm或16nm之后。Sematech宣布通过与主要的光刻胶供应商的合作,开发出了化学特性放大的EUV光刻胶,可支持22nm半节距分辨率。Rohm&Haas声称其EUV光刻胶研发也已经达到25nm的技术水平。德州大学奥斯汀分校RashidEngineering董事会主席GrantWillson认为纳米压印光刻被用于32nm节点的可能性是很低的。存在的最大问题是需要1∶1的无缺陷的模板。无掩膜电子束光刻胶由于曝光区域小,生产效率低,不适合大规模生产。MIT的Smith认为电子束光刻用于32nm节点的可能性实际上等于零。我国半导体工业和光刻胶行业处于周期的20个月2007年年底统计,我国已投产的芯片生产线超过50条,其中12英寸线3条,8英寸线12条,6英寸线12条,5英寸及以下23条。从数量上看,国内8/12英寸芯片生产线已经占国内芯片生产线总数的1/4;从产能上看,8/12英寸芯片生产线产能占国内芯片总产能2/3。可以说,8英寸以上的高端生产线已经开始成为国内芯片制造行业的主体,国内芯片制造行业开始迈向高端。“十一五”期间重点发展12英寸集成电路生产线,建设5条以上12英寸芯片生产线;建设10条8英寸芯片生产线。2007年英特尔在大连建立12英寸芯片厂,这不但是英特尔进入中国市场的里程碑,也是世界半导体制造业向中国转移的里程碑。3~5年之后中国半导体业将拥有全球IDM首位的英特尓大连厂、全球存储器大厂苏州尔必达及无锡海力士、全球代工顶级厂台积电及中芯国际。未来中国将成为全球半导体工业的重镇。在液晶显示器方面,我国已有京东方、上广电、龙腾光电3条5代TFT-LCD面板生产线,上海天马一条4.5代生产线;深超广电一条5代线在建;京东方成都、武汉东湖高新区2条4.5代线在建。我国集成电路、液晶显示器行业的蓬勃发展对光刻胶的需求量快速增长。我国的光刻胶市场在2003年市场规模为1亿元,而2005年的光刻胶市场规模已增长到2.5亿元左右,年增长率超过50%,远远超过国际光刻胶的增长速度。预计2010年光刻胶市场规模将达到20亿元,光刻胶需求量将占全球总量20%左右。从对光刻胶的需求量来看,目前及今后的相当一段时间之内,紫外光刻胶的用量还将占据主导地位,紫外负型光刻胶的用量约100t/a,紫外正型光刻胶的用量(包括LCD)在500t以上,而深紫外光刻胶的市场需求将呈快速上升态势,预计到“十一五”末至“十二五”初,对于深紫外光刻胶的需求将突破百吨的规模。国内光刻胶产业技术研究及生产目前我国光刻胶与国际先进水平相比,在产品上大约相差4代以上。国外已经推出用于45nm技术节点的商品化193nm浸没式光刻胶,我国只有低档g线正胶产品。高分辨g、i线正胶、248nm和193nm深紫外光刻胶均需依赖进口。“十五”期间,科技部为了尽快缩小光刻技术配套用材料与国际先进水平的差距,将新型高性能光刻胶列入了“863”重大专项计划之中,并且跨过0.35μm和0.25μm工艺用I线正型光刻胶和248nm深紫外光刻胶两个台阶,直接开展0.13~0.10μm工艺用193nm光刻胶的研究及电子束光刻胶的研究。我国目前具有0.13~0.10μm工艺用193nm光刻胶的研究及电子束光刻胶的小试技术,但没有形成规模生产,没有商品化产品。“十一五”期间,“ULSI专用248nm深紫外光刻胶产业化技术研究”和“ULSI专用193nm深紫外光刻胶中试技术研究”列入了“863”重大专项计划之中。国内从事光刻胶研究及生产的主要厂家有北京科华微电子材料有限公司、苏州瑞红电子材料公司和无锡化工研究设计院。目前国内IC行业对光刻胶的需求量见表2。苏州瑞红电子材料公司紫外负型光刻胶形成了年产20t左右的规模,正胶年产20t左右的规模。无锡化工研究院的电子束胶可提供少量产品,但0.5μm以下技术用的高档电子束胶目前还必须全部依赖进口。北京科华微电子材料有限公司成立于2004年8月13日,为中外合资企业,位于北京天竺空港出口加工区,建有光刻胶研发实验室和生产基地,其中的生产基地将以紫外正型光刻胶的生产为主,产品包括高档g线正胶、i线正胶和TFT-LCD用正胶及相关的配套试剂。基地于2008年底建成投产,其中的正型光刻胶生产线是国内第一个拥有自主知识产权的现代化的百吨级正型光刻胶生产线。在即将建成的现代化厂房中已经为248nm深紫外光刻胶的产业化建设预留出了所需的空间。另外科华的燕山基地以紫外负型光刻胶及配套试剂为主,其中负胶生产为100t级规模,配套试剂为千吨级规模,是国内规模最大的负胶和配套试剂生产基地。我国光刻胶的应用情况对应于2007年国际半导体技术线路图中提出的下一代光刻技术发展趋势,国际上光刻胶的近期发展趋势是:用于32nm的无需顶部涂层的193nm浸没式光刻胶,高折射率的193nm浸没式光刻胶,高光敏性的EUV光刻胶等。而我国与国际先进水平相比,差距巨大。目前我国只有低档g线正胶产品,高分辨g线正胶、i线正胶、248nm和193nm深紫外光刻胶均需依赖进口。考虑到我国集成电路产业现状对光刻胶的需求,再结合我国光刻胶的现状,我国光刻胶的近期发展趋势主要是实现主流光刻胶产品产业化,按需解决的先后顺序排列如下:1胶种和有限元这两种光刻胶是目前我国在IC行业、TFT-LCD行业用量最大的胶种,国内无能力供应,全部依赖进口。高分辨g线光刻胶、i线光刻胶的国产化是当务之急。224第5条以上12石英生产线截止到2007年底,我国有8英寸线12条,12英寸线3条,8/12英寸芯片生产线产能占国内芯片总产能2/3。“十一五”期间将5条以上12英寸生产线;建设10条8英寸生产线,8英寸以上的高端生产线已经开始成为国内芯片制造行业的主体。对248nm光刻胶的需求呈快速增长趋势,248nm光刻胶将成为继紫外正型光刻胶之后用量第二的胶种,具有广阔的市场前景。248nm光刻胶的产业化(百吨级)已列入国家“十一五”和863我国重大专项计划之中。319光刻胶研究上取得新突破国际芯片制造已经全面进入12英寸线时代,我国内地12英寸生产线的建设也不断升温。北京、上海、无锡等地的4条12英寸生产线已经陆续投入量产,而武汉、大连、苏州、深圳等地也有多条12英寸生产线在建或拟建。对193nm光刻胶的需求逐步增大。在国际上193nm光刻胶是市场增长率最快胶种。“十五”期间,我国在193nm光刻胶的研究方面取得了突破性的进展,有0.13~0.10μm的小试技术,在此基础上,还要提升193nm光刻胶的质量,使其适用于90~65nm技术节点,并对其再进行中试技术研究。为“十二五”期间193n