光刻技術及其應用的現(xiàn)狀與展望

1、光刻技術及其應用的現(xiàn)狀與展望光刻技術及其應用的現(xiàn)狀與展望 1 引言 光刻技術作為半導體及其相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步的關鍵技術之一，一方面在過去的幾十年中發(fā)揮了重大作用；另一方面，隨著光刻技術在應用中技術問題的增多、用戶對應用本身需求的提高和光刻技術進步滯后于其他技術的進步凸顯等等，尋找解決技術障礙的新方案、尋找coo更加低的技術和找到下一倆代可行的技術路徑，去支持產(chǎn)業(yè)的進步也顯得非常緊迫，備受人們的關注。就像itrs對未來技術路徑的修訂一樣，上世紀基本上35年修正一次，而進入本世紀后，基本上每年都有修正和新的版本出現(xiàn)，這充分說明了光刻技術的重要性和對產(chǎn)業(yè)進步的影響。2005年itrs對未來幾種可能光

2、刻技術方案進行預測。也正是基于這一點，新一輪技術和市場的競爭正在如火如荼的展開，大量的研發(fā)和開發(fā)資金投入到了這場競賽中。因此，正確把握光刻技術發(fā)展的主流十分重要，不僅可以節(jié)省時間和金錢，同時可以縮短和用戶使用之間的周期、縮短開發(fā)投入的回報時間，因為光刻技術開發(fā)的投入比較龐大。2 光刻技術的現(xiàn)狀及其應用狀況 眾說周知，電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流和不可阻擋的趨勢是“輕、薄、短、小”，這給光刻技術提出的技術方向是不斷提高其分辨率，即提高可以完成轉印圖形或者加工圖形的最小間距或者寬度，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求；另一方面，光刻工藝在整個工藝過程中的多次性使得光刻技術的穩(wěn)定性、可靠性和工藝成品率對產(chǎn)品的質(zhì)量、良率和成

3、本有著重要的影響，這也要求光刻技術在滿足技術需求的前提下，具有較低的coo和coc。因此，光刻技術的紛爭主要是廠家可以提供給用戶什么樣分辨率和產(chǎn)能的設備及其相關的技術。 以photons為光源的光刻技術 在光刻技術的研究和開發(fā)中，以光子為基礎的光刻技術種類很多，但產(chǎn)業(yè)化前景較好的主要是紫外(uv)光刻技術、深紫外(duv)光刻技術、極紫外(euv)光刻技術和x射線(x-ray)光刻技術。不但取得了很大成就，而且是目前產(chǎn)業(yè)中使用最多的技術，特別是前兩種技術，在半導體工業(yè)的進步中，起到了重要作用。 紫外光刻技術是以高壓和超高壓汞(hg)或者汞-氙(hg-xe)弧燈在近紫外(350450nm)的3條

4、光強很強的光譜(g、h、i線)線，特別是波長為365nm的i線為光源，配合使用像離軸照明技術(oai)、移相掩模技術(psm)、光學接近矯正技術(opc)等等，可為m的大生產(chǎn)提供成熟的技術支持和設備保障，在目前任何一家fab中，此類設備和技術會占整個光刻技術至少50的份額；同時，還覆蓋了低端和特殊領域?qū)饪碳夹g的要求。光學系統(tǒng)的結構方面，有全反射式(catoptrics)投影光學系統(tǒng)、折反射式(catadioptrics)系統(tǒng)和折射式(dioptrics)系統(tǒng)等。主要供應商是眾所周知的asml、nikon、canon、ultratech和suss microtech等等。系統(tǒng)的類型方面，asm

5、l以提供前工程的l:4步進掃描系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋m：nikon以提供前工程的1：5步進重復系統(tǒng)和lcd的1：1步進重復系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋m和2m；canon以提供前工程的1：4步進重復系統(tǒng)和lcd的1：1步進重復系統(tǒng)為主，分辨率也覆蓋m和1m；ultratech以提供低端前工程的1：5步進重復系統(tǒng)和特殊用途(先進封裝mems，薄膜磁頭等等)的1：1步進重復系統(tǒng)為主；而suss mictotech以提供低端前工程的l：1接觸接近式系統(tǒng)和特殊用途(先進封裝memshdi等等)的1：1接觸接近式系為主。另外，在這個領域的系統(tǒng)供應商還有ushlo、tamarack和ev group等。 深紫外技術

6、是以krf氣體在高壓受激而產(chǎn)生的等離子體發(fā)出的深紫外波長(248 nm和193 nm)的激光作為光源，配合使用i線系統(tǒng)使用的一些成熟技術和分辨率增強技術(ret)、高折射率圖形傳遞介質(zhì)(如浸沒式光刻使用折射率常數(shù)大于1的液體)等，可完全滿足m和018m90 nm的生產(chǎn)線要求；同時，9065 nm的大生產(chǎn)技術已經(jīng)在開發(fā)中，如光刻的成品率問題、光刻膠的問題、光刻工藝中缺陷和顆粒的控制等，仍然在突破中；至于深紫外技術能否滿足6545 nm的大生產(chǎn)工藝要求，目前尚無明確的技術支持。相比之下，由于深紫外(248 nm和193 nm)激光的波長更短，對光學系統(tǒng)材料的開發(fā)和選擇、激光器功率的提高等要求更高。

7、目前材料主要使用的是融石英(fused silica)和氟化鈣(gaf2)，激光器的功率已經(jīng)達到了4 kw，浸沒式光刻使用的液體介質(zhì)常數(shù)已經(jīng)達到等，使得光刻技術在選擇哪種技術完成100nm以下的生產(chǎn)任務時，經(jīng)過幾年的沉默后又開始活躍起來了。投影成像系統(tǒng)方面，主要有反射式系統(tǒng)(catoptrics)、折射式系統(tǒng)(dioptrics)和折反射式系統(tǒng)(catadioptrics)，如圖2所示。在過去的幾十年中，折射式系統(tǒng)由于能夠大大提高系統(tǒng)的分辨率而起到了非常重要的作用，但由于折射式系統(tǒng)隨著分辨率的提高，對光譜的帶寬要求越來越窄、透鏡中鏡片組的數(shù)量越來越多和成本越來越高等原因，使得折反射式系統(tǒng)的優(yōu)點

8、逐漸顯示了出來。專家預測折反射式系統(tǒng)可能成為未來光學系統(tǒng)的主流技術，如nikon公司和canon公司用于fpd產(chǎn)業(yè)的光刻機，都采用折反射式系統(tǒng)，他們以前并沒有將這種光學系統(tǒng)用于半導體領域的光刻機，而是使用折射式系統(tǒng)，像asml公司一樣。但隨著技術的進步和用戶需求的提高，他們也將折反射技術使用到了半導體領域的光刻機上。極紫外光刻技術承擔了目前大生產(chǎn)技術中關鍵層的光刻工藝，占有整個光刻技術的40左右。不像紫外技術，涉入的公司較多，深紫外技術完全由asml、nikon和canon三大公司壟斷，所有設備都以前工程使用的1：4步進掃描系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋了90 nm的整個范圍。值得一提的是，在9065

9、nm的大生產(chǎn)技術開發(fā)中，asml已經(jīng)走在了其他兩家的前面，同時，45 nm技術的實驗室工藝已經(jīng)成功，設備已經(jīng)開始量產(chǎn)，這使得以氟(f2)(157 nm)為光源的光刻技術前景變得十分暗淡，專家預測的氟(f2)將是最后一代光學光刻技術的可能性已經(jīng)十分小了，主要原因不是深紫外技術發(fā)展的迅速，而是以氟(f2)為光源的光刻技術諸如透鏡材料只能使用氟化鈣(caf2)、抗蝕劑開發(fā)緩慢、系統(tǒng)結構設計最終沒有方向和最后的分辨率只能達到80 nm等等因素。 極紫外(euv)光刻技術早期有波長10100 nm和波長125 nm的軟x光兩種，兩者的主要區(qū)別是成像方式，而非波長范圍。前者以縮小投影方式為主，后者以接觸接

10、近式為主，目前的研發(fā)和開發(fā)主要集中在13 nm波長的系統(tǒng)上。極紫外系統(tǒng)的分辨率主要瞄準在1316 nm的生產(chǎn)上。光學系統(tǒng)結構上，由于很多物質(zhì)對13 nm波長具有很強的吸收作用，透射式系統(tǒng)達不到要求，開發(fā)的系統(tǒng)以多層的鋁(al)膜加一層mgf2保護膜的反射鏡所構成的反射式系統(tǒng)居多。主要是利用了當反射膜的厚度滿足布拉格(bragg)方程時，可得到最大反射率，供反射鏡用。目前這種系統(tǒng)主要由一些大學和研究機構在進行技術研發(fā)和樣機開發(fā)，光源的功率提高和反射光學系統(tǒng)方面進步很快，但還沒有產(chǎn)業(yè)化的公司介入?？紤]到技術的延續(xù)性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成本等因素，極紫外(euv)光刻技術是眾多專家和公司看好的、能夠滿足未來

11、16 nm生產(chǎn)的主要技術。但由于極紫外(euv)光刻掩模版的成本愈來愈高，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中由于掩模版的費用增加會導致生產(chǎn)成本的增加，進而會大大降低產(chǎn)品的競爭力，這是極紫外(euv)光刻技術快速應用的主要障礙。為了降低成本，國外有的研發(fā)機構利用極紫外(euv)光源，結合電子束無掩模版的思想，開發(fā)成功了極紫外(euv)無掩模版光刻系統(tǒng)，但還沒有商品化，進入生產(chǎn)線。 x射線光刻技術也是20世紀80年代發(fā)展非常迅速的、為滿足分辨率100 nm以下要求生產(chǎn)的技術之一。主要分支是傳統(tǒng)靶極x光、激光誘發(fā)等離子x光和同步輻射x光光刻技術。特別是同步輻射x光(主要是 nm)作為光源的x光刻技術，光源具有功率高、亮度

12、高、光斑小、準直性良好，通過光學系統(tǒng)的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力強；同時可有效消除半陰影效應(penumbra effect)等優(yōu)越性。x射線光刻技術發(fā)展的主要困難是系統(tǒng)體積龐大，系統(tǒng)價格昂貴和運行成本居高不下等等。不過最新的研究成果顯示，不僅x射線光源的體積可以大大減小，近而使系統(tǒng)的體積減小外，而且一個x光光源可開出多達20束x光，成本大幅降低，可與深紫外光光刻技術競爭。 以particles為光源的光刻技術 以particles為光源的光刻技術主要包括粒子束光刻、電子束光刻，特別是電子束光刻技術，在掩模版制造業(yè)中發(fā)揮了重要作用，目前仍然占有霸主地位，沒有被取代的跡象；但電子束光刻由

13、于它的產(chǎn)能問題，一直沒有在半導體生產(chǎn)線上發(fā)揮作用，因此，人們一直想把縮小投影式電子束光刻技術推進半導體生產(chǎn)線。特別是在近幾年，取得了很大成就，產(chǎn)能已經(jīng)提高到20片h(200 mm圓片)。 電子束光刻進展和研發(fā)較快的是傳統(tǒng)電子束光刻、低能電子束光刻、限角度散射投影電子束光刻(scalpel)和掃描探針電子束光刻技術(spl)。傳統(tǒng)的電子束光刻已經(jīng)為人們在掩模版制造業(yè)中廣泛接受，由于熱冷場發(fā)射(fe)比六鵬化鑭(lab6)熱游離(te)發(fā)射的亮度能提高1001000倍之多，因此，熱冷場發(fā)射是目前的主流，分辨率覆蓋了100200 nm的范圍。但由于傳統(tǒng)電子束光刻存在前散射效應、背散射效應和鄰近效應等

14、，有時會造成光致抗蝕劑圖形失真和電子損傷基底材料等問題，由此產(chǎn)生了低能電子束光刻和掃描探針電子束光刻。低能電子束光刻光源和電子透鏡與掃描電子顯微鏡(sem)基本一樣，將低能電子打入基底材料或者抗蝕劑，以單層或者多層l-b膜(langmuir-blodgett film)為抗蝕劑，分辨率可達到10 nm以下，目前在實驗室和科研單位使用較多。掃描探針電子束光刻技術(spl)是利用掃描隧道電子顯微鏡和原子力顯微鏡原理，將探針產(chǎn)生的電子束，在基底或者抗蝕劑材料上直接激發(fā)或者誘發(fā)選擇性化學作用，如刻蝕或者淀積進行微細圖形加工和制造。spl目前比較成熟，主要應用領域是mems和moems等納米器件的制造，

15、隨著納米制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，掃描探針電子束光刻技術(spl)的前景有望與光學光刻媲美。另外一種比較有潛力的電子束光刻技術是scalpel，由于scalpel的原理非常類似于光學光刻技術，使用散射式掩模版(又稱鼓膜)和縮小分步掃描投影工作方式，具有分辨率高(納米級)、聚焦深度長、掩模版制作容易和產(chǎn)能高等優(yōu)勢，很多專家認為scalpel是光學光刻技術退出歷史舞臺后，半導體大生產(chǎn)進入納米階段的主流光刻技術，因此，有人稱之為后光學光刻技術。 粒子束光刻發(fā)展較快的有聚焦粒子束光刻(fib)和投影粒子束光刻，由于光學光刻的不斷進步和不斷滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，使離子束光刻的應用已經(jīng)有所擴展，如fib技術目前主

16、要的應用是將fib與fe-sem連用，擴展sem的功能和使得sem觀察方便；另外，通過方便的注射含金屬、介電質(zhì)的氣體進入ftb室，聚焦離子分解吸附在晶圓表面的氣體，可完成金屬淀積、強化金屬刻蝕、介電質(zhì)淀積和強化介電質(zhì)刻蝕等作用。投影粒子束光刻的優(yōu)點很明顯，但缺點也很明顯，如無背向散射效應和鄰近效應，聚焦深度長，大于l0m，單次照射面積大，故產(chǎn)能高，目前可達200 mm硅片60片h，可控制粒子對抗蝕劑的滲透深度，較容易制造寬高比較大的三維圖形等等；但也有很多缺點，如因為空間電荷效應，使得分辨率不好，目前只達到8065 nm，較厚的掩模版散熱差，易受熱變形，有些時候還需要添加冷卻裝置等等。近幾年由

17、于電子束光刻應用的迅速擴展，粒子束光刻除了在fib領域的應用被人們接受外，在mems的納米器件制作領域也落后于電子束和光學光刻，同時，人們對其在未來半導體產(chǎn)業(yè)中的應用也沒有給予厚望。 物理接觸式光刻技術 通過物理接觸方式進行圖像轉印和圖形加工的方法有多年的開發(fā)，但和光刻技術相提并論，并納入光刻領域是產(chǎn)業(yè)對光刻技術的要求步入納米階段和納米壓印技術取得了技術突破以后。物理接觸式光刻主要包括printing、molding和embossing，其核心是納米級模版的制作。物理接觸式光刻技術中，以目前納米壓印技術最為成熟和受人們關注，它的分辨率已經(jīng)達到了10 nm，而且圖形的均一性完全符合大生產(chǎn)的要求，

18、目前的主要應用領域是mems、moems、微應用流體學器件和生物器件，預測也將是未來半導體廠商實現(xiàn)32 nm技術節(jié)點生產(chǎn)的主流技術。由于目前實際的半導體規(guī)模生產(chǎn)技術還處在使用光學光刻技術苦苦探索和解決65 nm工藝中的一些技術問題，而納米壓印技術近期在一些公司的研究中心工藝上取得的突破以及驗證的技術優(yōu)勢，特別是ev group和mii(molecular imprinting inc)為一些半導體設計和工藝研究中心提供的成套光刻系統(tǒng)(包括涂膠機、納米壓印光刻機和等離子蝕刻系統(tǒng))取得的滿意數(shù)據(jù)，使得人們覺得似乎真正找到了納米制造技術的突破口。因此，一些專家預測，到2015年，市場對納米成像工具、

19、模版、光刻膠以及其他耗材的需求將達到約15億美元，最大的客戶仍然是半導體產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)品制造業(yè)，約占52左右。另外，值得一提的是，納米壓印技術中最具被半導體工業(yè)化所首選的是軟光刻技術。技術優(yōu)點是結合了納米壓印的思想和紫外光刻良好的對準特性，即可靈活的選擇多層軟模型，進行精確對位，也可在室溫下工作，使用低于100kpa的壓力壓印。 其它光刻技術光刻技術常見的技術方案如上所述的紫外光刻、電子束光刻、納米壓印光刻等，以廣為業(yè)界的人們所熟悉。但近年來，在人們?yōu)榧{米級光刻技術探索出路的同時，也出現(xiàn)了許多新的技術應用于光刻工藝中，主要有干涉光刻技術(cil)、激光聚焦中性原子束光刻、立體光刻技術、全息光刻

20、技術和掃描電化學光刻技術等等。其中成像干涉光刻技術(iil)發(fā)展最快，主要是利用通過掩模版光束的空間頻率降低，可使透鏡系統(tǒng)收集，然后再還原為原來的空間頻率，照射襯底材料上的抗蝕劑，傳遞掩模版圖形，可以解決傳統(tǒng)光學光刻受限于投影透鏡的傳遞質(zhì)量和品質(zhì)，無法收集光束的較高頻率部分，使圖形失真的問題。其他的光刻技術因為在技術上取得的突破甚微，距離應用相當遙遠，此處不再贅述。 3 光刻技術的技術性和經(jīng)濟性比較光刻技術作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術手段，那種技術為產(chǎn)業(yè)界所普遍接受和采納，是一個集技術性和經(jīng)濟性綜合比較的產(chǎn)物。一方面，就狹義光刻技術(包括光刻機技術、涂膠現(xiàn)像機技術等)本身而言，有技術和經(jīng)濟的權衡；另一方

21、面，光刻技術的進步還會受到廣義上光刻技術（還包括掩模版及其制造技術、光刻膠及其制造技術、蝕刻和粒子注入技術等）的影響。因此，本文就以2005年itrs對光刻技術的修訂內(nèi)容，對光刻技術在技術性和經(jīng)濟性方面發(fā)表點拙見。 技術性比較一方面，從目前幾種光刻技術本身的發(fā)展和開發(fā)使用狀況來看，深紫外光刻、極紫外光刻、限角度散射投影電子束光刻、掃描探針電子束光刻技術、納米壓印光刻等，在能力上都有可能解決90 nm以下的半導體產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)問題，但真正產(chǎn)業(yè)化都有問題，如本文第一部分論述；另一方面，從技術的標準和如何與已經(jīng)形成的現(xiàn)有光刻的龐大體系相互融合，順利過渡，這些技術所處的狀態(tài)各不相同。就像半

22、導體產(chǎn)業(yè)在20世紀8090年代的發(fā)展過程中，工藝技術形成了23個大的ip體系，也就是以ibm和ti等為核心的體系、以siement和toshiba為核心的體系一樣，光刻技術目前逐漸也在形成23大體系，特別是光學光刻技術和納米壓印技術，這就意味著那個體系發(fā)展快，產(chǎn)業(yè)化進程迅速，良好解決了技術的銜接和過渡，誰就是技術標準，誰就是產(chǎn)業(yè)標準。因此，技術性的比較也有戰(zhàn)略的競爭，就像asml體系與nikon和canon體系的競爭，ev group體系和mii體系的競爭。專家預測，半導體產(chǎn)業(yè)在本世紀初將會有大的并購和重組，我們可以清楚的看到，已經(jīng)發(fā)生和正在發(fā)生的并購和重組實際上是體系的并購和重組，新的標準的產(chǎn)生過程。 經(jīng)濟性比較相比較于技術性，經(jīng)濟性的比較盡管包含了系統(tǒng)本身的成本、系統(tǒng)的運行成本、掩模版制造成本、光刻膠的制造及消耗成本、配套檢測和工藝監(jiān)控設備的投入成本等，但我們可以量化它，固定制約的因素，就像2005年itrs修訂后對光刻成本的預測一樣，如圖6所示，只要確定了技術路徑和標準，經(jīng)濟性的比較非常清楚。4 未來光刻技術的發(fā)展隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術進步和發(fā)展，光刻技術及其應