光刻技術(shù)及其應用地現(xiàn)狀與展望

1、光刻技術(shù)及其應用的現(xiàn)狀與展望1 引言光刻技術(shù)作為半導體及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)在應用中技術(shù)問題的 增多、用戶對應用本身需求的提高和光刻技術(shù)進步滯后于其他技術(shù)的進步凸顯等 等，尋找解決技術(shù)障礙的新方案、尋找 COO 更加低的技術(shù)和找到下一倆代可行 的技術(shù)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(guān)注。就像 ITRS 對未來技術(shù)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(shù)的重要性和對產(chǎn)業(yè) 進步的影響。2005年ITRS對未來幾種可能光刻技術(shù)

2、方案進行預測。也正是基 于這一點， 新一輪技術(shù)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(shù)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(shù)開發(fā)的投入比較龐大。2 光刻技術(shù)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(shù)提出的技術(shù)方向是不斷提高其分辨率， 即提高可以完成轉(zhuǎn)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(shù)的穩(wěn)定性、 可靠性和工藝

3、成品率對產(chǎn)品 的質(zhì)量、良率和成本有著重要的影響， 這也要求光刻技術(shù)在滿足技術(shù)需求的前提 下，具有較低的 COO 和 COC 。因此，光刻技術(shù)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(shè)備及其相關(guān)的技術(shù)。2.1 以 Photons 為光源的光刻技術(shù)在光刻技術(shù)的研究和開發(fā)中，以光子為基礎(chǔ)的光刻技術(shù)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(shù)、深紫外 (DUV) 光刻技術(shù)、極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)和X射線(X-ray)光刻技術(shù)。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(shù)，特別是前兩種技術(shù)， 在半導體工業(yè)的進步中， 起到了重要作用。紫外光刻技術(shù)是以高壓和超高壓汞

4、(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫外 (350450nm)的3條光強很強的光譜(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(shù) (OAI) 、移相掩模技術(shù) (PSM) 、光學接近矯 正技術(shù)(OPC)等等，可為0.350.25阿 的大生產(chǎn)提供成熟的技術(shù)支持和設(shè)備保 障，在目前任何一家 FAB 中，此類設(shè)備和技術(shù)會占整個光刻技術(shù)至少 50的份 額；同時，還覆蓋了低端和特殊領(lǐng)域?qū)饪碳夹g(shù)的要求。光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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

5、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， ASML 以提供前 工程的1:4步進掃描系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋 0.50.25叩：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 0.8 0.35阿 和20.8阿;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0.80.35阿和10.8阿；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:

6、 1 步進重復系統(tǒng)為主；而 SUSS MICTOTECH 以提供低端前工 程的I ： 1接觸/接近式系統(tǒng)和特殊用途(先進封裝/ MEMS /HDI等等)的1 : 1 接觸接近式系為主。 另外，在這個領(lǐng)域的系統(tǒng)供應商還有 USHlO 、TAMARACK 和 EV Group 等。深紫外技術(shù)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(shù) 和分辨率增強技術(shù)(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0.250.18阿 和0 .18阿90 nm的生產(chǎn)線

7、 要求；同時， 9065 nm 的大生產(chǎn)技術(shù)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(shù)能否滿足 6545 nm 的大生產(chǎn)工藝要求，目前尚無明確的技術(shù)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。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 1.644 等，使得光刻技術(shù)在選擇哪種技術(shù)完成 100nm 以下 的生產(chǎn)任務時， 經(jīng)過

8、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(shù)，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

9、將這種光學系統(tǒng)用于半導體領(lǐng) 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(shù)的進步和 用戶需求的提高， 他們也將折反射技術(shù)使用到了半導體領(lǐng)域的光刻機上。 極紫外 光刻技術(shù)承擔了目前大生產(chǎn)技術(shù)中關(guān)鍵層的光刻工藝，占有整個光刻技術(shù)的 40 左右。不像紫外技術(shù)，涉入的公司較多， 深紫外技術(shù)完全由 ASML 、NIKON 和 CANON 三大公司壟斷，所有設(shè)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 0.2590 nm的整個范圍。值得一提的是，在 9065 nm的大 生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中， ASML 已經(jīng)走在了其他兩家的前面，同時， 45 nm 技術(shù)的實 驗室工藝已經(jīng)成

10、功， 設(shè)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(shù)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(shù)的可能性 已經(jīng)十分小了，主要原因不是深紫外技術(shù)發(fā)展的迅速，而是以氟 (F2)為光源的光 刻技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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

11、。 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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)在進行技術(shù)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。 考慮到技術(shù)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(shù)是眾多專 家和公司看好的、能夠滿足未來 16 nm 生產(chǎn)

12、的主要技術(shù)。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(shù)快速應用的主要障礙。為了降低成本，國外有的研發(fā)機構(gòu)利用極紫外(EUV)光源，結(jié)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(shù)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(shù)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(shù)。特別是同步輻射 X光(主要是0.8 nm)作為光源的 X

13、光刻技術(shù)，光源具有功率高、亮度高、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(shù)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(shù)競爭。2.2 以 Particles 為光源的光刻技術(shù)以 Particles 為光源的光刻技術(shù)主要包括粒子束光刻、 電子束光刻， 特別是 電子束光刻技術(shù)，在掩模

14、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(shù)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(shù)(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

15、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， 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-BlodgettFilm) 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(shù)(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

16、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(lǐng)域是 MEMS 和 MOEMS 等納米器件的制造， 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(shù)(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(shù)是SCALPEL,由于SCALPEL的原理非常類似于光學光刻技 術(shù)，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(shù)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(shù)， 因此，有人稱之為后光學光刻技術(shù)。粒子束光

17、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(shù)目前主要的應用是將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10 pm，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

18、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。 近幾年由于電子束光刻應用的迅速擴展， 粒 子束光刻除了在 FIB 領(lǐng)域的應用被人們接受外，在 MEMS 的納米器件制作領(lǐng)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。2.3 物理接觸式光刻技術(shù)通過物理接觸方式進行圖像轉(zhuǎn)印和圖形加工的方法有多年的開發(fā)，但和光 刻技術(shù)相提并論，并納入光刻領(lǐng)域是產(chǎn)業(yè)對光刻技術(shù)的要求步入納米階段和納米 壓印技術(shù)取得了技術(shù)突破以后

19、。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(shù)中，以目前 納米壓印技術(shù)最為成熟和受人們關(guān)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，目前的主要應用領(lǐng)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(shù)節(jié) 點生產(chǎn)的主流技術(shù)。 由于目前實際的半導體規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)還處在使用光學光刻技 術(shù)苦苦探索和解決 65 nm 工藝中的一些技術(shù)問題，而納米壓印技術(shù)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(shù)優(yōu)勢，特別是 EV

20、Group 和 MII(Molecular Imprinting Inc) 為一些半導體設(shè)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(shù)的突破口。因此，一些專家預測，到 2015 年，市場對納米成像工具、 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(shù)中最具被半導體工業(yè)化所首選的是軟光刻技 術(shù)。技術(shù)優(yōu)點是結(jié)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，

21、也可在室溫下工作，使用低于 100kPa 的壓力 壓印。2.4 其它光刻技術(shù)光刻技術(shù)常見的技術(shù)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(shù)探索出路的 同時，也出現(xiàn)了許多新的技術(shù)應用于光刻工藝中，主要有干涉光刻技術(shù) (CIL)、 激光聚焦中性原子束光刻、 立體光刻技術(shù)、 全息光刻技術(shù)和掃描電化學光刻技術(shù) 等等。其中成像干涉光刻技術(shù) (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

22、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(shù)因 為在技術(shù)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(shù)的技術(shù)性和經(jīng)濟性比較光刻技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)手段，那種技術(shù)為產(chǎn)業(yè)界所普遍接受和采納， 是一個集技術(shù)性和經(jīng)濟性綜合比較的產(chǎn)物。一方面，就狹義光刻技術(shù) (包括光刻 機技術(shù)、涂膠現(xiàn)像機技術(shù)等 )本身而言，有技術(shù)和經(jīng)濟的權(quán)衡；另一方面，光 刻技術(shù)的進步還會受到廣義上光刻技術(shù) (還包括掩模版及其制造技術(shù)、 光刻膠及 其制造技術(shù)、蝕刻和粒子注入技術(shù)等)的影響。因此，本文就以 2005 年 ITRS 對光刻技術(shù)的修訂內(nèi)容，對光刻技術(shù)在技術(shù)性和經(jīng)濟性方

23、面發(fā)表點拙見。3.1 技術(shù)性比較一方面，從目前幾種光刻技術(shù)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(shù)、 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)模化 生產(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(shù)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(shù)所 處的狀態(tài)各不相同。就像半導體產(chǎn)業(yè)在 20世紀8090年代的發(fā)展過程中，工 藝技術(shù)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

24、體系一樣， 光刻技術(shù)目前逐漸也在形成 23 大體 系，特別是光學光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)， 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(shù)的銜接和過渡，誰就是技術(shù)標準，誰就是產(chǎn)業(yè)標準。 因此，技術(shù)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。3.2 經(jīng)濟性比較相比較于技術(shù)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(shè)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(shù)路徑和標準， 經(jīng)濟性的比較 非常清楚。CO ScnsitiLly(HTipjLl to KGWLL ;ij!c-l PtikJik t Yic Id w t rev rki L卄- * 1! W fl *I .iilui rcll RdiJfllltvtMTBG) PrikJtK Id NO ftewurk4未來光刻技