光刻工藝的種類與發(fā)展

1、光刻工藝的種類與發(fā)展物理學(xué)院2008301510009張樂從第一個(gè)晶體管問世算起，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展已有多半個(gè)世紀(jì)了，現(xiàn)在它仍保 持著強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，繼續(xù)遵循Moore定律即芯片集成度18個(gè)月翻一番，每三年器 件尺寸縮小0.7倍的速度發(fā)展。大尺寸、細(xì)線寬、高精度、高效率、低成本的IC 生產(chǎn),正在對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備帶來前所未有的挑戰(zhàn)。集成電路在制造過程中經(jīng)歷了材料制備、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、滲雜、 化學(xué)機(jī)械拋光等多個(gè)工序,其中尤以光刻工藝最為關(guān)鍵，決定著制造工藝的先進(jìn)程 度。隨著集成電路由微米級(jí)向鈉米級(jí)發(fā)展，光刻采用的光波波長(zhǎng)也從近紫外(NUV)區(qū) 間的436nm、365nm波長(zhǎng)進(jìn)入到深紫外(DUV)

2、區(qū)間的248nm、193nm波長(zhǎng)。目前大部 分芯片制造工藝采yong了 248nm和193nm光刻技術(shù)。目前對(duì)于13.5nm波長(zhǎng)的EUV極端遠(yuǎn)紫外光刻技 術(shù)研究也在提速前進(jìn)。光刻工藝的種類很多，我們以時(shí)間為線索，逐個(gè)展開如下：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(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)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(Hg)或者

3、汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫 (350450nm)的3條光強(qiáng)很強(qiáng)的光譜(g、h、i線)線,特別是波長(zhǎng)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(xué)接近矯正技術(shù) (OPC)等等，可為0.350.25um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(huì)占整個(gè)光刻技術(shù)至少50%的份額;同時(shí)，還覆蓋了 低端和特殊領(lǐng)域?qū)饪碳夹g(shù)的要求。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(zhǎng) (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(qiáng)技術(shù)(RET)、高折射率圖形傳遞

4、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O.25 0.18um 和 0.18um90 nm的生產(chǎn)線要求；同時(shí),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(zhǎng)更短，對(duì)光學(xué)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。極紫外(EUV)光刻技術(shù)早期有波長(zhǎng)10100 nm和波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍。前者以縮小投影方式為

5、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(zhǎng)的系統(tǒng)上。極紫外系統(tǒng)的分 辨率主要瞄準(zhǔn)在1316 nm的生產(chǎn)上?？紤]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)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(fèi)用增加會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，進(jìn)而會(huì)大大降低產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，這是極紫外(EUV) 光刻技術(shù)快速應(yīng)用的主要障礙。為了降低成本，國(guó)外有的研發(fā)機(jī)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(jìn)入生產(chǎn)

6、線。X射線光刻技術(shù)也是20世紀(jì)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O.8 nm)作為光源的X光刻技術(shù)， 光源具有功率高、亮度高、光斑小、準(zhǔn)直性良好，通過光學(xué)系統(tǒng)的光束偏振性小、 聚焦深度大、穿透能力強(qiáng)；同時(shí)可有效消除半陰影效應(yīng)(Penumbra Effect)等優(yōu)越 性。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

7、跡象;但電子束光刻由于它的產(chǎn)能問題，一直沒有在半導(dǎo)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(jìn)半導(dǎo)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(6 200 mm圓片)。電子束光刻進(jìn)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?cè)谘谀０嬷圃鞓I(yè)中廣泛接受，由于熱/冷場(chǎng)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(chǎng)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

8、光刻存在前散射效應(yīng)、背散 射效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等，有時(shí)會(huì)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(dá)到10 nm以下。 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)選擇性化學(xué)作用，如 刻蝕或者淀積進(jìn)行微細(xì)圖形加工和制造。另外一種比較有潛力的電子束光刻技術(shù)是 SCALP

9、EL,由于SCALPEL的原理非常類似于光學(xué)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(jí))、聚焦深度長(zhǎng)、掩模版制 作容易和產(chǎn)能高等優(yōu)勢(shì)，很多專家認(rèn)為SCALPEL是光學(xué)光刻技術(shù)退出歷史舞臺(tái)后，半 導(dǎo)體大生產(chǎn)進(jìn)入納米階段的主流光刻技術(shù)，因此，有人稱之為后光學(xué)光刻技術(shù)。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(xué) 光刻的不斷進(jìn)步和不斷滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，使離子束光刻的應(yīng)用已經(jīng)有所擴(kuò)展，如 FIB技術(shù)目前主要的應(yīng)用是將FIB與FE-SEM連用，擴(kuò)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(jìn)入F

10、TB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(qiáng)化金屬刻蝕、介電質(zhì)淀積和強(qiáng)化介電質(zhì)刻 蝕等作用。投影粒子束光刻的優(yōu)點(diǎn)很明顯，但缺點(diǎn)也很明顯，如無背向散射效應(yīng)和鄰 近效應(yīng)，聚焦深度長(zhǎng)，大于l0um,單次照射面積大，故產(chǎn)能高，目前可達(dá)6 200 mm硅 片60片/h,可控制粒子對(duì)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(diǎn),如因?yàn)榭臻g電荷效應(yīng)，使得分辨率不好，目前只達(dá)到8065 nm, 較厚的掩模版散熱差，易受熱變形，有些時(shí)候還需要添加冷卻裝置等等。物理接觸式光刻技術(shù)通過物理接觸方式進(jìn)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

11、領(lǐng)域是產(chǎn)業(yè)對(duì)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。物理接觸式光刻主要包括Printing、Molding和 Embossing,其核心是納米級(jí)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(dá)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(yīng)用領(lǐng)域是MEMS、MOEMS、微應(yīng)用流體學(xué)器件和生物 器件，預(yù)測(cè)也將是未來半導(dǎo)體廠商實(shí)現(xiàn)32 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)的主流技術(shù)。由于目前 實(shí)際的半導(dǎo)體規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)還處在使用光學(xué)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

12、得的突破以 及驗(yàn)證的技術(shù)優(yōu)勢(shì),特別是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)為一些半 導(dǎo)體設(shè)計(jì)和工藝研究中心提供的成套光刻系統(tǒng)(包括涂膠機(jī)、納米壓印光刻機(jī)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。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(jí)光刻技術(shù)探索出路的同時(shí), 也出現(xiàn)了許多新的技術(shù)應(yīng)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(xué)光刻技術(shù)等等。其中成 像干涉光刻技

13、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(xué)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(shù)因?yàn)樵诩夹g(shù)上取得的突破甚微, 距離應(yīng)用相當(dāng)遙遠(yuǎn)，此處不再贅述。未來光刻技術(shù)的發(fā)展隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，光刻技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)意義 上的范疇，如上所述,它幾乎包括和覆蓋了所有微細(xì)圖形的傳遞、微細(xì)圖形的加工和 微細(xì)圖形的形成過程。因此，未來光刻技術(shù)的發(fā)展也是多元化的，應(yīng)用領(lǐng)域的不同會(huì) 有所不同,但就占有率最大的半導(dǎo)體和微電子產(chǎn)品領(lǐng)域而言，實(shí)現(xiàn)其納米水平產(chǎn)業(yè)化 的光刻技術(shù)將分成兩個(gè)階段，即9032 nm階段將仍然由深紫外和極紫外光刻結(jié)合一 些新的技術(shù)手段去完成，同時(shí)納米壓印和掃描探針光刻技術(shù)在45