關(guān)于光刻工藝的種類與發(fā)展的論文
引言：從第一個晶體管問世算起，半導體技術(shù)的發(fā)展已有多半個世紀了，現(xiàn)在它仍保持著強勁的發(fā)展態(tài)勢，繼續(xù)遵循 Moore 定律即芯片集成度18個月翻一番，每三年器件尺寸縮小0.7倍的速度發(fā)展。大尺寸、細線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產(chǎn)，正在對半導體設(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、化學機械拋光等多個工序，其中尤以光刻工藝最為關(guān)鍵，決定著制造工藝的先進程度。隨著集成電路由微米級向鈉米級發(fā)展，光刻采用的光波波長也從近紫外（NUV）區(qū)間的436nm、365nm波長進入到深紫外（DUV）區(qū)間的248nm、193nm波長。目前大部分芯片制造工藝采yong了 248nm 和 193nm 光刻技術(shù)。目前對于 13.5nm 波長的 EUV 極端遠紫外光刻技術(shù)研究也在提速前進。
關(guān)鍵詞：干涉，衍射，光刻。
光刻工藝的種類很多，我們以時間為線索，逐個展開如下：
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(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫(350～450nm)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0.35～0.25μm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。
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O.25～0.18μm和0．18μm～90 nm的生產(chǎn)線要求；同時，90～65 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65～45 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。
極紫外(EUV)光刻技術(shù)早期有波長10～100 nm和波長1～25 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。極紫外系統(tǒng)的分辨率主要瞄準在13～16 nm的生產(chǎn)上。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)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(yīng)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(yīng)(Penumbra Effect)等優(yōu)越性。
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(φ200 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100～1000倍之多，因此，熱／冷場發(fā)射是目前的主流，分辨率覆蓋了100～200 nm的范圍。但由于傳統(tǒng)電子束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。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)選擇性化學作用，如刻蝕或者淀積進行微細圖形加工和制造。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(yīng)用已經(jīng)有所擴展，如FIB技術(shù)目前主要的應(yīng)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(yīng)和鄰近效應(yīng)，聚焦深度長，大于l0μm，單次照射面積大，故產(chǎn)能高，目前可達φ200 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(yīng)，使得分辨率不好，目前只達到80～65 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。
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。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(yīng)用領(lǐng)域是MEMS、MOEMS、微應(yīng)用流體學器件和生物器件，預(yù)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 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。
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(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(yīng)用相當遙遠，此處不再贅述。
5.未來光刻技術(shù)的發(fā)展
隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展，光刻技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)意義上的范疇，如上所述，它幾乎包括和覆蓋了所有微細圖形的傳遞、微細圖形的加工和微細圖形的形成過程。因此，未來光刻技術(shù)的發(fā)展也是多元化的，應(yīng)用領(lǐng)域的不同會有所不同，但就占有率最大的半導體和微電子產(chǎn)品領(lǐng)域而言，實現(xiàn)其納米水平產(chǎn)業(yè)化的光刻技術(shù)將分成兩個階段，即90～32 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，同時納米壓印和掃描探針光刻技術(shù)在45 nm技術(shù)節(jié)點將會介入進行過渡；32 nm以下的規(guī)模生產(chǎn)光刻技術(shù)將在納米壓印和掃描探針光刻技術(shù)之間選擇。另外，F(xiàn)PD產(chǎn)業(yè)作為光刻技術(shù)應(yīng)用的另外一個分支，在未來的占有率將會上升，除了已經(jīng)形成的對光刻技術(shù)需求的共識外(大面積、低分辨率和1：1折反射投影式等)，一些新的技術(shù)也在開發(fā)中，如電子束光刻技術(shù)和激光直寫光刻技術(shù)等�？傊磥砉饪碳夹g(shù)的發(fā)展將會更快，技術(shù)上將會更加集中，一些沒有市場前景和應(yīng)用的技術(shù)將會淘汰。
參考文獻：
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