兩大光刻技術(shù)

準(zhǔn)分子光刻技術(shù)作為當(dāng)前主流的光刻技術(shù)，主要包括：特征尺寸為0.1μm的248　nm　KrF準(zhǔn)分子激光技術(shù);特征尺寸為90　nm的193　nm　ArF準(zhǔn)分子激光技術(shù);特征尺寸為65　nm的193　nm　ArF浸沒式技術(shù)(Immersion，193i)。其中193　nm浸沒式光刻技術(shù)是所有光刻技術(shù)中最為長(zhǎng)壽且最富有競(jìng)爭(zhēng)力的，也是目前如何進(jìn)一步發(fā)揮其潛力的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)光刻技術(shù)光刻膠與曝光鏡頭之間的介質(zhì)是空氣，而浸沒 式技術(shù)則是將空氣 換成液體介質(zhì)。實(shí)際上，由于液體介質(zhì)的折射率相比空氣介質(zhì)更接近曝光透鏡鏡片材料的折射率，等效地加大了透鏡口徑尺寸與數(shù)值孔徑(NA)，同時(shí)可以 顯 著提高焦深(DOF)和曝光工藝的寬容度(EL)，浸沒式光 刻 技 術(shù) 正 是 利 用 這 個(gè) 原 理 來 提 高 其 分 辨率。世界三 大光刻機(jī) 生產(chǎn)商ASML，Nikon和Cannon的第 一 代 浸 沒 式 光 刻 機(jī) 樣 機(jī) 都 是 在 原 有193nm干式光刻機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成，大大降低了研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)榻]式光刻系統(tǒng)的原理清晰而且配合現(xiàn)有的光刻技術(shù)變動(dòng)不大，目前193nm　ArF準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)在65nm以下節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體量產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用;ArF浸沒式光刻 技 術(shù) 在45nm節(jié) 點(diǎn) 上 是 大 生 產(chǎn) 的 主 流 技 術(shù)。為把193i技術(shù)進(jìn)一步推進(jìn)到32和22nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，光刻專家一直在尋找新的技術(shù)，在沒有更好的新光刻技術(shù)出現(xiàn)前，兩次曝光技術(shù)(或者叫兩次成型技術(shù)，DPT)成為人們關(guān) 注 的 熱 點(diǎn)。ArF浸沒式兩次曝光技術(shù)已被業(yè)界認(rèn)為是32nm節(jié)點(diǎn)最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù);在更低的22nm節(jié)點(diǎn)甚至16nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)中，浸沒式 光刻技術(shù)也 具 有相當(dāng)大 的優(yōu)勢(shì)。浸沒式光刻技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要有：如何解決曝光中產(chǎn)生的氣泡和污染等缺陷的問題;研發(fā)和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻膠的問題;研發(fā)折射率較大的光學(xué)鏡頭材料和浸沒液體材料;以 及 有 效 數(shù) 值 孔 徑NA值 的 拓 展 等 問題。針 對(duì) 這 些 難 題 挑 戰(zhàn)，國(guó) 內(nèi) 外 學(xué) 者 以 及ASML，Nikon和IBM等公 司已 經(jīng) 做 了 相 關(guān) 研 究并提出相應(yīng)的對(duì)策。浸沒式光刻機(jī)將朝著更高數(shù)值孔徑發(fā)展，以滿足更小光刻線寬的要求。

提高光刻技術(shù)分辨率的傳統(tǒng)方法是增大鏡頭的NA或縮 短 波 長(zhǎng)，通 常 首 先 采 用 的 方 法 是 縮 短 波長(zhǎng)。早在80年代，極紫外光刻技術(shù)就已經(jīng)開始理論的研究和初步的實(shí) 驗(yàn)，該技術(shù) 的光源是波 長(zhǎng) 為11～14　nm的極端遠(yuǎn)紫外光，其原理主要是利用曝光光源極短的波長(zhǎng)達(dá)到提高光刻技術(shù)分辨率的目的。由于所有的光學(xué)材料對(duì)該波長(zhǎng)的光有強(qiáng)烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系統(tǒng)主要由四部分組成，即反射式投影曝光系統(tǒng)、反射式光刻掩模版、極紫外光源系統(tǒng)和能用于極紫外的光刻涂層。其主要成像原理是光波波長(zhǎng)為10～14nm的極端遠(yuǎn)紫外光波經(jīng)過周期性多層膜反射鏡投射到反射式掩模版上，通過反射式掩模版反射出的極紫外光波再通過由多面反射鏡組成的縮小投影系統(tǒng)，將反射式掩模版上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片表面的光刻膠中，形成集成電路制造所需要的光刻圖形。目 前EUV技 術(shù) 采 用 的 曝 光 波 長(zhǎng) 為13.5nm，由于其具有如此短的波長(zhǎng)，所有光刻中不需要再使用光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(OPC)技術(shù)，因而它可以把光刻技術(shù)擴(kuò)展到32nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。2009年9月Intel第 一 次 向 世 人 展 示 了22　nm工藝晶圓，稱繼續(xù)使用193nm浸沒式光刻技術(shù)，并規(guī) 劃 與EUV及EBL曝 光 技 術(shù) 相 配 合，使193nm浸沒式光刻技術(shù)延伸到15和11nm工藝節(jié)點(diǎn)。

電子束光刻技術(shù)是利用電子槍所產(chǎn)生的電子束，通過電子光柱的各極電磁透鏡聚焦、對(duì)中、各種象差的校正、電子束斑調(diào)整、電子束流調(diào)整、電子束曝光對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)、電子束偏轉(zhuǎn)校正、電子掃描場(chǎng)畸變校正等一系列調(diào)整，最后通過掃描透鏡根據(jù)電子束曝光程序的安排，在涂布有電子抗蝕劑(光刻膠)的基片表面上掃描寫出所需要的圖形。電子束光刻基本上分兩大類，一類是大生產(chǎn)光掩模版制造的電子束曝光系統(tǒng)，另一類是直接在基片上直寫納米級(jí)圖形的電子束光刻系統(tǒng)。電子束光刻技術(shù)起源于掃描電鏡，最早由德意志聯(lián)邦共和國(guó)杜平根大學(xué)的G.Mollenstedt等人在20世紀(jì)60年代提出。電子束曝光的波長(zhǎng)取決于電子能量，電子能量越高，曝光的波長(zhǎng)越短，大 體在10-6nm量級(jí)上，因而電子束光刻不受衍射極限的影響，所以電子束光刻可獲得接近于原子尺寸的分辨率。但是，由于電子束入射到抗蝕劑及基片上時(shí)，電子會(huì)與固體材料的原子發(fā)生“碰撞”產(chǎn)生電子散射現(xiàn)象，包括前散射和背散射電子，這些散射電子同樣也參與“曝光”，前散射電子波及范圍可在幾十納米，從基片上返回抗蝕劑中背散射電子可波及到幾十微米之遠(yuǎn)。所有實(shí)際電子束曝光、顯影后圖形的邊緣要往外擴(kuò)展，這就是所謂的“電子束鄰近效應(yīng)。同時(shí)，半導(dǎo)體基片上如果有絕緣的介質(zhì)膜，電子通過它時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定量的電荷積累，這些積累的電荷同樣會(huì)排斥后續(xù)曝光的電子，產(chǎn)生偏移，而不導(dǎo)電的絕緣體(如玻璃片)肯定不能采用電子束曝光。還有空間交變磁場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室溫度變化等都會(huì)引起電子束曝光產(chǎn)生“漂移”現(xiàn)象。因此，即使擁有2nm電子束斑的曝 光 系統(tǒng)，要曝光出50nm以下的圖形結(jié)構(gòu)也不容易。麻省理工學(xué)院(MIT)已經(jīng)采用的電子束光刻技術(shù)分辨率將推進(jìn)到9nm。電子束直寫光刻可以不需要制造掩模版，比較靈活。但由于其曝光效率低，主要用于實(shí)驗(yàn)室小樣品納米制造。而電子束曝光要適應(yīng)大批量生產(chǎn)，如何進(jìn)一步提高曝光速度是個(gè)難題。為了解決電子束光刻的效率問題，通常將其與其他光刻技術(shù)配合使用。例如為解決曝光效率問題，通常采用電子束光刻與光學(xué)光刻進(jìn)行匹配與混合光刻的辦法，即大部分曝光工藝仍然采用現(xiàn)有十分成熟的半導(dǎo)體光學(xué)光刻工藝制備，只有納米尺度的圖形或者工藝層由電子束光刻實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)逼近工藝極限的情況下，電子束光刻技術(shù)將有可能出現(xiàn)在與目前193i為代表的光學(xué)曝光技術(shù)及EUV技術(shù)相匹配的混合光刻中，在實(shí)現(xiàn)10nm級(jí)光刻中起重要的作用。應(yīng)該提到的是電子束曝光技術(shù)是推動(dòng)微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在微電子、微光學(xué)和微機(jī)械等微系統(tǒng)微細(xì)加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而且除電子束直寫光刻技術(shù)本身以外，幾乎所有的新一代光刻技術(shù)所需要的掩模制作還是離不開電子束曝光技術(shù)。