深度：光刻技術(shù)的?歷史與現(xiàn)狀

光刻技術(shù)的進(jìn)步使得器件的特征尺寸不斷減小，芯片的集成度和性能不斷提高。在摩爾定律的引領(lǐng)下,光學(xué)光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸/接近、等倍投影、縮小步進(jìn)投影、步進(jìn)掃描投影等曝光方式的變革。曝光光源的波長(zhǎng)由436納米（G線）,365納米(Ⅰ線)，,發(fā)展到248納米(KrF)，再到193納米( ArF)。技術(shù)節(jié)點(diǎn)從1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90納米、45納米，一直到目前的22納米。集成電路的發(fā)展始終隨著光學(xué)光刻技術(shù)的不斷創(chuàng)新向前推進(jìn)。

光刻機(jī)（也稱光刻系統(tǒng)）是光刻技術(shù)的關(guān)鍵裝備,其構(gòu)成主要包括光刻光源、均勻照明系統(tǒng)、投影物鏡系統(tǒng)、機(jī)械及控制系統(tǒng)(包括工件臺(tái)、掩膜臺(tái)、硅片傳輸系統(tǒng)等)。其中光刻光源是光刻機(jī)的核心部分。隨著集成電路器件尺寸的不斷縮小,芯片集成度和運(yùn)算速度的不斷提高,對(duì)光刻技術(shù)曝光分辨率也提出更高的要求。光學(xué)分辨率是指能在晶圓上成像的最小特征尺寸。對(duì)于光學(xué)投影光刻系統(tǒng)而言,其分辨率由瑞利公式?jīng)Q定:
R= k1λ/NA，
式中,k1為工藝因子,對(duì)于單次曝光k1為0.25,λ為光波長(zhǎng),NA為投影物鏡的光學(xué)數(shù)值孔徑。

由此可知,改進(jìn)光學(xué)分辨率的方法有三條途徑:一是降低k1值;二是提高數(shù)值孔徑NA;三是降低波長(zhǎng)。在這些途徑中，增大數(shù)值孔徑和縮短曝光波長(zhǎng)是通過(guò)改變曝光設(shè)備實(shí)現(xiàn)的,而k1因子的降低則是通過(guò)工藝技術(shù)的改進(jìn)去實(shí)現(xiàn)的,如投影曝光系統(tǒng)各階段采用的分辨率增強(qiáng)技術(shù)主要包括偏振光照明、相移掩模板、離軸照明等。

降低曝光光源的波長(zhǎng)是光刻技術(shù)和設(shè)備的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)隨著光刻技術(shù)的發(fā)展,特征尺寸隨之減小。在196O年代,半導(dǎo)體芯片制造商主要使用可見(jiàn)光作為光源。到了1980年代,光刻主要應(yīng)用高壓放電汞燈產(chǎn)生的436納米(G線)和365納米(I線)作為光源。汞燈普遍應(yīng)用于步進(jìn)曝光機(jī),從而實(shí)現(xiàn)0.35微米的特征尺寸。放電汞燈輻射250納米紫外光的應(yīng)用,首次實(shí)現(xiàn)了降低光刻光源波長(zhǎng)的需求,但隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)向納米級(jí)發(fā)展,光刻機(jī)光源也很快從近紫外波段的汞燈光源發(fā)展到深紫外波段的準(zhǔn)分子激光。應(yīng)用的主要光源從KrF準(zhǔn)分子激光器248納米激光，ArF準(zhǔn)分子激光器193納米激光到F2準(zhǔn)分子激光器157納米激光。當(dāng)光源波長(zhǎng)發(fā)展到157納米,由于光刻膠和掩膜材料的局限,圖形對(duì)比度低等因素,使得157納米光刻技術(shù)的發(fā)展受到很大限制。

但研究人員發(fā)現(xiàn)可以作為浸沒(méi)液的水對(duì)193納米光波幾乎完全透明,充人浸沒(méi)液后，193納米光源等效波長(zhǎng)小于 157納米,同時(shí)投影透鏡數(shù)值孔徑也有很大的提高。另外193納米光刻機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟,開(kāi)發(fā)者需要重點(diǎn)解決的是浸沒(méi)技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題,因而采用浸沒(méi)技術(shù)的193納米光源取代157納米光源繼續(xù)成為研究的熱點(diǎn)。到了2003年,采用193納米波長(zhǎng)的130納米工藝已 大規(guī)模量產(chǎn),如當(dāng)時(shí)的奔騰4芯片。

隨著雙重圖形曝光技術(shù)的發(fā)展,以英特爾(Intel)為代表的芯片制造商已經(jīng)宣布正式放棄157納米的光刻技術(shù),從90納米工藝一直到未來(lái)的45納米工藝都依賴于193納米光刻技術(shù)。而隨著浸沒(méi)式光刻技術(shù)和分辨率增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展,光刻精度和性能不斷提高。2006年國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)的科學(xué)家宣布,他們采用193納米干涉浸沒(méi)光刻裝置NEMO,制作出29.9納米的線條，打破了32納米這一光學(xué)光刻極限的預(yù)言。采用浸沒(méi)技術(shù)的ArF準(zhǔn)分子激光,目前光刻節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到22納米,未來(lái)有可能進(jìn)一步達(dá)到16納米節(jié)點(diǎn)。通過(guò)不斷創(chuàng)新的光刻技術(shù),摩爾定律仍然得到了保持。

由于可選的光刻曝光光源是有限的,且每更換一種曝光波長(zhǎng),光刻機(jī)掩模圖樣和光刻膠的材料,投影物鏡等系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料都需更新,因而開(kāi)發(fā)一個(gè)新波長(zhǎng)的光刻機(jī)需要高昂的人力和物力成本,需要多個(gè)國(guó)家和公司的通力合作方能成功。相對(duì)于157納米光刻技術(shù),193納米浸沒(méi)式光刻技術(shù)不需要研發(fā)新的掩模、透鏡和光刻膠材料,193納米漫沒(méi)式光刻機(jī)甚至可以保留現(xiàn)有193納米干式光刻機(jī)的大部分組件,僅需改進(jìn)設(shè)計(jì)部分分系統(tǒng)即可。世界上三大光刻機(jī)生產(chǎn)商阿斯麥(ASML)、尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司的第一代193納米浸沒(méi)式樣機(jī)都是在原有193納米干式光刻機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成的,大大降低了研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

高端光刻機(jī)具有高數(shù)值孔徑、高吞吐量、高臨界尺寸控制性能和低運(yùn)行成本等特點(diǎn),這些特點(diǎn)要求光刻光源具有相應(yīng)的激光性能。優(yōu)質(zhì)光刻光源要求窄激光譜寬、高波長(zhǎng)和能量穩(wěn)定性、高平均功率和激光重頻。目前193納米的ArF準(zhǔn)分子激光采用浸沒(méi)技術(shù),可以達(dá)到22納米的光刻節(jié)點(diǎn),并向16納米節(jié)點(diǎn)延伸。成為高端光刻機(jī)的主流光源。

準(zhǔn)分子激光器是紫外波段最強(qiáng)大的激光光源,是一種輻射幾十納秒脈寬的紫外放電氣體激光器。準(zhǔn)分子是激發(fā)態(tài)結(jié)合而基態(tài)離解的受激二聚體,其特點(diǎn)是基態(tài)不穩(wěn)定,一般在振動(dòng)弛豫時(shí)間內(nèi)便分解為自由的粒子,而其激發(fā)態(tài)以結(jié)合的形式出現(xiàn)并相對(duì)穩(wěn)定,以輻射的形式衰減,因而準(zhǔn)分子激光具有高增益的特點(diǎn)。

準(zhǔn)分子激光已經(jīng)在國(guó)外有比較成熟的商用產(chǎn)品，美國(guó)的西盟（Cymer)和相干（Coherent)公司,日本的Gigaphoton公司是光刻用準(zhǔn)分子激光的主要供應(yīng)商,目前預(yù)電離放電泵浦準(zhǔn)分子激光可以實(shí)現(xiàn)高重頻、高功率、窄線寬的激光輸出。基于 ArF準(zhǔn)分子激光器，ASML、Nikon、Canon USA等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出商用的光刻系統(tǒng)。自1972年美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾(LawrenceLivermore)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為170納米的Xe2準(zhǔn)分子激光以來(lái),已經(jīng)相繼獲得17種準(zhǔn)分子激光振蕩，其光譜覆蓋126～675納米之間的多個(gè)波長(zhǎng)。

單個(gè)準(zhǔn)分子激光腔作為光刻光源難以實(shí)現(xiàn)窄譜線和高穩(wěn)定、高能量脈沖的輸出。一方面要求同一臺(tái)激光器同時(shí)工作在窄線寬和高輸出能量的極限條件下,另一方面高脈沖能量下紫外光學(xué)元件的退化會(huì)造成窄線寬工作的壽命下降。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)雙腔結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的解決方案。其中一個(gè)放電腔產(chǎn)生 窄線寬但低能量的種子脈沖光源,另一個(gè)放電腔實(shí)現(xiàn)對(duì)種子光源的功率放大。典型的雙腔結(jié)構(gòu)有主振蕩功率放大腔(master oscillator power amplifier,MOPA)與種子光注入鎖定系統(tǒng)(injection locking system,ILS)。MoPA結(jié)構(gòu)中,線寬壓窄光學(xué)元件工作在較低的重復(fù)頻率,因降低了光致熱效應(yīng)而延長(zhǎng)光學(xué)元件的壽命。其次，主振蕩器內(nèi)僅要求產(chǎn)生較低能量的脈沖,更易于獲得極窄線寬光譜,并有助于延長(zhǎng)元件壽命。以 Cymer 公司的xLA、xLR系列為代表,種子光注入鎖定系統(tǒng)的特點(diǎn)是種子光在放大腔往返多次放大,其主要優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定和運(yùn)行成本低。以ILS技術(shù)為代表的有Gigaphoton公司于2004年開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)的GT40A系列ArF浸沒(méi)光刻機(jī)。

光刻光源一般采用多棱鏡擴(kuò)束器和大尺寸光柵組合的線寬壓窄方案閃。棱鏡擴(kuò)束器用于分離波長(zhǎng)并保持較小的發(fā)散角,通常使用2~4塊棱鏡可以實(shí)現(xiàn)20~40倍的光學(xué)擴(kuò)束。棱鏡材料為紫外波段高透過(guò)率的融石英或氟化鈣,在棱鏡的激光人射和出射面通常都鍍有增透膜層。擴(kuò)束后的光斑投射到大尺寸光柵上,棱鏡組與光柵的光路組成利特羅（Littrow）結(jié)構(gòu)。綜合考慮棱鏡的擴(kuò)束率、透過(guò)率和棱鏡增透的要求,棱鏡的人射角通常設(shè)在68~71度之間。大尺寸光柵通常為中階梯光柵,其較大的閃耀角有利于光譜的高階色散和線寬壓縮。擴(kuò)束后的光束也可以先入射到高反平面鏡再反射到光柵上，轉(zhuǎn)動(dòng)高反鏡可改變?nèi)肷涞焦鈻诺慕嵌?從而實(shí)現(xiàn)激光中心波長(zhǎng)的調(diào)諧和穩(wěn)定控制。

為避免大氣中氧原子對(duì)紫外激光強(qiáng)烈吸收造成的能量損耗,同時(shí)隔絕外界對(duì)光學(xué)元件的污染,通常把棱鏡擴(kuò)束器、反射鏡和大尺寸光柵等光學(xué)元件裝配在一個(gè)封閉的腔體內(nèi)。在光刻光源中這樣的腔體被稱為線寬壓窄模塊。在光刻機(jī)工作時(shí),線寬壓窄模塊內(nèi)一般通有特定流量的高純氮?dú)饣蚝狻?/span>

激光的光譜寬度除了用峰值的半高全寬（FwHM)表示,同時(shí)要可以顯示光譜能量95%的積分寬度（E95)。E95指標(biāo)的大小及穩(wěn)定性是光刻機(jī)的重要參數(shù)之一,它影響曝光系統(tǒng)成像能力和臨界尺寸（cD）控制。Cymer和Gigaphoton最新機(jī)型的E95都小于O.35皮米。

在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的光路時(shí),首先應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)束的準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于準(zhǔn)分子激光的光束截面呈矩形,需要將準(zhǔn)分子激光原始的矩形光斑改變成正方形分布,需要一組柱面擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束,然后由一組球面擴(kuò)束鏡擴(kuò)束為大小較為合適的正方形的光斑,再利用徵透鏡陣列器獲得好的照明均勻性M。這是因?yàn)槲⑼哥R陣列分割了能量分布不均勻的激光束,利用數(shù)學(xué)的積分原理可知,許多細(xì)光束疊加就得到了能量分布較為均勻的照明。最后微透鏡陣列組要與聚光鏡組配合才會(huì)得到較好的照明均勻性,通常采用柯勒照明(Kohler illumination)方式,微透鏡陣列組的前透鏡陣列被它后面的光學(xué)系統(tǒng)在掩模上成像時(shí),其后透鏡陣列應(yīng)該被聚光鏡組在投影物鏡的入瞳處成像,這樣既保證了像面均勻性,又保證了與投影物鏡之間的匹配。同時(shí)為了使投影系統(tǒng)的入瞳與照明系統(tǒng)的出瞳相匹配,照明系統(tǒng)的出瞳要在無(wú)窮遠(yuǎn)處,此時(shí)掩模應(yīng)位于聚光鏡組的后焦面處。微透鏡陣列后組應(yīng)位于聚光鏡組的前焦面處,只有這樣才可以保證微透鏡陣列前組被它后面的光學(xué)系統(tǒng)成像在掩模上。另外,對(duì)于聚光鏡組,因?yàn)橐晥?chǎng)與孔徑角都相對(duì)較小,所以只用兩片球面透鏡像差就可以得到較好的校正。

對(duì)曝光系統(tǒng)光束能量利用率的問(wèn)題和通過(guò)投影系統(tǒng)后激光光束整體均勻性要求,都需要一些定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)兇,如準(zhǔn)分子激光光束均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有加工窗口、能量分?jǐn)?shù)、平頂因子等。

對(duì)于193納米光刻而言,傳統(tǒng)的干式光刻機(jī)在投影物鏡和晶圓之間是空氣,其有效數(shù)值孔徑最大僅為0.93。而水在193納米處的折射率為1.44,并且具有較高的透過(guò)率。在曝光過(guò)程中,由于水中溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面或者光刻膠上,引起成像缺陷,而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡,使光線發(fā)生散射和折射。因此,目前業(yè)界普遍使用價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒(méi)式光刻機(jī)的浸沒(méi)液體。采用水作浸沒(méi)液體,可實(shí)現(xiàn)1.35數(shù)值孔徑,光刻節(jié)點(diǎn)達(dá)到了32納米。為了將浸 沒(méi)式光刻技術(shù)延伸到32納米甚至22納米節(jié)點(diǎn),應(yīng)用折射率更高的液體取代水作為浸沒(méi)液體。許多公司正致力于第二代浸沒(méi)液體的研究,已經(jīng)找到多種折射率在1.65 左有的液體。在引人第二代浸沒(méi)液體后,尋找高折射率 （>1.65）的投影物鏡底部透鏡材料將成為進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑的關(guān)鍵。

浸沒(méi)式光刻技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?浸沒(méi)帶來(lái)的一系列難題也找到了相應(yīng)的對(duì)策。如液體溫度的控制,壓力的測(cè)量和控制,氣泡的消除,光刻膠 被液體浸沒(méi)產(chǎn)生的污染,光學(xué)系統(tǒng)的重新優(yōu)化。浸沒(méi)式光刻機(jī)將繼續(xù)朝著更大數(shù)值孔徑的方向發(fā)展。今后各公司將使用各種第二代浸沒(méi)液體和高折射率底部透鏡材料搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行曝光測(cè)試,分析曝光缺陷、線寬均勻性、液體的循環(huán)以及液體對(duì)成像質(zhì)量的影響,找到最佳的材料,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更高數(shù)值孔徑的浸沒(méi)式光刻機(jī)，以應(yīng)對(duì)更小光刻線寬的挑戰(zhàn)。

由于波長(zhǎng)為10～14納米的極紫外光在材料中被強(qiáng)烈吸收,其光學(xué)系統(tǒng)必須采用反射形式。LPP-EUv通常是采用高功率的coz激光束照射到液滴靶材（一般為 金屬Sn)上,產(chǎn)生等離子體并輻射出紫外線。再用反射式聚光系統(tǒng)收集EUV輻射并投射到母版上,母版反射的EUv輻射使掩模圖形再經(jīng)過(guò)一個(gè)反射的成像系統(tǒng),縮小投影成像到涂有抗蝕劑的硅片上。限制EU v光源功率提升的個(gè)重要難題是去除聚光鏡上靶材殘留物，這些殘留中的Sn會(huì)導(dǎo)致鏡面的反射率降低。除了光源外,EUv的技術(shù)難題還包括掩膜、精密光學(xué)系統(tǒng)及元件的制造等。

在2016年國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)(SPIE)的先進(jìn)光刻技術(shù)研討會(huì)上,與會(huì)者認(rèn)為:雖然目前EUv技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展,但仍不適合半導(dǎo)體大批量生產(chǎn)制造。荷蘭ASML公司和日本的Gigaphoton公司在EUv光源領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位,均已具有250瓦 EUv光源的研發(fā) 能力。其中ASML公司開(kāi)發(fā)了NXE:33xOB商業(yè)光刻光源，20i6年功率達(dá)到250瓦,每小時(shí)可量產(chǎn)125片 晶圓。而Gigaphoton公司在2016年7月展示了功率250瓦、效率4%的LPP-EUv原型樣機(jī)]。但EUv作為新--代半導(dǎo)體工藝突破的關(guān)鍵,進(jìn)展還是低于預(yù)期?，F(xiàn)在三星、臺(tái)灣積體電路制造公司(臺(tái)積電）和英特爾的說(shuō)法基本統(tǒng)一,預(yù)計(jì)2020年左右可實(shí)現(xiàn)5~7納米節(jié)點(diǎn)。EUv光刻機(jī)每臺(tái)價(jià)值1.1億美元,價(jià)格昂貴但仍然受到芯片制造廠商的青睞。三星和臺(tái)積電公司積極采購(gòu)EUV光刻機(jī),以謀求在7~10納米節(jié)點(diǎn)采用EUV工藝來(lái)提高密度并降低成本。

光刻技術(shù)是促進(jìn)集成電路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。10年前一根512兆字節(jié)的內(nèi)存條價(jià)格為幾百元，目前同樣價(jià)格買到的內(nèi)存條可存儲(chǔ)16~32吉字節(jié)。今天一個(gè)中檔手機(jī)的計(jì)算性能,超過(guò)了10年前的個(gè)人微機(jī)，并以摩爾定律預(yù)計(jì)的速度在增長(zhǎng)。光刻技術(shù)的發(fā)展大大提高了芯片的計(jì)算速度和存儲(chǔ)量,也在改變著人們的生活。

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