半导体光刻技术及设备的发展趋势

光刻技术从诞生以来，在半导体加工制造行业中，作为图形转移技术而广为应用。随着芯片集成度的不断提高、器件尺寸的不断缩小以及器件功能的不断提高，作为半导体加工技术中最为关键的光刻技术和光刻工艺设备，必将发生显著的变化。光刻工艺中通常所使用的光源是由水银蒸汽发射的紫外光，波长为366、405、 436nm。目前为了提高曝光分辨率，降低所使用的曝光光源也是光刻技术和设备发展的一个趋势。光刻机的主要构成包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统组成，其中光学系统是光刻机的核心。光刻机的曝光方式一般根据掩模版和晶圆的距离大致分为三种方式：接触式、接近式和投影式。

1推动光刻技术和设备发展的动力

经济利益是Si片直径由200mm向300mm转移的主要因素。300mm的Si片出片率是200mm的2 5倍。300mm工厂的投资为15~30亿美元，其中约75%的资金用于设备投资，因此用户要求设备能向下延伸3~4代。300mm片径是从180nm技术节点切入的，这就要求设备在150、130nm，甚至100nm仍可使用。

为了推进300mm Si片的大生产，设备厂商在几年前就着手解决这方面的问题。Canon于 1995年着手300mm曝光机,推出了EX3L和I5L步进机，于1997~1998年提供日本半导体超前边缘技术(SELETE)集团使用，ASML公司的300mm步进扫描曝光机使用193nm波长，型号为FPA-500，也于1999年提供给SELETE集团使用。现在Canon的第三代300mm曝光机的混合匹配曝光能力已经达到(<110nm)。目前300mm片径生产180、150、130nm的IC设备都已经进入生产线，100nm的设备也已经开始提供。

曝光是芯片制造中最关键的制造工艺，由于光学曝光技术的不端创新，一再突破人们预期的极限，使之成为当前曝光的主流技术。1997年美国GCA公司推出了第一台分布重复投影曝光机，被视为曝光技术的一大里程碑，1991年美国SVG公司推出了步进扫描曝光机，它集分布投影曝光机的高分辨率和扫描投影机的大视场、效率于一身，更适合(<0.25μm)线条的大规模生产曝光。

为了提高分辨率，光刻机的曝光波长不断缩小，从436、365nm、近紫外(NUV)到246、193nm的深紫外(DUV)。246nmKrF准分子激光，首先应用于0.25μm的曝光，后来Nikon公又推出了NSR-S204B，KrF，使用变形照明(MBI)可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500/750E，使用该公司的AERILALI照明，可解决0. 13μm曝光。但19991TRS建议，0.13μm曝光方案是用193nm或248nm加分辨率提高技术(RET) ；0.10μm曝光方案是用157、193nm加RET、接近式X光曝光(PXL)或离子束投影曝光(IPL)。所谓的RET技术是指采用移相掩模(PSM)、光学临近修正(OPC)等措施，进一步提高分辨率。

值得指出的是，现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺宽容性和经济性，如在RET中采用交替移相掩模(alt PSM)时，就要考虑到它的复杂、价格昂贵、检查、修正等不利因素。

目前业内人士担心后光学技术可能难以达到2008年的70nm和2011年的50nm工艺技术要求，正大力研发下一代(NGL)非光学曝光，并把157nm F2准分子激光曝光作为填补后光学曝光和下一代NGL间的空隙。

2光刻技术及设备的发展趋势

2.1分辨率和焦深(DOF)

由于散射的原因，光刻出来的图形并不像掩模版上的图形那样线条尖锐，清晰陡直。使用光学系统来提高光线的聚焦程度，减少光的散射，可以提光刻工艺的分辨率。根据影响分辨率的几个因素分析可知：通过增加光学透镜的尺寸能够提高光刻技术的分辨率，但是光学系统尺寸的增大也就意味着成本的极大提高。另外，降低曝光光源的波长也可以大大提高光刻技术的分辨率，这也是目前光刻技术所用光源波长越来越小的主要原因。然而，波长的降低也有一定限制, 当波长降低到一定数值时，将会超出紫外光的范畴达到X射线的波长范围。X射线相对于传统光学理论来说还有相当大的区域需要进行研究和开发。

另外一个重要的光学系统参数就是焦深。在光刻机对准系统中，焦深越大，越容易进行对准操作。但是，焦深和分辨率是互相冲突的，为了提高分辨率，往往需要短波长和大数值的孔径，但同时降低了焦深，给操作带来了极大的不便。浸没式光刻是近年来提出的延伸193nm光刻的关键技术。

采用浸没液体的方式增加焦深，可以使光刻机向更小的节点延伸。

在高级光刻工艺中，分辨率要求非常高，导致焦深变得非常小，要求曝光光源的焦点正好落在光刻胶层厚度的中心才能得到最佳的分辨率。光刻胶层的厚度偏差要小于0.25μm，只有CMP工艺可以获得满足0.13μm光刻工艺要求晶圆表面平整度。

2.2 i线曝光和DUV (deep UV)

由于短波长能够获得较高的分辨率，稳定、高强度的短波长光源得到了开发并已经应用到光刻技术的曝光系统中。压汞灯和准分子激光光源目前在步进光刻机中得到了广泛的应用。

汞灯有多种波长的辐射，其中i线(365nm)普遍应用于步进曝光机从而实现IC加工制造中0.35μm的特征尺寸。准分子激光光源的特征波长为248nm，可像DUV光源一样实现0.25μm特征尺寸的加工。使用ArF准分子激光光源198nm波长的步进曝光机，目前已经应用到0.18和0.10μm的工艺中。使用157nm DUV光源(F2)从而实现低于0.10μm特征尺寸加工的光刻机，目前正在研发并有希望在下一代光刻技术出现前而得到广泛应用。

光刻胶分为正性和负性，针对不同波长敏感的曝光光源进行加工生产。绝缘防反射涂层的涂覆与曝光光源也是相关的。针对不同的曝光光源和不同的光刻胶,需要开发不同的涂覆工艺。目前，利用玻璃光学系统的光刻技术已经接近了它的极限。因为SiO对紫外光(UV)和更短波长光的吸收非常大。所以，使用玻璃光学系统的透镜和掩模不可能应用于制造低于0.10μm甚至更小的特征尺寸,研究开发新的光学材料和光源来提高目前光刻技术的分辨率是非常必要的。目前最可能实现应用的新技术就是PSM技术和离轴照明技术。这两种技术可以提高目前光刻技术的水平,分辨率可以满足低于0.1μm甚至0.04μm的工艺要求。

2.3 PSM技术
实现单个独立的小尺寸图形的转移并不是很困难的事,困难的是很多尺寸图形聚集在一起时的图形转移，因为在这种情况下光源的散射或者干涉将会造成图形的畸变。解决这一难题的办法就是采用PSM技术。绝大多数在半导体工艺中使用的PSM版都是使用石英玻璃加工制造的。试验证明，通过使用PSM技术，最小的特征尺寸可以达到曝光波长的1/5，这种技术也被称为亚波长光刻技术。

2.4极紫外光刻技术(EUV lithography)

下一代可能实现的亚0.1μm图形转移光刻技术就是极紫外光刻技术，这种曝光光源的波长在11~14nm。波长在1~50nm的光波覆盖紫外线和X射线区域。所以使用这一波长范围的曝光技术也被称为极紫外曝光或者软X射线曝光或称为真空紫外曝光。极紫外曝光的原理主要是利用曝光光源的波长从而降低光学系统的数值孔径，进而提高光刻技术的分辨率。但就目前所知的材料而言，没有合适的材料能够作为极紫外曝光光学系统的透镜，因为目前的材料对短波长光源的吸收效应都非常强，极紫外光刻技术也必须基于光学系统才能实现。另外，极紫外光刻的光源目前正在进行研发，最有可能成为这种技术使用的光源是激光泵浦的氙等离子体光源。而极紫外光刻技术需要的掩模版还需要进行多层金属的涂覆才能使用。

2.5 X射线曝光技术

当曝光波长降低到5nm以下时，属于X射线范围，X射线范围的波长比UV的波长要短，因而在光刻工艺中可以得到更高的光刻分辨率。X射线曝光技术自1972年以来，就一直在人们的研究范畴之中。因为几乎没有任何材料可以反射或折射X射线，所以X射线曝光技术近似于直写印刷技术。X射线直接透射过掩模版上的透明部分，在基片的光刻胶上直接实现曝光。由于波长非常短，反射的影响几乎可以忽略不计，所以这种曝光技术的分辨率几乎可以达到掩模版的分辨率水平。

从传统的光刻技术转变为X射线光刻技术，工艺流程都必须重新设计，这主要是由于X射线不能像普通光源那样通过透镜和反射镜等光学系统进行聚焦。另外，X射线的掩模版造价非常昂贵，工艺也非常复杂，这也是阻碍X射线光刻技术发展的一个重要原因。另外，稳定、平行且强度足够的单一频率的X射线光源非常难以实现。利用同步加速器辐射可以实现X射线曝光要求的光源，但造价非常昂贵。一个同步加速器可以实现多种波长，但如果在工艺进行当中电子束由于故障导致关闭，所有和它相关的曝光系统必须同时关闭。半导体制造业需要的是工艺和设备的稳定性，所以即使每个Fab只拥有一台同步加速器曝光系统，由于其价格昂贵也只能作为备用。

2.6电子束曝光技术

电子束曝光的波长依赖于电子能量。能量越高,曝光的波长越短。能量在10~50 keV的电子束的波长远远小于UV光源的波长，所以，电子束曝光工艺具有广泛的应用价值，并且具有传统光学曝光技术所达不到的分辨率。电子束曝光技术广泛应用于掩模版制造和一些半导体制造厂的十字叉丝制。

造技术中，和UV曝光系统一样，电子束可以通过一些电子光学系统的电磁场效应进行反射、折射和聚焦。所以， 电子束曝光系统可以应用于步进曝光系统扫描曝光技术中。下一代电子束曝光技术中，最引人注目的是SCALPEL (angμlar limitation projection electron-beam lithography) 。SCALPEL综合了高分辨率和多层次的工艺应用技术,可以满足半导体制造业高产量的需求,该系统与现有的扫描步进曝光系统非常类似。这种光刻技术是未来半导体制造业图形转移技术的主流技术。

2.7离子束曝光技术

同电子束曝光技术一样，离子束曝光技术的分辨率也远远超过了传统的光学曝光技术。离子束曝光技术同样可以应用于直写式曝光和投影式曝光。离子束曝光的优点在于在进行曝光的同时，可以进行腐蚀工艺的操作。这样将大大节省工艺的操作步骤，简化工艺流程。然而离子束曝光的效率特别低，不可能应用于大规模的工业生产中。这种技术目前最可能的应用是掩模版制造，也可以应用于针对器件缺陷的检验和修复。

3分析

自20世纪80年代后期,光学光刻技术的重点转向i线和准分子，到90年代初，i线曝光迅速达到全盛时期。准分子激光光刻技术已在80年代末期进入成熟阶段，其中以日本Nikon NSR-2005EX8A型、荷兰ASML PAS-5500/70型和PAS-5500/90型、国GCA XLS-7500/29型和XLS7800/31型等最为典型。它们均可实现0.45μm或0.35μm分辨率，满足16M、64MDRAM芯片，光刻200 mm的片子。

PSM曝光技术，是光学光刻的一个历史性突破。日本Nikon和Canon两家公司在1992年3月的SPIE微光刻国际讨论会上，发表了相移照相光学系统的研究成果，并将该技术应用到EPA-2500i3、NSR-2005i9T NSR-4425i等远紫外步进曝光机上，以适应64M DRAM的批量生产和256M DRAM的开发。

同步辐射(SOR) X射线光刻，是未来最有希望成为亚微米图形制作的主要加工手段。它可制作出0.2~0.1μm高精度图形，可以说是近期微细加工领域技术中的又一个丰碑。日本SORTECH和松下合作研制成功世界上第一台高性能的SOR光刻机，日电也开发出具有0.2μm加工能力的SOR步进机。

4结语

电子束曝光技术正在向着高精度、高亮度、高速消隐和高速扫描方向发展。近年来，国外电子束曝光技术，已从亚微米发展到纳米(10~100nm)加工。

根据目前光刻技术的发展形势看，极紫外光刻技术将是大批量生产特征尺寸为70nm及更细线宽集成电路的主流技术。目前，Intel公司已经把下一代光刻技术选定为极紫外光刻技术。在即将到来的65nm节点，主流光刻设备将是ArF干式光刻机和ArF浸没式光刻机；到2010年，用于45nm节点的主流光刻设备将是ArF浸没式光刻机。ArF浸没式光刻机仍然具有潜力向更小的节点延伸。极紫外光刻、纳米压印光刻、无掩模光刻等下一代光刻技术的研究也取得了较大的进步。在193nm浸没式光刻技术达到极限后，极紫外光刻将最有可能成为主流的光刻技术，纳米压印光刻和无掩模光刻也将是极有竞争力的下一代光刻技术，这为我国的光刻设备和工艺研究提出了新的课题和挑战。