光刻技術從誕生以來，在半導體加工制造行業(yè)中，作為圖形轉(zhuǎn)移技術而廣為應用。隨著芯片集成度的不斷提高、器件尺寸的不斷縮小以及器件功能的不斷提高，作為半導體加工技術中最為關鍵的光刻技術和光刻工藝設備，必將發(fā)生顯著的變化。光刻工藝中通常所使用的光源是由水銀蒸汽發(fā)射的紫外光，波長為366、405、 436nm。目前為了提高曝光分辨率，降低所使用的曝光光源也是光刻技術和設備發(fā)展的一個趨勢。光刻機的主要構成包括曝光光源、光學系統(tǒng)、電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其中光學系統(tǒng)是光刻機的核心。光刻機的曝光方式一般根據(jù)掩模版和晶圓的距離大致分為三種方式：接觸式、接近式和投影式。
1推動光刻技術和設備發(fā)展的動力
經(jīng)濟利益是Si片直徑由200mm向300mm轉(zhuǎn)移的主要因素。300mm的Si片出片率是200mm的2 5倍。300mm工廠的投資為15~30億美元，其中約75%的資金用于設備投資，因此用戶要求設備能向下延伸3~4代。300mm片徑是從180nm技術節(jié)點切入的，這就要求設備在150、130nm，甚至100nm仍可使用。
為了推進300mm Si片的大生產(chǎn)，設備廠商在幾年前就著手解決這方面的問題。Canon于 1995年著手300mm曝光機,推出了EX3L和I5L步進機，于1997~1998年提供日本半導體超前邊緣技術(SELETE)集團使用，ASML公司的300mm步進掃描曝光機使用193nm波長，型號為FPA-500，也于1999年提供給SELETE集團使用?，F(xiàn)在Canon的第三代300mm曝光機的混合匹配曝光能力已經(jīng)達到(<110nm)。目前300mm片徑生產(chǎn)180、150、130nm的IC設備都已經(jīng)進入生產(chǎn)線，100nm的設備也已經(jīng)開始提供。
曝光是芯片制造中最關鍵的制造工藝，由于光學曝光技術的不端創(chuàng)新，一再突破人們預期的極限，使之成為當前曝光的主流技術。1997年美國GCA公司推出了第一臺分布重復投影曝光機，被視為曝光技術的一大里程碑，1991年美國SVG公司推出了步進掃描曝光機，它集分布投影曝光機的高分辨率和掃描投影機的大視場、效率于一身，更適合(<0.25μm)線條的大規(guī)模生產(chǎn)曝光。
為了提高分辨率，光刻機的曝光波長不斷縮小，從436、365nm、近紫外(NUV)到246、193nm的深紫外(DUV)。246nmKrF準分子激光，首先應用于0.25μm的曝光，后來Nikon公又推出了NSR-S204B，KrF，使用變形照明(MBI)可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500/750E，使用該公司的AERILALI照明，可解決0. 13μm曝光。但19991TRS建議，0.13μm曝光方案是用193nm或248nm加分辨率提高技術(RET) ；0.10μm曝光方案是用157、193nm加RET、接近式X光曝光(PXL)或離子束投影曝光(IPL)。所謂的RET技術是指采用移相掩模(PSM)、光學臨近修正(OPC)等措施，進一步提高分辨率。
值得指出的是，現(xiàn)代曝光技術不僅要求高的分辨率，而且要有工藝寬容性和經(jīng)濟性，如在RET中采用交替移相掩模(alt PSM)時，就要考慮到它的復雜、價格昂貴、檢查、修正等不利因素。
目前業(yè)內(nèi)人士擔心后光學技術可能難以達到2008年的70nm和2011年的50nm工藝技術要求，正大力研發(fā)下一代(NGL)非光學曝光，并把157nm F2準分子激光曝光作為填補后光學曝光和下一代NGL間的空隙。
2光刻技術及設備的發(fā)展趨勢
2.1分辨率和焦深(DOF)
由于散射的原因，光刻出來的圖形并不像掩模版上的圖形那樣線條尖銳，清晰陡直。使用光學系統(tǒng)來提高光線的聚焦程度，減少光的散射，可以提光刻工藝的分辨率。根據(jù)影響分辨率的幾個因素分析可知：通過增加光學透鏡的尺寸能夠提高光刻技術的分辨率，但是光學系統(tǒng)尺寸的增大也就意味著成本的極大提高。另外，降低曝光光源的波長也可以大大提高光刻技術的分辨率，這也是目前光刻技術所用光源波長越來越小的主要原因。然而，波長的降低也有一定限制, 當波長降低到一定數(shù)值時，將會超出紫外光的范疇達到X射線的波長范圍。X射線相對于傳統(tǒng)光學理論來說還有相當大的區(qū)域需要進行研究和開發(fā)。
另外一個重要的光學系統(tǒng)參數(shù)就是焦深。在光刻機對準系統(tǒng)中，焦深越大，越容易進行對準操作。但是，焦深和分辨率是互相沖突的，為了提高分辨率，往往需要短波長和大數(shù)值的孔徑，但同時降低了焦深，給操作帶來了極大的不便。浸沒式光刻是近年來提出的延伸193nm光刻的關鍵技術。
采用浸沒液體的方式增加焦深，可以使光刻機向更小的節(jié)點延伸。
在高級光刻工藝中，分辨率要求非常高，導致焦深變得非常小，要求曝光光源的焦點正好落在光刻膠層厚度的中心才能得到最佳的分辨率。光刻膠層的厚度偏差要小于0.25μm，只有CMP工藝可以獲得滿足0.13μm光刻工藝要求晶圓表面平整度。
2.2 i線曝光和DUV (deep UV)
由于短波長能夠獲得較高的分辨率，穩(wěn)定、高強度的短波長光源得到了開發(fā)并已經(jīng)應用到光刻技術的曝光系統(tǒng)中。壓汞燈和準分子激光光源目前在步進光刻機中得到了廣泛的應用。
汞燈有多種波長的輻射，其中i線(365nm)普遍應用于步進曝光機從而實現(xiàn)IC加工制造中0.35μm的特征尺寸。準分子激光光源的特征波長為248nm，可像DUV光源一樣實現(xiàn)0.25μm特征尺寸的加工。使用ArF準分子激光光源198nm波長的步進曝光機，目前已經(jīng)應用到0.18和0.10μm的工藝中。使用157nm DUV光源(F2)從而實現(xiàn)低于0.10μm特征尺寸加工的光刻機，目前正在研發(fā)并有希望在下一代光刻技術出現(xiàn)前而得到廣泛應用。
光刻膠分為正性和負性，針對不同波長敏感的曝光光源進行加工生產(chǎn)。絕緣防反射涂層的涂覆與曝光光源也是相關的。針對不同的曝光光源和不同的光刻膠,需要開發(fā)不同的涂覆工藝。目前，利用玻璃光學系統(tǒng)的光刻技術已經(jīng)接近了它的極限。因為SiO對紫外光(UV)和更短波長光的吸收非常大。所以，使用玻璃光學系統(tǒng)的透鏡和掩模不可能應用于制造低于0.10μm甚至更小的特征尺寸,研究開發(fā)新的光學材料和光源來提高目前光刻技術的分辨率是非常必要的。目前最可能實現(xiàn)應用的新技術就是PSM技術和離軸照明技術。這兩種技術可以提高目前光刻技術的水平,分辨率可以滿足低于0.1μm甚至0.04μm的工藝要求。
2.3 PSM技術
實現(xiàn)單個獨立的小尺寸圖形的轉(zhuǎn)移并不是很困難的事,困難的是很多尺寸圖形聚集在一起時的圖形轉(zhuǎn)移，因為在這種情況下光源的散射或者干涉將會造成圖形的畸變。解決這一難題的辦法就是采用PSM技術。絕大多數(shù)在半導體工藝中使用的PSM版都是使用石英玻璃加工制造的。試驗證明，通過使用PSM技術，最小的特征尺寸可以達到曝光波長的1/5，這種技術也被稱為亞波長光刻技術。
2.4極紫外光刻技術(EUV lithography)
下一代可能實現(xiàn)的亞0.1μm圖形轉(zhuǎn)移光刻技術就是極紫外光刻技術，這種曝光光源的波長在11~14nm。波長在1~50nm的光波覆蓋紫外線和X射線區(qū)域。所以使用這一波長范圍的曝光技術也被稱為極紫外曝光或者軟X射線曝光或稱為真空紫外曝光。極紫外曝光的原理主要是利用曝光光源的波長從而降低光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，進而提高光刻技術的分辨率。但就目前所知的材料而言，沒有合適的材料能夠作為極紫外曝光光學系統(tǒng)的透鏡，因為目前的材料對短波長光源的吸收效應都非常強，極紫外光刻技術也必須基于光學系統(tǒng)才能實現(xiàn)。另外，極紫外光刻的光源目前正在進行研發(fā)，最有可能成為這種技術使用的光源是激光泵浦的氙等離子體光源。而極紫外光刻技術需要的掩模版還需要進行多層金屬的涂覆才能使用。
2.5 X射線曝光技術
當曝光波長降低到5nm以下時，屬于X射線范圍，X射線范圍的波長比UV的波長要短，因而在光刻工藝中可以得到更高的光刻分辨率。X射線曝光技術自1972年以來，就一直在人們的研究范疇之中。因為幾乎沒有任何材料可以反射或折射X射線，所以X射線曝光技術近似于直寫印刷技術。X射線直接透射過掩模版上的透明部分，在基片的光刻膠上直接實現(xiàn)曝光。由于波長非常短，反射的影響幾乎可以忽略不計，所以這種曝光技術的分辨率幾乎可以達到掩模版的分辨率水平。
從傳統(tǒng)的光刻技術轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光刻技術，工藝流程都必須重新設計，這主要是由于X射線不能像普通光源那樣通過透鏡和反射鏡等光學系統(tǒng)進行聚焦。另外，X射線的掩模版造價非常昂貴，工藝也非常復雜，這也是阻礙X射線光刻技術發(fā)展的一個重要原因。另外，穩(wěn)定、平行且強度足夠的單一頻率的X射線光源非常難以實現(xiàn)。利用同步加速器輻射可以實現(xiàn)X射線曝光要求的光源，但造價非常昂貴。一個同步加速器可以實現(xiàn)多種波長，但如果在工藝進行當中電子束由于故障導致關閉，所有和它相關的曝光系統(tǒng)必須同時關閉。半導體制造業(yè)需要的是工藝和設備的穩(wěn)定性，所以即使每個Fab只擁有一臺同步加速器曝光系統(tǒng)，由于其價格昂貴也只能作為備用。
2.6電子束曝光技術
電子束曝光的波長依賴于電子能量。能量越高,曝光的波長越短。能量在10~50 keV的電子束的波長遠遠小于UV光源的波長，所以，電子束曝光工藝具有廣泛的應用價值，并且具有傳統(tǒng)光學曝光技術所達不到的分辨率。電子束曝光技術廣泛應用于掩模版制造和一些半導體制造廠的十字叉絲制。
造技術中，和UV曝光系統(tǒng)一樣，電子束可以通過一些電子光學系統(tǒng)的電磁場效應進行反射、折射和聚焦。所以， 電子束曝光系統(tǒng)可以應用于步進曝光系統(tǒng)掃描曝光技術中。下一代電子束曝光技術中，最引人注目的是SCALPEL (angμlar limitation projection electron-beam lithography) 。SCALPEL綜合了高分辨率和多層次的工藝應用技術,可以滿足半導體制造業(yè)高產(chǎn)量的需求,該系統(tǒng)與現(xiàn)有的掃描步進曝光系統(tǒng)非常類似。這種光刻技術是未來半導體制造業(yè)圖形轉(zhuǎn)移技術的主流技術。
2.7離子束曝光技術
同電子束曝光技術一樣，離子束曝光技術的分辨率也遠遠超過了傳統(tǒng)的光學曝光技術。離子束曝光技術同樣可以應用于直寫式曝光和投影式曝光。離子束曝光的優(yōu)點在于在進行曝光的同時，可以進行腐蝕工藝的操作。這樣將大大節(jié)省工藝的操作步驟，簡化工藝流程。然而離子束曝光的效率特別低，不可能應用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中。這種技術目前最可能的應用是掩模版制造，也可以應用于針對器件缺陷的檢驗和修復。
3分析
自20世紀80年代后期,光學光刻技術的重點轉(zhuǎn)向i線和準分子，到90年代初，i線曝光迅速達到全盛時期。準分子激光光刻技術已在80年代末期進入成熟階段，其中以日本Nikon NSR-2005EX8A型、荷蘭ASML PAS-5500/70型和PAS-5500/90型、國GCA XLS-7500/29型和XLS7800/31型等最為典型。它們均可實現(xiàn)0.45μm或0.35μm分辨率，滿足16M、64MDRAM芯片，光刻200 mm的片子。
PSM曝光技術，是光學光刻的一個歷史性突破。日本Nikon和Canon兩家公司在1992年3月的SPIE微光刻國際討論會上，發(fā)表了相移照相光學系統(tǒng)的研究成果，并將該技術應用到EPA-2500i3、NSR-2005i9T NSR-4425i等遠紫外步進曝光機上，以適應64M DRAM的批量生產(chǎn)和256M DRAM的開發(fā)。
同步輻射(SOR) X射線光刻，是未來最有希望成為亞微米圖形制作的主要加工手段。它可制作出0.2~0.1μm高精度圖形，可以說是近期微細加工領域技術中的又一個豐碑。日本SORTECH和松下合作研制成功世界上第一臺高性能的SOR光刻機，日電也開發(fā)出具有0.2μm加工能力的SOR步進機。
4結(jié)語
電子束曝光技術正在向著高精度、高亮度、高速消隱和高速掃描方向發(fā)展。近年來，國外電子束曝光技術，已從亞微米發(fā)展到納米(10~100nm)加工。
根據(jù)目前光刻技術的發(fā)展形勢看，極紫外光刻技術將是大批量生產(chǎn)特征尺寸為70nm及更細線寬集成電路的主流技術。目前，Intel公司已經(jīng)把下一代光刻技術選定為極紫外光刻技術。在即將到來的65nm節(jié)點，主流光刻設備將是ArF干式光刻機和ArF浸沒式光刻機；到2010年，用于45nm節(jié)點的主流光刻設備將是ArF浸沒式光刻機。ArF浸沒式光刻機仍然具有潛力向更小的節(jié)點延伸。極紫外光刻、納米壓印光刻、無掩模光刻等下一代光刻技術的研究也取得了較大的進步。在193nm浸沒式光刻技術達到極限后，極紫外光刻將最有可能成為主流的光刻技術，納米壓印光刻和無掩模光刻也將是極有競爭力的下一代光刻技術，這為我國的光刻設備和工藝研究提出了新的課題和挑戰(zhàn)。
