提高光刻機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)及光刻機(jī)的發(fā)展情況

作為光刻工藝中最重要設(shè)備之一，光刻機(jī)一次次革命性的突破，使大模集成電路制造技術(shù)飛速向前發(fā)展。了解提高光刻機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)以及了解下一代光刻技術(shù)的發(fā)展情況是十分重要的。

光刻機(jī)

光刻機(jī)（Mask Aligner) 又名：掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等。

光刻（Photolithography） 意思是用光來制作一個圖形（工藝）；在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時“復(fù)制”到硅片上的過程。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

光刻機(jī)是集成電路芯片制造的關(guān)鍵核心設(shè)備。光刻機(jī)是微電子裝備的龍頭，技術(shù)難度最高，單臺成本最大。

光刻機(jī)發(fā)展路線圖

光刻機(jī)三巨頭

荷蘭的ASML，日本的Nikon，Canon

光刻機(jī)重要評價指標(biāo)

支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。

分辨率是對光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。

對準(zhǔn)精度是在多層曝光時層間圖案的定位精度。

曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。

曝光光源波長分為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準(zhǔn)分子激光器等。

光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)

整機(jī)光刻機(jī)包含

曝光系統(tǒng)(照明系統(tǒng)和投影物鏡)

工件臺掩模臺系統(tǒng)

自動對準(zhǔn)系統(tǒng)

調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)

掩模傳輸系統(tǒng)

硅片傳輸系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)

整機(jī)框架及減振系統(tǒng)

整機(jī)控制系統(tǒng)

整機(jī)軟件系統(tǒng)

光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)

光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)

光刻技術(shù)的基本原理和工藝

光刻工藝通過曝光的方法將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到涂覆于硅片表面的光刻膠上，然后通過顯影、刻蝕等工藝將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。

1、涂膠

要制備光刻圖形，首先就得在芯片表面制備一層均勻的光刻膠。在涂膠之前，對芯片表面進(jìn)行清洗和干燥是必不可少的。

目前涂膠的主要方法有：甩膠、噴膠和氣相沉積 ，但應(yīng)用最廣泛的還是甩膠。甩膠是利用芯片的高速旋轉(zhuǎn)，將多余的膠甩出去，而在芯片上留下一層均勻的膠層，通常這種方法可以獲得優(yōu)于+2%的均勻性（邊緣除外）。膠層厚度和轉(zhuǎn)速、時間、膠的特性都有關(guān)系，此外旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的氣流也會有一定的影響。

甩膠的主要缺陷有：氣泡、彗星（膠層上存在的一些顆粒）、條紋、邊緣效應(yīng)等，其中邊緣效應(yīng)對于小片和不規(guī)則片尤為明顯。

光刻機(jī)的涂膠

2、紫外光刻

目前占光刻技術(shù)主導(dǎo)地位的仍然是紫外光刻。按波長可分為紫外、深紫外和極紫外光刻。

按曝光方式可分為接觸/接近式光刻和投影式光刻。接觸/接近式光刻通常采用汞燈產(chǎn)生的365~436nm的紫外波段，而投影式光刻通常采用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的深紫外（248nm）和極紫外光（193nm 和157nm）。

2.1 接觸/接近式光刻

接觸/接近式光刻是發(fā)展最早，也是最常見的曝光方式。它采用1：1方式復(fù)印掩膜版上的圖形，這類光刻機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，發(fā)展也較成熟，缺點(diǎn)是分辨率不高，通常最高可達(dá)1um 左右。此外由于掩膜版直接和光刻膠接觸，會造成掩膜版的沾污。

2.2 投影式光刻

投影式光刻機(jī)在現(xiàn)代光刻中占主要地位，據(jù)調(diào)查顯示，投影式光刻機(jī)約占整個光刻設(shè)備市場份額的 70%以上。其主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，不沾污掩膜版，重復(fù)性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。投影式光刻機(jī)又分為掃描式和步進(jìn)式，掃描式采用 1：1 光學(xué)鏡頭，由于掃描投影分辨率不高， 因此 80 年代中期后就逐步被步進(jìn)投影光刻機(jī)所取代。步進(jìn)投影光刻機(jī)采用縮小投影鏡頭，一般有 4：1.5,1.10:1 等。

投影式曝光技術(shù)

3、粒子束光刻

由于光學(xué)光刻受分辨率限制，要得到分辨率更高的圖形只能求助于粒子束光刻，因此有人預(yù)言21世紀(jì)將是粒子束光刻的世紀(jì)。常見的粒子束光刻主要有X射線、電子束和離子束光刻。

3.1 X 射線光刻

X射線光刻技術(shù)是目前國外研究比較熱門的一種粒子束光刻技術(shù)，同光學(xué)曝光相比，X射線有著更短的波長，因此有可能獲得分辨率更高的圖形，目前被認(rèn)為是100nm線條以下半導(dǎo)體器件制造的主要工具。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

景深容易控制；

視場大（可達(dá)50mm*50mm）；

射線對光刻工藝中的塵埃不敏感，因此成品率較高。

由于X射線的波長很短（通常為0.1~30nm），曝光時的衍射和散射幾乎可以忽略不計，因此可得到較高分辨率的圖形。X射線穿透力很強(qiáng)，目前多數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)不能對它進(jìn)行反射或折射，因此多采用接近式曝光。

3.2 電子束光刻

電子束曝光技術(shù)是迄今為止分辨率最高的一種曝光手段。電子束光刻的優(yōu)點(diǎn)是

（1）分辨率高；

（2）不需要掩膜；

（3）不受像場尺寸限制；

（4）真空內(nèi)曝光，無污染；

（5）由計算機(jī)控制，自動化程度高。

目前已研制出多種電子束納米曝光技術(shù)，如掃描透射電子顯微鏡（STEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、圓形束、成形束、投影曝光、微電子光柱等。其中STM的空間分辨率最高，橫向可達(dá)0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm，但由于電子束入射光刻膠和襯底后會產(chǎn)生散射，因而限制了實際的分辨率（即鄰近效應(yīng)）。

目前電子束曝光技術(shù)中的主導(dǎo)加工技術(shù)為圓形電子束和成形電子束曝光，成形電子束目前最小分辨率一般大于100nm，圓形電子束的最高分辨率可達(dá)幾個納米。

電子束光刻采用直接寫的技術(shù)，在掩膜版的制備過程中占主要地位。但也正是因為電子束采用直接寫的技術(shù)，因此曝光的速度很慢，不實用于大硅片的生產(chǎn)，此外電子束轟擊襯底也會產(chǎn)生缺陷。

3.3 離子束光刻

離子束光刻和電子束光刻較類似，也是采用直接寫的技術(shù)，由于離子的質(zhì)量比電子重得多，因此只在很窄的范圍內(nèi)產(chǎn)生很慢的二次電子，鄰近效應(yīng)可以忽略，可以得到更高分辨率的圖形（可達(dá)20nm）。同樣能量下，光刻膠對離子的靈敏度也要比電子高數(shù)百倍，因此比電子束更實用于作光刻工具。但離子束也有一些缺點(diǎn)，如不能聚焦得像電子束一樣細(xì)，此外，由于質(zhì)量較重，使得曝光深度有限，一般不超過0.5um。

離子束光刻目前主要應(yīng)用于版的修復(fù)，光學(xué)掩膜在制作過程中難免會產(chǎn)生一些缺陷，特別是現(xiàn)在的線條越來越細(xì)，這些缺陷就更是不可避免。利用聚焦離子束的濺射功能可將版上多余的鉻斑去掉，也可在離子束掃描過程中，通入一定的化學(xué)氣體，將碳或鎢沉積在版上，修補(bǔ)版上不必要的透光斑，提高版的成品率。此外離子束光刻引入的離子注入效應(yīng)又帶來一些新的未知因數(shù)，離子束光刻目前還處于研究當(dāng)中。

4、光刻膠

光刻膠呈現(xiàn)多面化發(fā)展的趨勢，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，如常規(guī)的UV光刻膠、深紫外光刻膠、X射線光刻膠、電子束光刻膠及用于深度光刻的光刻膠等。但有一個共同的趨勢就是分辨率和靈敏度越來越高。

光刻膠分為正膠和負(fù)膠，一般認(rèn)為負(fù)膠的分辨率較差，但現(xiàn)在有一些負(fù)膠采用堿性顯影液也可復(fù)印出與正膠有相似精度的亞微米圖形而不產(chǎn)生膠的膨脹。而通常正膠比負(fù)膠的靈敏度低，所需的曝光量是負(fù)膠的若干倍。預(yù)計光刻膠的靈敏度極限約為10uJ/cm2，極限分辨率可達(dá)10nm。

光刻膠的發(fā)展趨勢主要是提高分辨率、靈敏度和抗蝕性能?，F(xiàn)在新的光刻工具提供的輻照密度都比傳統(tǒng)的光刻工具低，因此對膠的靈敏度提出了更高的要求，化學(xué)放大光刻膠系統(tǒng)可能是解決該問題的關(guān)鍵。此外一些新的技術(shù)如圖形反轉(zhuǎn)、多層膠技術(shù)、表面硅烷化技術(shù)、干法顯影技術(shù)等也在研究之中。

光刻機(jī)的技術(shù)改進(jìn)與發(fā)展趨勢

隨著時代的進(jìn)步，集成電路科技的進(jìn)步與發(fā)展，對光刻工藝的精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的光刻工藝難以滿足如此的精度要求。光刻機(jī)性能的提高勢在必行。

1、提高光刻機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)

光刻機(jī)將圖形從掩模上復(fù)制到硅片上的若干參數(shù)決定了其主要性能。目前行業(yè)內(nèi)被普遍接受的光刻機(jī)三大性能參數(shù)是光刻分辨率、套刻精度和產(chǎn)率。近年來，提高光刻機(jī)性能的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，光刻分辨率和套刻精度的提高推動光刻技術(shù)步入更小的節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)率的提高為集成電路制造廠商帶來更高的經(jīng)濟(jì)利益。下面主要討論提高光刻機(jī)性能的4種國際主流技術(shù)。

1.1 雙工件臺技術(shù)

隨著特征尺寸的減小且投影物鏡數(shù)值孔徑的增大，光刻面臨焦深不斷減小的挑戰(zhàn)。為了滿足越來越苛刻的成像質(zhì)量要求，對光刻機(jī)的調(diào)焦調(diào)平和對準(zhǔn)精度將提出更高的要求。與此同時，集成電路制造廠商希望光刻機(jī)的產(chǎn)率不斷提高。然而，調(diào)焦調(diào)平和對準(zhǔn)精度的提高是以花費(fèi)更多的測量時間為代價的。在單工件臺系統(tǒng)中，硅片的上片、對準(zhǔn)、調(diào)焦調(diào)平、曝光、下片是依次進(jìn)行的，增加測量時間必然會降低光刻產(chǎn)率。為此，人們提出了雙工件臺技術(shù)，一個工件臺上的硅片進(jìn)行曝光的同時，另一個工件臺上的硅片可以進(jìn)行上片、對準(zhǔn)、調(diào)焦調(diào)平、下片等操作。

兩個工件臺分別處于測量位置和曝光位置，同時獨(dú)立工作，每個硅片在一個工件臺上完成所有的操作。當(dāng)兩個工件臺上的硅片分別完成了測量和曝光，將兩個工件臺交換位置和任務(wù)。

1.2 偏振照明技術(shù)

分析大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)的成像質(zhì)量問題時，照明光的偏振態(tài)不可忽視。離軸照明方式結(jié)合偏振光照明設(shè)置可以對各種不同的圖形實現(xiàn)高對比度成像。在數(shù)值孔徑大于0．8的光刻機(jī)中，應(yīng)該使用成像對比度較高的偏振光照。另外，使用偏振光照明可以獲得更好的光刻工藝窗口和更低的掩模誤差增強(qiáng)因子。

當(dāng)使用偏振光照明時，光刻機(jī)的照明系統(tǒng)中存在諸多機(jī)制如光學(xué)材料的本征雙折射及應(yīng)力雙折射、光學(xué)薄膜的偏振特性等影響著光的偏振態(tài)。為了保持成像光束較高的偏振度，需要整個照明系統(tǒng)進(jìn)行偏振控制。

1.3 大數(shù)值孔徑投影物鏡

投影物鏡是光刻機(jī)中最昂貴最復(fù)雜的部件之一，提高光刻機(jī)分辨率的關(guān)鍵是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。隨著光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物鏡的像差和雜散光對成像質(zhì)量的影響越來越突出。浸沒式物鏡的軸向像差，如球差和場曲較干式物鏡增大了n倍（n為浸沒液體的折射率)。

在引入偏振光照明后，投影物鏡的偏振控制性能變得更加重要。在數(shù)值孔徑不斷增大的情況，如何保持視場大小及偏振控制性的能，并嚴(yán)格控制像差和雜散光，是設(shè)計投影物鏡面臨的難題。

投影物鏡

傳統(tǒng)光刻機(jī)的投影物鏡多采用全折射式設(shè)計方案，即物鏡全部由旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)裝校的透射光學(xué)元件組成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，易于加工與裝校，局部雜散光較少。然而，大數(shù)值孔徑全折射式物鏡的設(shè)計非常困難。

為了校正場曲，必須使用大尺寸的正透鏡和小尺寸的負(fù)透鏡以滿足佩茨瓦爾條件，即投影物鏡各光學(xué)表面的佩茨瓦爾數(shù)為零。透鏡尺寸的增加將消耗更多的透鏡材料，大大提高物鏡的成本；而小尺寸的負(fù)透鏡使控制像差困難重重。

為了實現(xiàn)更大的數(shù)值孔徑，近年來設(shè)計者普遍采用折反式設(shè)計方案。折反式投影物鏡由透鏡和反射鏡組成。反射鏡的佩茨瓦爾數(shù)為負(fù)，不再依靠增加正透鏡的尺寸來滿足佩茨瓦爾條件，使投影物鏡在一定尺寸范圍內(nèi)獲得更大的數(shù)值孔徑成為可能。折反式投影物鏡主要有多軸和單軸兩種設(shè)計方案。

1.4 浸沒式光刻技術(shù)

浸沒式光刻技術(shù)是近年來提出的延伸193nm光刻的關(guān)鍵技術(shù)。浸沒式光刻技術(shù)需要在投影物鏡最后一個透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間充滿高折射率的液體（一般為水）。

浸沒式光刻設(shè)備

浸沒式光刻的分辨率較傳統(tǒng)光刻縮小至l/n，相當(dāng)于有效曝光波長縮小至1／n；相對于傳統(tǒng)光刻技術(shù)， 在0相同的情況下，引入浸沒光刻技術(shù)可以使焦深增大n倍。液體浸沒技術(shù)實現(xiàn)了大于l的數(shù)值孔徑，使ArF光刻機(jī)進(jìn)一步向45nm甚至更小節(jié)點(diǎn)延伸成為可能。

目前的浸沒式光刻機(jī)主要采用局部浸沒裝置，僅僅在投影物鏡最后一個透鏡的下表面和硅片光刻膠之間的空間內(nèi)注入或排出浸沒液體。在掃描、曝光、液體的供給及回收等過程中，浸沒液體中可能產(chǎn)生氣泡，溶解在水中的光刻膠物質(zhì)以及曝光后硅片上的殘留液體都有可能導(dǎo)致污染。

為了排除氣泡和污染物對光刻的影響，目前的解決方案是在局部浸沒裝置中保持浸沒液體穩(wěn)定流動。如前所述，在浸沒式光刻機(jī)中運(yùn)用雙工件臺技術(shù)，可l以沿用現(xiàn)有的對準(zhǔn)和調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)，避開了浸沒狀態(tài)下的檢測難題。

2、下一代光刻技術(shù)的研究進(jìn)展

目前用于大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的主流光刻技術(shù)仍是光學(xué)光刻技術(shù)。光學(xué)光刻技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是浸沒式光刻技術(shù)的發(fā)展，使光學(xué)光刻技術(shù)延伸到45nm甚至更小節(jié)點(diǎn)成為可能，使下一代光刻技術(shù)的應(yīng)用一再推遲。針對32 nm以下節(jié)點(diǎn)，下一代光刻技術(shù)的主要候選者是極紫外光刻技術(shù)、納米壓印技術(shù)和無掩模光刻技術(shù)。

2.1 極紫外光刻技術(shù)

極紫外光刻技術(shù)一直是最受關(guān)注且最有可能達(dá)到量產(chǎn)化要求的光刻技術(shù)。極紫外光刻技術(shù)使用波長為13．5 nm的極紫外光，幾乎所有的材料對這個波段的光都是強(qiáng)吸收的，因此極紫外光刻技術(shù)只能采用反射投影光學(xué)系統(tǒng)。

極紫外光線經(jīng)過由80層Mo—Si結(jié)構(gòu)多層膜反射鏡組成的聚光系統(tǒng)聚光后，照明反射式掩模，經(jīng)縮小反射投影光學(xué)系統(tǒng)，將反射掩模上的圖形投影成像在硅片表面的光刻膠上。

目前，極紫外光刻技術(shù)研究面臨的主要難題包括低缺陷密度掩模的制備，高輸出功率、長壽命極紫外光源的研發(fā)，反射式投影光學(xué)系統(tǒng)中污染的有效控制，適用于量產(chǎn)的反射式投影光學(xué)系統(tǒng)的制造，低線條粗糙度和低曝光劑量極紫外光刻膠的研發(fā)，保護(hù)反射式掩模免受微粒污染等。

2.2 納米壓印光刻技術(shù)

納米壓印光刻技術(shù)是華裔科學(xué)家周郁在1995年首先提出的。首先采用高分辨率電子束等方法將納米尺寸的圖形制作在“印章”上，然后在硅片上涂上一層聚合物f如聚甲基丙烯酸甲脂，PMMA)，在一定的溫度r高于聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度1和壓力下，用已刻有納米圖形的硬“印章”“壓印”聚甲基丙烯酸甲酯涂層使其發(fā)生變形，從而實現(xiàn)圖形的復(fù)制。

納米壓印光刻技術(shù)主要包括熱壓印、紫外壓印和微接觸壓印，三種技術(shù)。在熱壓印工藝中，將硅片上的光刻膠加熱到玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上，利用機(jī)械力將印章壓入高溫軟化的光刻膠層內(nèi)，光刻膠冷卻后固化成形，完成圖形轉(zhuǎn)移。

紫外壓印是通過紫外光使光刻膠發(fā)生聚合反應(yīng)實現(xiàn)固化成形。微接觸壓印將“墨材料”r通常為含硫醇的試劑1轉(zhuǎn)移到圖案化的金屬基表面上，再進(jìn)行刻蝕工藝。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、成本低、工藝環(huán)節(jié)少、速度快，已成為下一代光刻技術(shù)中的有力競爭者?；谧贤鈮河〖夹g(shù)新發(fā)展的步進(jìn)閃光壓印技術(shù)(Step and Flash Imprint Lithography，SFIL)，可達(dá)10 nm的分辨率，最有可能達(dá)到集成電路量產(chǎn)的要求。

2.3 無掩模光刻技術(shù)

隨著光刻分辨率的不斷提高，掩模的成本呈直線上升的態(tài)勢，因此無掩模光刻技術(shù)成為研究的又一熱點(diǎn)。無掩模光刻技術(shù)的種類較多，主要分為基于光學(xué)的無掩模光刻技術(shù)和非光學(xué)無掩模光刻技術(shù)（如電子束無掩模光刻技術(shù)和離子束無掩模光刻技術(shù)）兩大類。

綜上所述，我們可以知道光刻技術(shù)的主要技術(shù)原理以及光刻技術(shù)的可能發(fā)展趨勢?？萍及l(fā)展瞬息萬變，只有技術(shù)的不斷發(fā)展，才能滿足現(xiàn)實社會的生產(chǎn)需求。我們由以上介紹可以知道，提高光刻機(jī)的性能可以從雙工件臺技術(shù)，偏振照明技術(shù)，大數(shù)值孔徑投影物鏡和浸沒式光刻技術(shù)入手。而且我們也了解了浸沒式光刻技術(shù)先進(jìn)的技術(shù)瓶頸。

極紫外光刻、納米壓印光刻、無掩模光刻等下一代光刻技術(shù)的研究也取得了較大的進(jìn)步。在193nm浸沒式光刻技術(shù)達(dá)到極限后，極紫外光刻將最有可能成為主流的光刻技術(shù)，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(shù)。