一文了解光刻機成像系統(tǒng)及光學(xué)鍍膜技術(shù)

高端光刻機研發(fā)是一個系統(tǒng)工程，涉及到各方面技術(shù)的持續(xù)改進和突破，在材料科學(xué)方面涉及低吸收損耗石英材料、高純度薄膜材料的開發(fā)，在精密光學(xué)領(lǐng)域涉及精密光學(xué)加工技術(shù)、鍍膜技術(shù)、光學(xué)集成裝配技術(shù)等，在精密機械方面涉及到納米精度的位移控制技術(shù)等，這些技術(shù)發(fā)展中涉及的加工和檢測設(shè)備也都是各時代最尖端的設(shè)備，因此高精度光刻機也被稱為“人類歷史上最精密”的機器之一。

光刻機發(fā)展歷程

半導(dǎo)體集成電路制造的工藝流程由美國著名半導(dǎo)體廠商仙童公司開發(fā)的臺面晶體管制備方法確立：整個過程按照需要在硅基片上制作的結(jié)構(gòu)制作掩模板，然后用照相制版的方法，將結(jié)構(gòu)縮小并顯影在硅片表面，實現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)從掩模板到硅片的轉(zhuǎn)移(光刻)。 成像系統(tǒng)的分辨率是制約光刻機能夠?qū)崿F(xiàn)的半導(dǎo)體器件最小尺寸的關(guān)鍵，隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸越來約小，有限尺度的硅片面上容納的器件數(shù)目越來越多，對光刻機鏡頭分辨能力的要求也持續(xù)提高。

光刻機分辨率的持續(xù)提高，是推動半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展按照摩爾定律發(fā)展的關(guān)鍵，因此研發(fā)更高分辨率的光刻機，成為各光刻機供應(yīng)商持續(xù)的追求。光刻機分辨率和工作波長和系統(tǒng)的數(shù)值孔徑確定：

其中k1為工藝因子，λ為曝光波長，NA為物鏡的數(shù)值孔徑。根據(jù)公式，降低光刻機的曝光波長是提高光刻機分辨率的重要方法。

到目前為止，根據(jù)光刻機的曝光波長，光刻機共經(jīng)歷了5代產(chǎn)品。其中第一代和第二代光刻機分別采用汞燈產(chǎn)生的436nm g線和365nm i線作為光刻光源，可滿足0.8μm 到0.35μm制程的芯片生產(chǎn)。這兩代光刻機普遍采用接觸/接近式曝光方式，結(jié)構(gòu)簡單，售價便宜。

第三至第五代光刻機采用投影式光刻技術(shù)，通過投影成像方法將掩膜板上的電路圖按比例精確縮小成像到硅片上。

投影光刻機通常采用4:1或5:1的縮小成像方式曝光，其分辨率和鏡頭的數(shù)值孔徑和波長相關(guān)。

第5代光刻機采用EUV光作為光源，光刻機單臺售價高達1億美元。

193nm干式光刻機的制程達到65nm，采用浸沒式光刻方法，用高折射率液體H2O代替空氣作為出射介質(zhì)，193nm光刻機的制程可以提高到22 nm，因此193nm光刻機在目前和未來相當長的時間內(nèi)，都將是高端IC加工的核心設(shè)備。

193nm光刻機的核心結(jié)構(gòu)如圖所示，其中包含的照明模式設(shè)置系統(tǒng)和投影成像系統(tǒng)分別包含20多個光學(xué)透鏡，增透膜的性能嚴重影響光刻機光學(xué)系統(tǒng)的整體透過率，例如假設(shè)每個表面的光反射和吸收損耗是0.5%，則系統(tǒng)由鏡面反射和薄膜吸收導(dǎo)致的光能量損耗可達40%，因此提高光刻機鏡頭增透膜的性能是高精度光刻機研發(fā)過程中的一個關(guān)鍵技術(shù)。然而相對于常規(guī)的成像系統(tǒng)，193nm光刻機鍍膜包含一些獨特的技術(shù)難點。

成像光學(xué)系統(tǒng)采用大量的球面光學(xué)元件調(diào)整光束的傳播方向。隨著系統(tǒng)對成像質(zhì)量的要求越來越高，光在元件表面的反射會產(chǎn)生大量的雜散光，顯著降低成像質(zhì)量，因此在鏡片表面鍍制各種性能的光學(xué)薄膜成為保證高精度成像系統(tǒng)性能的一條技術(shù)途徑。

光學(xué)鍍膜技術(shù)與分類

物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和液相沉積這三大類方法是目前主要的薄膜制備方法，每種類型制備方式中又可細分。

物理氣相沉積是在真空條件下采用物理方法將材料氣化成氣態(tài)原子或分子，然后在基底表面沉積的薄膜的技術(shù)。

化學(xué)氣相沉積是在高溫環(huán)境下利用基板表面的的化學(xué)反應(yīng)制備薄膜，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電子技術(shù)，如在硅基板上外延沉積集成電路中的介電膜。

液相沉積是利用溶液化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)等化學(xué)方法在基板表面沉積薄膜的一種技術(shù)，不需要真空環(huán)境，設(shè)備簡單，其應(yīng)用涉及電子元件、表面涂敷和裝飾等。

光學(xué)薄膜主要采用物理氣相淀積法制備，目前經(jīng)常采用的有熱蒸發(fā)、濺射和離子鍍等方法。

熱蒸發(fā)是物理氣相沉積鍍膜中最早發(fā)展起來的，并得到廣泛應(yīng)用。

熱蒸發(fā)是在真空狀態(tài)下進行的，在真空室內(nèi)，當膜料被加熱時，其原子就會從表面逸出，然后在基底上凝結(jié)形成薄膜，這就是熱蒸發(fā)的簡單過程。

常用的熱蒸發(fā)方式有電阻蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)以及離子束輔助蒸發(fā)。

對于金、銀、鋁等低熔點金屬、硫化鋅、硒化鋅等硫硒化物、氟化鎂、氟化鐿等氟化物的蒸發(fā)一般采用電阻熱蒸發(fā)方法，原因是這些材料的熔點低，容易蒸發(fā)。在選擇蒸發(fā)源材料時候，需要考慮其與薄膜材料的濕潤性、是否與薄膜材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。對于氧化硅等氧化物、鎢等難熔金屬等的蒸發(fā)一般采用電子束蒸發(fā)方式。電子束直接轟擊膜料，其能量密度高(可達10E9 W/cm2)，是蒸發(fā)難熔金屬和高熔點介質(zhì)材料的比較好的方式。 離子束輔助沉積(IAD)是一種輔助沉積方法，在采用電阻蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)膜料的過程中，離子源產(chǎn)生荷能離子，沉積粒子通過與這些荷能離子進行碰撞獲得較大的動能，從而改變薄膜生長的過程。

運用離子束輔助沉積技術(shù)可改進光學(xué)薄膜的性質(zhì)、改善薄膜的結(jié)晶性、方向性、附著強度、薄膜的致密性和表面形貌等。

磁控濺射鍍膜技術(shù)

磁控濺射鍍膜是利用荷能離子轟擊靶材表面使靶材原子獲得反沖動能而脫離靶材表面并最終沉積在襯底表面的一種真空鍍膜技術(shù)。磁控濺射的工作原理如圖所示。在磁控陰極靶頭上施加負偏壓從而使濺射氣體被擊穿而發(fā)生輝光放電。在放電過程中所產(chǎn)生的濺射氣體離子（一般為Ar 離子）在陰極靶表面等離子體鞘層中的高能電場作用下加速轟擊靶材表面。高能濺射氣體離子對靶面的轟擊一方面導(dǎo)致一部分靶材表面原子獲得反沖能量而脫離靶面成為濺射原子并最終沉積在襯底表面；另一方面導(dǎo)致二次電子從靶材表面發(fā)射并在陰極靶面鞘層作用下加速進入輝光放電等離子體區(qū)。進入等離子體區(qū)的二次電子在靶面磁場的束縛作用下運動，并與濺射氣體原子發(fā)生碰撞而使其電離，因此二次電子是磁控放電得以自持的重要能量來源。

靶材表面磁場對二次電子的束縛作用顯著提高了靶面附近等離子體濃度，從而有效解決了普通二極濺射沉積速率低的問題。因此，電子在靶面磁場的束縛作用下的運動過程是理解磁控濺射原理的關(guān)鍵。下圖展示了磁控濺射靶面附近的電場和磁場的分布情況。

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