光刻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析

最近的電子器件大多是由微細的電路元件構(gòu)成的，為了制造這些元件，微細加工已成為必須的技術(shù)。以前，為了這個目的使用了照相蝕刻技術(shù)（光刻法）。但是，半導體集成電路(IC)的集成度以年率約2倍的比例提高，據(jù)說使用光的加工早晚會達到極限。為了打破這一問題，正在研究使用更短波長的紫外線、電子射線、軟X射線、離子射線等新射線源的方法。另一方面，適用于這些新輻射源的抗蝕劑材料的研究也在勢力范圍內(nèi)進行。在此，以光刻膠為中心，對各光刻膠的現(xiàn)狀、今后的課題進行概述。

光刻法

首先在基板表面形成要蝕刻的物質(zhì)（例如鋁）的薄膜，在其上通過旋涂法等涂覆抗蝕劑。光刻膠是通過光照射，其溶解性發(fā)生變化的被膜材料，在蝕刻時具有保護基板的作用。通過具有所需圖案的光掩膜（類似于照相干板），用光照射涂有光刻膠的基板，使其發(fā)生化學變化后，將其浸入適當?shù)娜軇@影液）中，僅照射部分或未照射部分有選擇性地溶出，形成光刻膠的圖案，因此，溶解性增大，該部分溶出的稱為正型抗蝕劑，相反，通過照射使其不溶解，僅未照射部分溶出的稱為負型抗蝕劑。接著，使用適當?shù)奈g刻劑對該基板進行蝕刻后，被抗蝕劑圖案覆蓋的部分未被蝕刻而殘留。最后，剝離作用結(jié)束的光刻膠后，可以得到所需的蝕刻圖案。

當然，光刻光源必須產(chǎn)生波長足以使光刻膠光解或光交聯(lián)的光。實際上使用的是水銀燈，在其發(fā)射光譜中，主要使用g線（435 nm）、h線（405nm）、i線（365nm）。但是，縮小投影曝光方式使用單色光是標準的。使用該光源對涂有光刻膠的基板進行曝光時，使用了以下4種方法：①接觸曝光法②代理米特曝光法③等倍反射投影曝光法④縮小投影曝光法。在接觸曝光法中，顧名思義就是將基板與掩膜緊密接觸后進行曝光。這種方法從很久以前就開始使用，雖然可以得到較高的分辨率，但是由于掩膜與基板接觸，其缺點是抗蝕劑膜容易被劃傷，掩膜容易被弄臟。

代理曝光是為了消除上述缺點，將基板和掩模分開數(shù)十微米進行曝光的方法。這樣，雖然可以減輕上述缺點，但卻無法避免分辨率的降低?，F(xiàn)在大部分的曝光裝置（掩模對準器）都可以通過簡單的操作進行選擇，一般是根據(jù)目的分別使用。在等倍反射投影曝光法中，使用由反射鏡構(gòu)成的光學系統(tǒng)，將掩膜的圖案在沒有色差的情況下，以1:1的比例投影到基板上進行曝光。在這種情況下，掩模與基板充分分離，完全不用擔心抗蝕劑膜的損傷和掩模的污染。在縮小投影曝光法中，使用具有實際芯片n倍（n一般為5、10）圖案的掩模（分劃板），使用透鏡投影縮小像進行曝光。

深度UV光刻

在光刻中，最小分辨率線寬在接近式曝光中與波長的1/2次方成比例，在投影曝光中與1次方成比例，因此短波長化當然能夠有效提高分辨率，但該方法的另一個特長是不使用增感劑就能夠分解乃至交聯(lián)許多有機聚合物 可以認為，PMMA的高分辨率對上述分辨率、0.2μm、有很大的貢獻。以上的丙烯酸類光刻膠都具有高分辨率，但它們的通病是靈敏度低以及耐干蝕刻性不充分。

剝離法廣為人知。在該方法中，如圖1所示，在基板上形成光刻膠圖案后，在其上用真空蒸鍍法等形成皮膜，然后用良溶劑進行光刻膠溶解除去。

圖1 使用LMR阻力的提升過程

此時，沉積在光刻膠上的膜也與光刻膠一起被一一除去，只殘留沉積在谷間的膜，形成圖案。該方法對于難以蝕刻的金屬、化合物的圖案形成特別有效。如圖1所示，為了確實進行剝離，光刻膠的斷面為倒梯形（或蘑菇狀）是必要條件。因此，雖然提出了多層抗蝕劑法、氯苯處理法）等方法，但工藝復雜、再現(xiàn)性不充分等，不能滿足。

我們通過簡單的顯影工序，開發(fā)出了具有蘑菇狀斷面的圖案再現(xiàn)性良好，靈敏度高（PMMA的100倍以上）且分辨率為0.3μm（接觸法）的專用Deep UV負型光刻膠“LMR”。LMR的主要成分是萘醌二甲酸酯的磺酸酯(IX)，是分子量為1000左右的低聚物。利用該抗蝕劑形成鋁圖案的例子如圖1所示。

電子束(EB)光刻

如圖2所示，由于入射EB在向前散射的同時通過抗蝕劑層，因此在這里產(chǎn)生了一定程度的強度分布。電子進一步進入基板，到達一定深度后，被反向散射。關(guān)于反向散射的硅基團關(guān)于板上的PMMA抗蝕劑膜的體系，報告了利用蒙特卡羅法的模擬結(jié)果，其擴散遠遠大于前方散射的擴散。例如，在涂有厚度為1μm的PMMA光刻膠的硅基板上照射20keV的EB時，光刻膠/基板界面上的背散射引起的電子擴散達到2μm左右。從該結(jié)果可以很容易地想象，反向散射是導致分辨率降低的重要原因。例如，用20keV的EB描繪2μm間隔的圖形時，如圖2所示，在目標圖形的描繪中，相鄰的圖形也會在一定程度上被曝光。這就是所謂的鄰近效應，是EB光刻分辨率降低以及描繪尺寸變動的主要原因之一 特別是在通過EB照射進行交聯(lián)的負型光刻膠的情況下，影響較大。為了打破這一局面，有人提出了一種以更高的高壓（~50kV）加速，通過加深電子進入來降低鄰近效應的方法。

圖2 EB光刻技術(shù)中的后向散射和接近效應
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EB抗蝕劑

有機聚合物對于電離放射線可以分為分解型和交聯(lián)型，與光刻膠的情況相同，分解型可以是正型光刻膠，交聯(lián)型可以是負型光刻膠。在EB光刻中，由于使用的是能量比分子的結(jié)合能量大得多的EB，因此可以成為光刻膠（通過EB照射發(fā)生化學變化）的物質(zhì)很多。但是，實際上具備抗蝕劑條件的極少。在EB光刻膠的情況下，與光刻膠一樣，下述性質(zhì)基本是重要的。

X射線光刻

由于X射線的波長較短（0.5～5nm），衍射的影響較小，且與EB相比，透射能力相差懸殊，因此，以X射線為輻射源的光刻有望獲得高分辨率。研究了使用軟X射線的光刻，證實了在大長寬比下可以轉(zhuǎn)錄細微的圖案。之后，對線、源、掩模、曝光裝置等進行了勢力性的研究。將X射線應用于光刻時，目前僅限于使用掩膜的轉(zhuǎn)錄。

聚焦離子束光刻

在EB光刻中成為大問題的反向散射可以通過使用離子束作為輻射源來減輕。此外，通過離子照射產(chǎn)生的二次電子的平均能量低于EB照射的情況，并且由于可以消除鄰近效應，因此提高了分辨率。另外，由于抗蝕劑對離子束的阻止能力大，表觀靈敏度提高。該方法的另一個特點是可以進行直接蝕刻、離子注入、離子束輔助蝕刻等。以離子源為首，還需要大量的研究和開發(fā)，但將來有可能實現(xiàn)完全不使用抗蝕劑的器件制造技術(shù)，這是一項夢想很多的技術(shù)。

總結(jié)

以上，以抗蝕劑材料為中心，敘述了光刻技術(shù)的概要。該技術(shù)是電子工業(yè)中的中樞技術(shù)，其要求越來越高。光刻是高度的復合技術(shù)，只要缺少一個構(gòu)成要素，就無法發(fā)揮作用。例如，無論曝光裝置如何進步，如果沒有與之相適應的光刻膠，就不可能實現(xiàn)實用化。因此，今后共同使曝光系統(tǒng)、光刻膠及工藝技術(shù)以協(xié)調(diào)的形式進步是極其重要的。

最近，將光刻工藝干化的研究取得了進展。關(guān)于這一點，本文有很好的解說，在此不作敘述。光刻膠僅限于有機物。

　　審核編輯：湯梓紅