光刻技術(shù)的進(jìn)展

1、基于光刻技術(shù)的微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)展 微光刻技術(shù)的發(fā)展貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一只點(diǎn)接觸晶體管。從此光刻技術(shù)開始了發(fā)展。世界上第一架晶體管計(jì)算機(jī)誕生，提出光刻工藝，仙童半導(dǎo)體研制世界第一個(gè)適用單結(jié)構(gòu)硅晶片。1947195960年代仙童提出CMOS IC制造工藝，第一臺(tái)IC計(jì)算機(jī)IBM360，并且建立了世界上第一臺(tái)2英寸集成電路生產(chǎn)線，美國(guó)GCA公司開發(fā)出光學(xué)圖形發(fā)生器和分布重復(fù)精縮機(jī)。70年代1978GCA開發(fā)出第一臺(tái)分布重復(fù)投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從1.5m縮小到0.5m節(jié)點(diǎn)。80年代美國(guó)SVGL公司開發(fā)出第一代步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從0.5m縮小到0.35m節(jié)點(diǎn)。90年代Canon19

2、95年著手300mm晶圓曝光機(jī)，推出EX3L和5L步進(jìn)機(jī)，ASML推出FPA2500，193nm波長(zhǎng)步進(jìn)掃描曝光機(jī)。光學(xué)光刻分辨率到達(dá)70nm的“極限”。2000以來(lái)在光學(xué)光刻技術(shù)努力突破分辨率“極限”的同時(shí)，NGL正在研究，包括極紫外線光刻技術(shù)，電子束光刻技術(shù)，X射線光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)等。光學(xué)光刻2020世紀(jì)世紀(jì)7080年代，光刻年代，光刻設(shè)備主要采用普通光源和設(shè)備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級(jí)以上。征尺寸在微米級(jí)以上。90年代以來(lái)，為了適應(yīng)年代以來(lái)，為了適應(yīng)IC集集成度逐步提高的要求，相成度逐步提高的要求，相繼出現(xiàn)了繼出現(xiàn)了g譜線、譜線、h

3、譜線、譜線、I譜線光源以及譜線光源以及KrFrF、ArFrF等等準(zhǔn)分子激光光源。目前光準(zhǔn)分子激光光源。目前光學(xué)光刻技術(shù)的發(fā)展方向主學(xué)光刻技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長(zhǎng)、提高數(shù)值孔徑和改進(jìn)長(zhǎng)、提高數(shù)值孔徑和改進(jìn)曝光方式。曝光方式。、Ar超微粒干版制備技術(shù)鉻版制備技術(shù)氧化鐵版制備技術(shù) 掩膜板制備工藝193nm光刻技術(shù)2004 年 12 月 TSMC 和 IBM 分別宣布成功利用 193 nm 浸液式光刻技術(shù)生產(chǎn)出全功能的芯片。IBM 制造出了基于功率器件結(jié)構(gòu)的 90 nm 微處理器的關(guān)鍵層，而 TSMC 則制造出了 90 nm SRAM芯片的關(guān)鍵層。均使用 ASML

4、 TwinScan AT:1150i 浸液掃描式光刻機(jī) （ 數(shù)值孔徑 0.75） 。 2005 年 TSMC 的制造工廠里安裝 ASML 的第二代浸液式曝光設(shè)備 XT:1250 i （數(shù)值孔徑 0.85），并介紹了使用這臺(tái)設(shè)備進(jìn)行 65 nm 工藝的研發(fā)情況。 2006 年 1 月份Nikon 推出了第一臺(tái)量產(chǎn) ArF 浸液式掃描光刻設(shè)備 NSR-S609B（數(shù)值孔徑1.07）。用于55 nm 節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存產(chǎn)品的量產(chǎn)并用于研發(fā)下一代 45 nm 節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。德州儀器 (TI)也發(fā)布了 45 nm 半導(dǎo)體制造工藝的細(xì)節(jié)，該工藝采用濕法光刻技術(shù)2007， IBM 宣布通過(guò)與美國(guó) JSR Micr

5、o 公司合作， 利用 ArF 浸液式曝光完成了線寬與線間隔為 29.9 nm 的圖形成像。2011之前Nikon 推出S620D 193nm液浸式光刻機(jī)（數(shù)值孔徑1.25），這種光刻機(jī)可供32nm及以上規(guī)格節(jié)點(diǎn)制程使用，由Intel使用開發(fā)其22nm節(jié)點(diǎn)制程邏輯芯片產(chǎn)品.Nikon 又推出S621D 193nm液浸式光刻機(jī)（數(shù)值孔徑1.25），其性能是根據(jù)14nm制程的要求制定的。極紫外（EUV）光刻技術(shù)1984年，日本電信株式會(huì)社（NTT開始嘗試性開展研究軟X射線縮小投光刻技術(shù)研究，并且在1986年里有鍍有多層膜的施瓦茲席爾德（Schwarzschild）光學(xué)系統(tǒng)及12.5nm軟X射線光源光

6、刻出2m線寬的圖形，其縮小倍率為1：8。1989年，IBM、ATT、Ultratech Stepper和Tropel表示出了對(duì)SXPL極大的興趣，于是舉行了一次SXPL學(xué)術(shù)論壇。同年NTT在同一系統(tǒng)上光刻出0.5m線寬的圖形；1990年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室利用14nm的光源光刻出50nm線寬圖形，其縮小倍率為1：20。1992年，NTT公司研制成功帶有掃描機(jī)構(gòu)的、曝光現(xiàn)場(chǎng)為20mm20mm的樣機(jī)。1993年此項(xiàng)技術(shù)正是更名為極紫外光刻技術(shù)（EUVL）。1998年底，歐洲共同體的EUVL研究計(jì)劃也正是開始啟動(dòng)，該研究項(xiàng)目由ASML公司牽頭，Carl Zeiss公司和Oxford Instrument

7、s公司參與，其目的是評(píng)估EUVL在70nm光刻分辨率及70nm以下光刻分辨率的可行性。2015，ASML在今年第四季度批量出貨20nm、16nm、14nm工藝的相關(guān)制造設(shè)備。推出NXE:3300B光刻機(jī)，準(zhǔn)備10nm節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用極紫外光刻。尼康也一直在開發(fā)自己的商用EUV光刻工具，并將EUV光刻機(jī)被命名為EUV1. 目標(biāo)11nm節(jié)點(diǎn)的光刻機(jī)。同時(shí)，尼康聯(lián)合佳能公司共同開發(fā)EUV技術(shù)。EUVL主要由光源、縮微光學(xué)系統(tǒng)、掩模光刻膠和光刻機(jī)等部分組成。光源來(lái)源同步輻射激光等離子體光學(xué)系統(tǒng)：采用反射式曝光方式在13.013.5nm范圍內(nèi)，目前最好的多層膜涂層材料是Mo/Si和Mo/Be。Mo/Si在EU

8、V波長(zhǎng)范圍垂直入射反射率可以達(dá)到65.5%在11.111.5nm范圍內(nèi)，Mo/Be多層結(jié)構(gòu)在垂直入射時(shí)的反射率達(dá)到68%。掩膜分子玻璃(MG)2，具有短酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的光致產(chǎn)酸劑（PAG），高吸收樹脂等。光刻膠EUV光刻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：光刻分辨率高，至少可以達(dá)到30nm以下；有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)；圖形縮小掩模技術(shù)可以使掩模制作難度下降；具有傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)的延伸性；缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造相當(dāng)復(fù)雜，無(wú)缺陷反射掩模的制造也是一個(gè)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在設(shè)備、掩模、工藝等諸多方面的成本相當(dāng)高。X射線光刻技術(shù)1972 年， Spears 和 Smith 發(fā)表了第一篇有關(guān) X 射線光刻的論文。 1994 年，美國(guó)的 IB

9、M 和 Motorola 公司合作開發(fā) X 射線光刻技術(shù)。1999年 ，美國(guó)JMAR 公司推出0.13m標(biāo)準(zhǔn) 的 X射線光刻設(shè)備 XRS2000，配備點(diǎn)光源生產(chǎn)100mm晶圓，進(jìn)入生產(chǎn)線的 技術(shù)。2000以后，由光學(xué)光刻 技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及第一代 PXL 技術(shù)很難滿足65nm及其以下光刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求，產(chǎn)生第二代PXL技術(shù)，其分辨率可以達(dá)到35nm。X射線光源同步輻射源：可供多臺(tái)光刻機(jī)使用，波長(zhǎng)0.6nm1.0nm點(diǎn)光源：?jiǎn)闻_(tái)使用，波長(zhǎng)0.8nm1.4nm掩膜目前國(guó)際上研究應(yīng)用的薄膜襯基材料主要有硅、氮化硅、碳化硅、金剛石等，而吸收體材料除廣泛使用的金之外，還有鎢、鉭、鎢-鈦等。IBM 、M

10、otorola、東芝、NEC、三菱和NTT 采用的是 SiC/ T a 掩膜標(biāo)準(zhǔn), 也有用 SiC/ W 系統(tǒng)的。光刻膠X射線光刻膠有聚1，2-二氯丙烯酸、聚丁烯砜等。X光刻技術(shù)XRL的優(yōu)點(diǎn):(1)高分辨力 ;(2)大焦深和大像場(chǎng)等;(3)分辨力可達(dá) 40 nm , 它可用于ULSI 、 納米加工和 M EM S 等 。XRL的缺點(diǎn):(1)采用大型的 、昂貴的同步加速器 , 巨額耗資 , 對(duì)量產(chǎn)IC工藝難以接受； (2)高集成的 1 倍掩模版難制作; (3)與光學(xué)光刻機(jī)相比 , 生產(chǎn)效率極低 。XRL的第一個(gè)缺點(diǎn)，JMAR 公司用遠(yuǎn)紫外線光源替代價(jià)格昂貴的同步加速器 X 射線光源 , 使 XR

11、L 光刻機(jī)有了重大突破 , 離實(shí)用化走得更近了 。但到目前為止 , X 射線掩模版的直徑最大僅為 20 30 mm ,故有人認(rèn)為 , XRL 成為下一代光刻技術(shù)的主流技術(shù)是不可能的 , 在已商業(yè)化的 Si 工藝技術(shù)中沒有立足之地 。電子束光刻技術(shù)l 20 世紀(jì) 60 年代，電子束光刻技術(shù) ( EPL) 是在顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 , 由德意志聯(lián)邦共和國(guó)杜平根大學(xué)的 G . M ollenstedt 和R . Speidel 提出 。l 1968年，日本電子公司成功研制出第一臺(tái)掃描電子束光刻機(jī)。l 20世紀(jì)80年代初，IBM公司提出了電子束縮小投影光刻的概念。l 20實(shí)際90年代以來(lái)，美、日的

12、一些研究部門采用電子束曝光技術(shù)，相繼研制成功0.1m的CMOS器件、0.04m的MOST及0.05m的HEMT器件。電子束光刻技術(shù)電子束直寫技術(shù)SCALPEL技術(shù)電子束直寫技術(shù)2004年9月，朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合杜邦掩膜，Lincoln實(shí)驗(yàn)室，并與ASML合作，將無(wú)掩膜刻蝕系統(tǒng)特征尺寸縮小到50nm2005年，奧地利的IMS Nanofabricution與德國(guó)的Lecia Microsystems AG推出PLM2。PLM2基于Lecia公司直接寫入電子束平臺(tái)SB350DW。PLM2，覆蓋精確度為20nm。直寫技術(shù)不需要掩膜，直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。電子束光刻膠主要為聚

13、甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、甲基丙烯酸縮水甘油醚酯-丙烯酸酯共聚物、氯甲基化聚苯乙烯等，電子束膠的研究水平已經(jīng)達(dá)到了0.07m的水平，其0.1m技術(shù)用電子束膠已批量生產(chǎn)。SCALPEL技術(shù)1964年年, ,電子束投影曝光技術(shù)的電子束投影曝光技術(shù)的開始開始研究研究。1975年，由美國(guó)IBM公司作出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其原理與普遍光縮小式投影曝光相似，只是用電磁“透鏡”代替光學(xué)透鏡。SCAPEL系統(tǒng)具有和光學(xué)光刻可以比擬的生產(chǎn)率，且其加工能力優(yōu)于0.08m。SCALPEL的極限約為35 nm。SCALPELSCALPEL掩模版由低原子系數(shù)的薄膜（厚度在掩模版由低原子系數(shù)的薄膜（厚度在10001500m）SiN

14、x和高原子系數(shù)的和高原子系數(shù)的Cr/W（厚（厚度在度在250500m）組成，）組成，SiNx薄膜將電子微弱薄膜將電子微弱地小角度散射，而地小角度散射，而Cr/W將電子強(qiáng)散射到大角度。將電子強(qiáng)散射到大角度。納米壓印光刻技術(shù)納米壓印技術(shù)是1995年美國(guó)普林斯頓大學(xué)的華裔科學(xué)周郁提出的 。 國(guó)外普林斯頓大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、哈佛大學(xué)、密西根大學(xué)、林肯實(shí)驗(yàn)室、摩托羅拉、惠普公司及瑞士的 Paul Schemer 研究所、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)等眾多知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在致力于納米壓印光刻技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用。目前全世界已有五家納米壓印光刻設(shè)備提供商: 美 國(guó) 的 Molecular Imprints Inc、Nanonex Corp，奧地利的 EV Group，瑞典的 Obducat AB和德國(guó)的 Suss Microtec Co Inc。目前國(guó)內(nèi)已有很多單位在研究納米壓印技術(shù)，主要研發(fā)單位包括西安交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、吉林大學(xué)、 上海交通大學(xué)、 蘇州大學(xué)和中科院等。納米壓印技術(shù)熱壓印技術(shù)紫外光固化納米壓印技