光刻技術(shù)及其應用的現(xiàn)狀與展望

1、光刻技術(shù)及其應用的現(xiàn)狀與展望 1 引言 光刻技術(shù)作為半導體及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步的關(guān)鍵技術(shù)之一，一方面在過去的幾十年中發(fā)揮了重大作用；另一方面，隨著光刻技術(shù)在應用中技術(shù)問題的增多、用戶對應用本身需求的提高和光刻技術(shù)進步滯后于其他技術(shù)的進步凸顯等等，尋找解決技術(shù)障礙的新方案、尋找COO更加低的技術(shù)和找到下一倆代可行的技術(shù)路徑，去支持產(chǎn)業(yè)的進步也顯得非常緊迫，備受人們的關(guān)注。就像ITRS對未來技術(shù)路徑的修訂一樣，上世紀基本上35年修正一次，而進入本世紀后，基本上每年都有修正和新的版本出現(xiàn)，這充分說明了光刻技術(shù)的重要性和對產(chǎn)業(yè)進步的影響。2005年ITRS對未來幾種可能光刻技術(shù)方案進行預測。也正是基

2、于這一點，新一輪技術(shù)和市場的競爭正在如火如荼的展開，大量的研發(fā)和開發(fā)資金投入到了這場競賽中。因此，正確把握光刻技術(shù)發(fā)展的主流十分重要，不僅可以節(jié)省時間和金錢，同時可以縮短和用戶使用之間的周期、縮短開發(fā)投入的回報時間，因為光刻技術(shù)開發(fā)的投入比較龐大。2 光刻技術(shù)的現(xiàn)狀及其應用狀況 眾說周知，電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流和不可阻擋的趨勢是“輕、薄、短、小”，這給光刻技術(shù)提出的技術(shù)方向是不斷提高其分辨率，即提高可以完成轉(zhuǎn)印圖形或者加工圖形的最小間距或者寬度，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求；另一方面，光刻工藝在整個工藝過程中的多次性使得光刻技術(shù)的穩(wěn)定性、可靠性和工藝成品率對產(chǎn)品的質(zhì)量、良率和成本有著重要的影響，這也要求光

3、刻技術(shù)在滿足技術(shù)需求的前提下，具有較低的COO和COC。因此，光刻技術(shù)的紛爭主要是廠家可以提供給用戶什么樣分辨率和產(chǎn)能的設備及其相關(guān)的技術(shù)。2.1 以Photons為光源的光刻技術(shù) 在光刻技術(shù)的研究和開發(fā)中，以光子為基礎的光刻技術(shù)種類很多，但產(chǎn)業(yè)化前景較好的主要是紫外(UV)光刻技術(shù)、深紫外(DUV)光刻技術(shù)、極紫外(EUV)光刻技術(shù)和X射線(X-ray)光刻技術(shù)。不但取得了很大成就，而且是目前產(chǎn)業(yè)中使用最多的技術(shù)，特別是前兩種技術(shù)，在半導體工業(yè)的進步中，起到了重要作用。 紫外光刻技術(shù)是以高壓和超高壓汞(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫外(350450nm)的3條光強很強的光譜(g、h

4、、i線)線，特別是波長為365nm的i線為光源，配合使用像離軸照明技術(shù)(OAI)、移相掩模技術(shù)(PSM)、光學接近矯正技術(shù)(OPC)等等，可為0.350.25m的大生產(chǎn)提供成熟的技術(shù)支持和設備保障，在目前任何一家FAB中，此類設備和技術(shù)會占整個光刻技術(shù)至少50的份額；同時，還覆蓋了低端和特殊領域?qū)饪碳夹g(shù)的要求。光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，有全反射式(Catoptrics)投影光學系統(tǒng)、折反射式(Catadioptrics)系統(tǒng)和折射式(Dioptrics)系統(tǒng)等。主要供應商是眾所周知的ASML、NIKON、CANON、ULTRATECH和SUSS MICROTECH等等。系統(tǒng)的類型方面，ASML以提

5、供前工程的l:4步進掃描系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋0.50.25m：NIKON以提供前工程的1：5步進重復系統(tǒng)和LCD的1：1步進重復系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋0.80.35m和20.8m；CANON以提供前工程的1：4步進重復系統(tǒng)和LCD的1：1步進重復系統(tǒng)為主，分辨率也覆蓋0.80.35m和10.8m；ULTRATECH以提供低端前工程的1：5步進重復系統(tǒng)和特殊用途(先進封裝MEMS，薄膜磁頭等等)的1：1步進重復系統(tǒng)為主；而SUSS MICTOTECH以提供低端前工程的l：1接觸接近式系統(tǒng)和特殊用途(先進封裝MEMSHDI等等)的1：1接觸接近式系為主。另外，在這個領域的系統(tǒng)供應商還有USHlO、T

6、AMARACK和EV Group等。 深紫外技術(shù)是以KrF氣體在高壓受激而產(chǎn)生的等離子體發(fā)出的深紫外波長(248 nm和193 nm)的激光作為光源，配合使用i線系統(tǒng)使用的一些成熟技術(shù)和分辨率增強技術(shù)(RET)、高折射率圖形傳遞介質(zhì)(如浸沒式光刻使用折射率常數(shù)大于1的液體)等，可完全滿足O.250.18m和018m90 nm的生產(chǎn)線要求；同時，9065 nm的大生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)在開發(fā)中，如光刻的成品率問題、光刻膠的問題、光刻工藝中缺陷和顆粒的控制等，仍然在突破中；至于深紫外技術(shù)能否滿足6545 nm的大生產(chǎn)工藝要求，目前尚無明確的技術(shù)支持。相比之下，由于深紫外(248 nm和193 nm)激光的波

7、長更短，對光學系統(tǒng)材料的開發(fā)和選擇、激光器功率的提高等要求更高。目前材料主要使用的是融石英(Fused silica)和氟化鈣(GaF2)，激光器的功率已經(jīng)達到了4 kW，浸沒式光刻使用的液體介質(zhì)常數(shù)已經(jīng)達到1.644等，使得光刻技術(shù)在選擇哪種技術(shù)完成100nm以下的生產(chǎn)任務時，經(jīng)過幾年的沉默后又開始活躍起來了。投影成像系統(tǒng)方面，主要有反射式系統(tǒng)(Catoptrics)、折射式系統(tǒng)(Dioptrics)和折反射式系統(tǒng)(Catadioptrics)，如圖2所示。在過去的幾十年中，折射式系統(tǒng)由于能夠大大提高系統(tǒng)的分辨率而起到了非常重要的作用，但由于折射式系統(tǒng)隨著分辨率的提高，對光譜的帶寬要求越來越

8、窄、透鏡中鏡片組的數(shù)量越來越多和成本越來越高等原因，使得折反射式系統(tǒng)的優(yōu)點逐漸顯示了出來。專家預測折反射式系統(tǒng)可能成為未來光學系統(tǒng)的主流技術(shù)，如NIKON公司和CANON公司用于FPD產(chǎn)業(yè)的光刻機，都采用折反射式系統(tǒng)，他們以前并沒有將這種光學系統(tǒng)用于半導體領域的光刻機，而是使用折射式系統(tǒng)，像ASML公司一樣。但隨著技術(shù)的進步和用戶需求的提高，他們也將折反射技術(shù)使用到了半導體領域的光刻機上。極紫外光刻技術(shù)承擔了目前大生產(chǎn)技術(shù)中關(guān)鍵層的光刻工藝，占有整個光刻技術(shù)的40左右。不像紫外技術(shù)，涉入的公司較多，深紫外技術(shù)完全由ASML、NIKON和CANON三大公司壟斷，所有設備都以前工程使用的1：4步進

9、掃描系統(tǒng)為主，分辨率覆蓋了0.2590 nm的整個范圍。值得一提的是，在9065 nm的大生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中，ASML已經(jīng)走在了其他兩家的前面，同時，45 nm技術(shù)的實驗室工藝已經(jīng)成功，設備已經(jīng)開始量產(chǎn)，這使得以氟(F2)(157 nm)為光源的光刻技術(shù)前景變得十分暗淡，專家預測的氟(F2)將是最后一代光學光刻技術(shù)的可能性已經(jīng)十分小了，主要原因不是深紫外技術(shù)發(fā)展的迅速，而是以氟(F2)為光源的光刻技術(shù)諸如透鏡材料只能使用氟化鈣(CaF2)、抗蝕劑開發(fā)緩慢、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計最終沒有方向和最后的分辨率只能達到80 nm等等因素。 極紫外(EUV)光刻技術(shù)早期有波長10100 nm和波長125 nm的軟X光

10、兩種，兩者的主要區(qū)別是成像方式，而非波長范圍。前者以縮小投影方式為主，后者以接觸接近式為主，目前的研發(fā)和開發(fā)主要集中在13 nm波長的系統(tǒng)上。極紫外系統(tǒng)的分辨率主要瞄準在1316 nm的生產(chǎn)上。光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由于很多物質(zhì)對13 nm波長具有很強的吸收作用，透射式系統(tǒng)達不到要求，開發(fā)的系統(tǒng)以多層的鋁(Al)膜加一層MgF2保護膜的反射鏡所構(gòu)成的反射式系統(tǒng)居多。主要是利用了當反射膜的厚度滿足布拉格(Bragg)方程時，可得到最大反射率，供反射鏡用。目前這種系統(tǒng)主要由一些大學和研究機構(gòu)在進行技術(shù)研發(fā)和樣機開發(fā)，光源的功率提高和反射光學系統(tǒng)方面進步很快，但還沒有產(chǎn)業(yè)化的公司介入。考慮到技術(shù)的延續(xù)性和

11、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成本等因素，極紫外(EUV)光刻技術(shù)是眾多專家和公司看好的、能夠滿足未來16 nm生產(chǎn)的主要技術(shù)。但由于極紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈來愈高，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中由于掩模版的費用增加會導致生產(chǎn)成本的增加，進而會大大降低產(chǎn)品的競爭力，這是極紫外(EUV)光刻技術(shù)快速應用的主要障礙。為了降低成本，國外有的研發(fā)機構(gòu)利用極紫外(EUV)光源，結(jié)合電子束無掩模版的思想，開發(fā)成功了極紫外(EUV)無掩模版光刻系統(tǒng)，但還沒有商品化，進入生產(chǎn)線。 X射線光刻技術(shù)也是20世紀80年代發(fā)展非常迅速的、為滿足分辨率100 nm以下要求生產(chǎn)的技術(shù)之一。主要分支是傳統(tǒng)靶極X光、激光誘發(fā)等離子X光和同步輻射X光光刻

12、技術(shù)。特別是同步輻射X光(主要是O.8 nm)作為光源的X光刻技術(shù)，光源具有功率高、亮度高、光斑小、準直性良好，通過光學系統(tǒng)的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力強；同時可有效消除半陰影效應(Penumbra Effect)等優(yōu)越性。X射線光刻技術(shù)發(fā)展的主要困難是系統(tǒng)體積龐大，系統(tǒng)價格昂貴和運行成本居高不下等等。不過最新的研究成果顯示，不僅X射線光源的體積可以大大減小，近而使系統(tǒng)的體積減小外，而且一個X光光源可開出多達20束X光，成本大幅降低，可與深紫外光光刻技術(shù)競爭。2.2 以Particles為光源的光刻技術(shù) 以Particles為光源的光刻技術(shù)主要包括粒子束光刻、電子束光刻，特別是電子束光

13、刻技術(shù)，在掩模版制造業(yè)中發(fā)揮了重要作用，目前仍然占有霸主地位，沒有被取代的跡象；但電子束光刻由于它的產(chǎn)能問題，一直沒有在半導體生產(chǎn)線上發(fā)揮作用，因此，人們一直想把縮小投影式電子束光刻技術(shù)推進半導體生產(chǎn)線。特別是在近幾年，取得了很大成就，產(chǎn)能已經(jīng)提高到20片h(200 mm圓片)。 電子束光刻進展和研發(fā)較快的是傳統(tǒng)電子束光刻、低能電子束光刻、限角度散射投影電子束光刻(SCALPEL)和掃描探針電子束光刻技術(shù)(SPL)。傳統(tǒng)的電子束光刻已經(jīng)為人們在掩模版制造業(yè)中廣泛接受，由于熱冷場發(fā)射(FE)比六鵬化鑭(LaB6)熱游離(TE)發(fā)射的亮度能提高1001000倍之多，因此，熱冷場發(fā)射是目前的主流，分

14、辨率覆蓋了100200 nm的范圍。但由于傳統(tǒng)電子束光刻存在前散射效應、背散射效應和鄰近效應等，有時會造成光致抗蝕劑圖形失真和電子損傷基底材料等問題，由此產(chǎn)生了低能電子束光刻和掃描探針電子束光刻。低能電子束光刻光源和電子透鏡與掃描電子顯微鏡(SEM)基本一樣，將低能電子打入基底材料或者抗蝕劑，以單層或者多層L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)為抗蝕劑，分辨率可達到10 nm以下，目前在實驗室和科研單位使用較多。掃描探針電子束光刻技術(shù)(SPL)是利用掃描隧道電子顯微鏡和原子力顯微鏡原理，將探針產(chǎn)生的電子束，在基底或者抗蝕劑材料上直接激發(fā)或者誘發(fā)選擇性化學作用，如刻蝕或者淀積進

15、行微細圖形加工和制造。SPL目前比較成熟，主要應用領域是MEMS和MOEMS等納米器件的制造，隨著納米制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，掃描探針電子束光刻技術(shù)(SPL)的前景有望與光學光刻媲美。另外一種比較有潛力的電子束光刻技術(shù)是SCALPEL，由于SCALPEL的原理非常類似于光學光刻技術(shù)，使用散射式掩模版(又稱鼓膜)和縮小分步掃描投影工作方式，具有分辨率高(納米級)、聚焦深度長、掩模版制作容易和產(chǎn)能高等優(yōu)勢，很多專家認為SCALPEL是光學光刻技術(shù)退出歷史舞臺后，半導體大生產(chǎn)進入納米階段的主流光刻技術(shù)，因此，有人稱之為后光學光刻技術(shù)。 粒子束光刻發(fā)展較快的有聚焦粒子束光刻(FIB)和投影粒子束光刻，由于

16、光學光刻的不斷進步和不斷滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，使離子束光刻的應用已經(jīng)有所擴展，如FIB技術(shù)目前主要的應用是將FIB與FE-SEM連用，擴展SEM的功能和使得SEM觀察方便；另外，通過方便的注射含金屬、介電質(zhì)的氣體進入FTB室，聚焦離子分解吸附在晶圓表面的氣體，可完成金屬淀積、強化金屬刻蝕、介電質(zhì)淀積和強化介電質(zhì)刻蝕等作用。投影粒子束光刻的優(yōu)點很明顯，但缺點也很明顯，如無背向散射效應和鄰近效應，聚焦深度長，大于l0m，單次照射面積大，故產(chǎn)能高，目前可達200 mm硅片60片h，可控制粒子對抗蝕劑的滲透深度，較容易制造寬高比較大的三維圖形等等；但也有很多缺點，如因為空間電荷效應，使得分辨率不好，目前

17、只達到8065 nm，較厚的掩模版散熱差，易受熱變形，有些時候還需要添加冷卻裝置等等。近幾年由于電子束光刻應用的迅速擴展，粒子束光刻除了在FIB領域的應用被人們接受外，在MEMS的納米器件制作領域也落后于電子束和光學光刻，同時，人們對其在未來半導體產(chǎn)業(yè)中的應用也沒有給予厚望。2.3 物理接觸式光刻技術(shù) 通過物理接觸方式進行圖像轉(zhuǎn)印和圖形加工的方法有多年的開發(fā)，但和光刻技術(shù)相提并論，并納入光刻領域是產(chǎn)業(yè)對光刻技術(shù)的要求步入納米階段和納米壓印技術(shù)取得了技術(shù)突破以后。物理接觸式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing，其核心是納米級模版的制作。物理接觸式光刻技術(shù)中，以目前納米

18、壓印技術(shù)最為成熟和受人們關(guān)注，它的分辨率已經(jīng)達到了10 nm，而且圖形的均一性完全符合大生產(chǎn)的要求，目前的主要應用領域是MEMS、MOEMS、微應用流體學器件和生物器件，預測也將是未來半導體廠商實現(xiàn)32 nm技術(shù)節(jié)點生產(chǎn)的主流技術(shù)。由于目前實際的半導體規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)還處在使用光學光刻技術(shù)苦苦探索和解決65 nm工藝中的一些技術(shù)問題，而納米壓印技術(shù)近期在一些公司的研究中心工藝上取得的突破以及驗證的技術(shù)優(yōu)勢，特別是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)為一些半導體設計和工藝研究中心提供的成套光刻系統(tǒng)(包括涂膠機、納米壓印光刻機和等離子蝕刻系統(tǒng))取得的滿意數(shù)據(jù)，使

19、得人們覺得似乎真正找到了納米制造技術(shù)的突破口。因此，一些專家預測，到2015年，市場對納米成像工具、模版、光刻膠以及其他耗材的需求將達到約15億美元，最大的客戶仍然是半導體產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)品制造業(yè)，約占52左右。另外，值得一提的是，納米壓印技術(shù)中最具被半導體工業(yè)化所首選的是軟光刻技術(shù)。技術(shù)優(yōu)點是結(jié)合了納米壓印的思想和紫外光刻良好的對準特性，即可靈活的選擇多層軟模型，進行精確對位，也可在室溫下工作，使用低于100kPa的壓力壓印。2.4 其它光刻技術(shù)光刻技術(shù)常見的技術(shù)方案如上所述的紫外光刻、電子束光刻、納米壓印光刻等，以廣為業(yè)界的人們所熟悉。但近年來，在人們?yōu)榧{米級光刻技術(shù)探索出路的同時，也出現(xiàn)了

20、許多新的技術(shù)應用于光刻工藝中，主要有干涉光刻技術(shù)(CIL)、激光聚焦中性原子束光刻、立體光刻技術(shù)、全息光刻技術(shù)和掃描電化學光刻技術(shù)等等。其中成像干涉光刻技術(shù)(IIL)發(fā)展最快，主要是利用通過掩模版光束的空間頻率降低，可使透鏡系統(tǒng)收集，然后再還原為原來的空間頻率，照射襯底材料上的抗蝕劑，傳遞掩模版圖形，可以解決傳統(tǒng)光學光刻受限于投影透鏡的傳遞質(zhì)量和品質(zhì)，無法收集光束的較高頻率部分，使圖形失真的問題。其他的光刻技術(shù)因為在技術(shù)上取得的突破甚微，距離應用相當遙遠，此處不再贅述。 3 光刻技術(shù)的技術(shù)性和經(jīng)濟性比較光刻技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)手段，那種技術(shù)為產(chǎn)業(yè)界所普遍接受和采納，是一個集技術(shù)性和經(jīng)濟性綜合

21、比較的產(chǎn)物。一方面，就狹義光刻技術(shù)(包括光刻機技術(shù)、涂膠現(xiàn)像機技術(shù)等)本身而言，有技術(shù)和經(jīng)濟的權(quán)衡；另一方面，光刻技術(shù)的進步還會受到廣義上光刻技術(shù)（還包括掩模版及其制造技術(shù)、光刻膠及其制造技術(shù)、蝕刻和粒子注入技術(shù)等）的影響。因此，本文就以2005年ITRS對光刻技術(shù)的修訂內(nèi)容，對光刻技術(shù)在技術(shù)性和經(jīng)濟性方面發(fā)表點拙見。3.1 技術(shù)性比較一方面，從目前幾種光刻技術(shù)本身的發(fā)展和開發(fā)使用狀況來看，深紫外光刻、極紫外光刻、限角度散射投影電子束光刻、掃描探針電子束光刻技術(shù)、納米壓印光刻等，在能力上都有可能解決90 nm以下的半導體產(chǎn)業(yè)和微電子產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)問題，但真正產(chǎn)業(yè)化都有問題，如本文第一部分論述；

22、另一方面，從技術(shù)的標準和如何與已經(jīng)形成的現(xiàn)有光刻的龐大體系相互融合，順利過渡，這些技術(shù)所處的狀態(tài)各不相同。就像半導體產(chǎn)業(yè)在20世紀8090年代的發(fā)展過程中，工藝技術(shù)形成了23個大的IP體系，也就是以IBM和TI等為核心的體系、以Siement和Toshiba為核心的體系一樣，光刻技術(shù)目前逐漸也在形成23大體系，特別是光學光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)，這就意味著那個體系發(fā)展快，產(chǎn)業(yè)化進程迅速，良好解決了技術(shù)的銜接和過渡，誰就是技術(shù)標準，誰就是產(chǎn)業(yè)標準。因此，技術(shù)性的比較也有戰(zhàn)略的競爭，就像ASML體系與NIKON和CANON體系的競爭，EV Group體系和MII體系的競爭。專家預測，半導體產(chǎn)業(yè)在本世紀初將會有大的并購和重組，我們可以清楚的看到，已經(jīng)發(fā)生和正在發(fā)生的并購和重組實際上是體系的并購和重組，新的標準的產(chǎn)生過程。3.2 經(jīng)濟性比較相比較于技術(shù)性，經(jīng)濟性的比較盡管包含了系統(tǒng)本身的成本、系統(tǒng)的運行成本、掩模版制造成本、光刻膠的制造及消耗成本、配套檢測和工藝監(jiān)控設備的投入成本等，但我們可以量化它，固定制約的因素，就像2005年ITRS修訂后對光刻成本的預測一樣，如圖6所示，只要確定了技術(shù)路徑和標準，經(jīng)濟性的比較非常清楚。4 未來光刻技術(shù)的發(fā)展隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展，光刻技術(shù)及其應用已經(jīng)遠