光刻技術及其應用的狀況和未來發(fā)展

1、光刻技術及其應用的狀況和未來發(fā)展光刻技術及其應用的狀況和未來發(fā)展1引言光刻技術作為半導體及其相關產業(yè)發(fā)展和進步的關鍵技術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，隨著光刻技術在應用中技術問題的增多、用戶對應用本身需求的提高和光刻技術進步滯后于其 他技術的進步凸顯等等，尋找解決技術障礙的新方案、尋找 COO 更加低的技術和找到下一倆代可行的技術 路徑，去支持產業(yè)的進步也顯得非常緊迫，備受人們的關注。就像 ITRS 對未來技術路徑的修訂一樣，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，這充分說明了光刻技術的重要性和對產業(yè)進步的影響。如圖 1 所示，

2、是基于 2005 年 ITRS 對未來幾種可能光刻技術方案的預測。也正是基于這一點，新一輪技術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，因為光刻技術開發(fā)的投入比較龐大。2光刻技術的紛爭及其應用狀況眾說周知，電子產業(yè)發(fā)展的主流和不可阻擋的趨勢是輕、薄、短、小，這給光刻技術提出的技術方向是不斷提高其分辨率，即提高可以完成轉印圖形或者加工圖形的最小間距或者寬度，以滿足產業(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的穩(wěn)定性

3、、可靠性和工藝成品率對產品的質 量、良率和成本有著重要的影響，這也要求光刻技術在滿足技術需求的前提下，具有較低的COO 和 COC。因此，光刻技術的紛爭主要是廠家可以提供給用戶什么樣分辨率和產能的設備及其相關的技術。以 Photons 為光源的光刻技術2.1 以 Photons 為光源的光刻技術在光刻技術的研究和開發(fā)中，以光子為基礎的光刻技術種類很多，但產業(yè)化前景較好的主要是紫外(UV)光刻技術、深紫外(DUV)光刻技術、極紫外(EUV)光刻技術和 X 射線(X-ray)光刻技術。不但取得了很大成就， 而且是目前產業(yè)中使用最多的技術，特別是前兩種技術，在半導體工業(yè)的進步中，起到了重要作用。紫外

4、光刻技術是以高壓和超高壓汞 (Hg)或者汞-M(Hg-Xe)弧燈在近紫外(350450nm)的 3條光強很強的光 譜(g、h、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(OAI)、移相掩模技術(PSM)、 光學接近矯正技術(OPC)等等，可為 0.350.25 gm 的大生產提供成熟的技術支持和設備保障，在目前任何一家 FAB 中，此類設備和技術會占整個光刻技術至少50%的份額；同時，還覆蓋了低端和特殊領域對光刻技術的要求。光學系統的結構方面，有全反射式(Catoptrics)投影光學系統、折反射式(Catadioptrics)系統和折射式(Dioptrics)

5、系統等，如圖 2所示。主要供應商是眾所周知的ASML、NIKON、CANON、ULTRATECH和 SUSS MICROTECH 等等。系統的類型方面，ASML 以提供前工程的 l:4 步進掃描系統為主，分辨率覆蓋0.50.25 gm NIKON 以提供前工程的 1 : 5 步進重復系統和 LCD 的 1:1 步進重復系統為主，分辨率覆蓋 0.80.35 20.8 皿 CANON 以提供前工程的 1: 4 步進重復系統和 LCD 的 1 : 1步進重復系統為主，分辨率也覆蓋 0.80.35 頃 和 10.8 gm; ULTRATECH 以提供低端前工程的 1: 5 步進重復系統和特殊用 途(先

6、進封裝/MEMS/,薄膜磁頭等等)的 1:1 步進重復系統為主；而 SUSS MICTOTECH 以提供低端前工 程的 l: 1 接觸/接近式系統和特殊用途 (先進封裝/ MEMS/HDI 等等)的 1 : 1 接觸/接近式系為主。另外， 在這個領域的系統供應商還有 USHlO、TAMARACK 和 EV Group 等。深紫外技術深紫外技術是以 KrF 氣體在高壓受激而產生的等離子體發(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 線系統使用的一些成熟技術和分辨率增強技術(RET)、高折射率圖形傳遞介質(如浸沒式光刻使用折射率常數大于 1 的液體)等，可完全滿足

7、 O.250.18 頃 和 0 . 18 岫90 nm 的生產線要求；同 時，9065 nm的大生產技術已經在開發(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；至于深紫外技術能否滿足6545 nm 的大生產工藝要求，目前尚無明確的技術支持。相比之下，由于深紫外 (248 nm 和 193 nm)激光的波長更短，對光學系統材料的開發(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),激光器的功率已經達到了 4 kW，浸沒式光刻使用的液體介質常數已經達到1.644 等，使得光刻技術在選擇哪種技術完成

8、100nm 以下的生產任務時，經過幾年的沉默后又開始活躍起來了。投影成像系統方面，主要有反射式系統 (Catoptrics)、折射式系統(Dioptrics)和折反射式系統(Catadioptrics)，如圖 2 所示。在過去的幾十年中，折 射式系統由于能夠大大提高系統的分辨率而起到了非常重要的作用，但由于折射式系統隨著分辨率的提高，對光譜的帶寬要求越來越窄、透鏡中鏡片組的數量越來越多和成本越來越高等原因，使得折反射式系統的 優(yōu)點逐漸顯示了出來。專家預測折反射式系統可能成為未來光學系統的主流技術，如 NIKON 公司和 CANON公司用于 FPD 產業(yè)的光刻機，都采用折反射式系統，他們以前并沒

9、有將這種光學系統用于半導體領域的光 刻機，而是使用折射式系統，像ASML 公司一樣。但隨著技術的進步和用戶需求的提高，他們也將折反射技術使用到了半導體領域的光刻機上，如圖 3 所示的是 NIKON 公司開發(fā)的一種用于浸沒式光刻的光刻機光學系統原理圖。極紫外光刻技術承擔了目前大生產技術中關鍵層的光刻工藝，占有整個光刻技術的40%左右。不像紫外技術，涉入的公司較多，深紫外技術完全由ASML、NIKON 和 CANON 三大公司壟斷，所有設備都以前工程使用的 1: 4 步進掃描系統為主，分辨率覆蓋了0.2590 nm 的整個范圍。值得一提的是，在 9065 nm 的大生產技術開發(fā)中， ASML 已經

10、走在了其他兩家的前面，同時， 45 nm 技術的實驗室工藝 已經成功，設備已經開始量產，這使得以氟 (F2)(157 nm)為光源的光刻技術前景變得十分暗淡，專家預測 的氟(F2)將是最后一代光學光刻技術的可能性已經十分小了，主要原因不是深紫外技術發(fā)展的迅速，而是 以氟(F2)為光源的光刻技術諸如透鏡材料只能使 極紫外(EUV)光刻技術極紫外(EUV)光刻技術早期有波長 10100nm 和波長 125 nm 的軟 X 光兩種，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 波長的系統上。極紫外系統的分辨率主要瞄準

11、在1316 nm 的生產上。光學系統結構上，由于很多物質對 13 nm 波長具有很強的吸收作用，透射式系統達不到要求，開發(fā)的系統以多層的鋁(Al)膜加一層 MgF2 保護膜的反射鏡所構成的反射式系統居多。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。目前這種系統主要由一些大學和研究機構在進行技術研發(fā)和樣機開發(fā)，光源 的功率提高和反射光學系統方面進步很快，但還沒有產業(yè)化的公司介入?？紤]到技術的延續(xù)性和產業(yè)發(fā)展 的成本等因素，極紫外(EUV)光刻技術是眾多專家和公司看好的、能夠滿足未來16 nm 生產的主要技術。但由于極紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈來愈

12、高， 產業(yè)化生產中由于掩模版的費用增加會導致生產成本的增 加，進而會大大降低產品的競爭力，這是極紫外(EUV)光刻技術快速應用的主要障礙。為了降低成本，國外有的研發(fā)機構利用極紫外(EUV)光源，結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，但還沒有商品化，進入生產線。X射線光刻技術也是 20 世紀 80 年代發(fā)展非常迅速的、為滿足分辨率100 nm 以下要求生產的技術之一。主要分支是傳統靶極 X光、激光誘發(fā)等離子 X 光和同步輻射 X 光光刻技術。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，光源具有功率高、亮度高、光斑小、準直性良好，通過光學

13、系統的光束 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 射線光刻技術發(fā)展的主要困難是系統體積龐大，系統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競爭。以 Particles為光源的光刻技術 以 Particles 為光源的光刻技術以 Particles 為光源的光刻技術主要包括粒子束光刻、電子束光刻，特別是電子束光刻技術，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

14、有被取代的跡象；但電子束光刻由于它的產能問題，一 直沒有在半導體生產線上發(fā)揮作用，因此，人們一直想把縮小投影式電子束光刻技術推進半導體生產線。 特別是在近幾年，取得了很大成就，產能已經提高到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(SPL) o 傳統的電子束光刻已經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)比六鵬化錮(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，分辨率覆蓋了100200 nm 的

15、范圍。但由于傳統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(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 蝕或者淀積進行微細圖形加工和制造

16、。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，隨著納米制造產業(yè)的快速發(fā)展，掃描探針電子束光刻技術(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是SCALPEL,由于 SCALPEL 的原理非常類似于光學光刻技術，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能高等優(yōu)勢，很多專家認為SCALPEL 是光學光刻技術退出歷史舞臺后，半導體大生產進入納米階段的主流光刻技術，因此，有人稱之為后光學光刻技術。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，由于光學光刻

17、的不斷進步和不斷滿足工業(yè)生產的需要，使離子束光刻的應用已經有所擴展，如FIB 技術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、介電質淀積和強化介電質刻蝕等作用。 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 l0 gm,單次照射面積大，故產能高，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

18、因為空間電荷效應，使得分辨率不好，目前只達 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業(yè)中的應用也沒有給予厚望。 物理接觸式光刻技術物理接觸式光刻技術通過物理接觸方式進行圖像轉印和圖形加工的方法有多年的開發(fā)，但和光刻技術相提并論，并納入光刻領 域是產業(yè)對光刻技術的要求步入納米階段和納米壓印技術取得了技術突破以后。物理接觸式光刻主要包括 Printing、Molding 和Emboss

19、ing，其核心是納米級模版的制作,圖4所示的是 Printing(a)和 Embossing(b)工藝流程原理。物理接觸式光刻技術中，以目前納米壓印技術最為成熟和受人們關注，它的分辨率已經達 到了 10 nm，而且圖形的均一性完全符合大生產的要求，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32 nm 技術節(jié)點生產的主流技術。由于目前實際的半導體規(guī)模生產技術還處在使用光學光刻技術苦苦探索和解決65 nm 工藝中的一些技術問題，而納米壓印技術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優(yōu)勢，特別是EV Group 和MII（Mole

20、cular 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（包括涂膠機、納米壓印光刻機和等離子蝕刻系統）取得的滿意數據，使得人們覺得似乎真正找到了納米制造技術的突破口。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業(yè)和微電子產品制造業(yè)，約占 52%左右。另外，值得一提的是，納米壓印技術 中最具被半導體工業(yè)化所首選的是軟光刻技術，軟光刻技術的原理和工藝流程如圖5 所示。技術優(yōu)點是結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

21、在室 溫下工作，使用低于 100kPa 的壓力壓印。 其它光刻技術其它光刻技術光刻技術常見的技術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{米級光刻技術探索出路的同時，也出現了許多新的技術應用于光刻工藝中，主要有 干涉光刻技術（CIL）、激光聚焦中性原子束光刻、立體光刻技術、全息光刻技術和掃描電化學光刻技術等等。 其中成像干涉光刻技術（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，可以解決傳統光學光刻受限 于投影透鏡的傳遞質量和品質，無法收集光

22、束的較高頻率部分，使圖形失真的問題。其他的光刻技術因為 在技術上取得的突破甚微，距離應用相當遙遠，此處不再贅述。 光刻技術的技術性和經濟性比較光刻技術的技術性和經濟性比較光刻技術作為產業(yè)發(fā)展的技術手段，那種技術為產業(yè)界所普遍接受和采納，是一個集技術性和經濟性綜合 比較的產物。一方面，就狹義光刻技術（包括光刻機技術、涂膠/現像機技術等）本身而言，有技術和經濟的權衡；另一方面，光刻技術的進步還會受到廣義上光刻技術（還包括掩模版及其制造技術、光刻膠及其制造技術、蝕刻和粒子注入技術等 ）的影響。因此，本文就以 2005 年 ITRS 對光刻技術的修訂內容，對光刻 技術在技術性和經濟性方面發(fā)表點拙見。3

23、.1 技術性比較一方面，從目前幾種光刻技術本身的發(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、納米壓印光刻等，在能力上都有可能解決90 nm 以下的半導體產業(yè)和微電子產品規(guī)模化生產問題，但真正產業(yè)化都有問題，如本文第一部分論述；另一方面，從技術的 標準和如何與已經形成的現有光刻的龐大體系相互融合，順利過渡，這些技術所處的狀態(tài)各不相同。就像 半導體產業(yè)在 20 世紀8090 年代的發(fā)展過程中， 工藝技術形成了 23 個大的 IP 體系，也就是以 舊 M 和 TI等為核心的體系、以 Siement和 Toshiba 為核心的體系一樣，光刻技術目前逐漸也在形成2 3 大體系，特別是光學光刻技術和納米壓印技術，這就意味著那個體系發(fā)展快，產業(yè)化進程迅速，良好解決了技術的 銜接和過渡，誰就是技術標準，誰就是產業(yè)標準。因此，技術性的比較也有戰(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，已經發(fā)生和正在