光刻技術(shù)的原理和EUV技術(shù)前景

光刻是集成電路*重要的加工工藝，他的作用，如同金工車間中車床的作用。在整個(gè)芯片制造工藝中，幾乎每個(gè)工藝的實(shí)施，都離不開光刻的技術(shù)。光刻也是制造芯片的*關(guān)鍵技術(shù)，他占芯片制造成本的35%以上。在如今的科技與社會發(fā)展中，光刻技術(shù)的增長，直接關(guān)系到大型計(jì)算機(jī)的運(yùn)作等高科技領(lǐng)域。

光刻技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)，我們用的手機(jī)，電腦等各種各樣的電子產(chǎn)品，里面的芯片制作離不開光科技束。如今的世界是一個(gè)信息社會，各種各樣的信息流在世界流動。而光刻技術(shù)是保證制造承載信息的載體。在社會上擁有不可替代的作用。

光刻技術(shù)的原理

光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，*終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

在廣義上，光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面：

1、光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，**傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術(shù)在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝。

光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，*終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

在廣義上，光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面：

1、光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，**傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術(shù)在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝。

光刻技術(shù)的發(fā)展

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明**只點(diǎn)接觸晶體管。從此光刻技術(shù)開始了發(fā)展。

1959年，世界上**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**個(gè)適用單結(jié)構(gòu)硅晶片。

1960年代，仙童提出CMOS IC制造工藝，**臺IC計(jì)算機(jī)IBM360，并且建立了世界上**臺2英寸集成電路生產(chǎn)線，美國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)。

1970年代，GCA開發(fā)出**臺分布重復(fù)投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從1.5μm縮小到0.5μm節(jié)點(diǎn)。

1980年代，美國SVGL公司開發(fā)出**代步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從0.5μm縮小到0.35μm節(jié)點(diǎn)。

1990年代，n1995年，Cano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年以來，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)光刻技術(shù)

光學(xué)光刻是通過廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的*小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長是提高分辨率的*有效途徑。因?yàn)檫@個(gè)原因，開發(fā)新型短波長光源光刻機(jī)一直是各個(gè)國家的研究熱點(diǎn)。

除此之外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是運(yùn)用電磁理論結(jié)合光刻實(shí)際對曝光成像進(jìn)行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術(shù)、鄰近效應(yīng)校正等。運(yùn)用這些技術(shù)，可在目前的技術(shù)水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。

20世紀(jì)70—80年代，光刻設(shè)備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級以上。90年代以來，為了適應(yīng)IC集成度逐步提高的要求，相繼出現(xiàn)了g譜線、h譜線、I譜線光源以及KrF、ArF等準(zhǔn)分子激光光源。目前光學(xué)光刻技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑和改進(jìn)曝光方式。

移相掩模

光刻分辨率取決于照明系統(tǒng)的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統(tǒng)的數(shù)值孔徑等。相移掩模技術(shù)的應(yīng)用有可能用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和i線光刻機(jī)在*佳照明下刻劃出尺寸為傳統(tǒng)方法之半的圖形，而且具有更大的焦深和曝光量范圍。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。

隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術(shù)、衰減式移相掩模技術(shù)；邊緣增強(qiáng)型相移掩模, 包括亞分辨率相移掩模和自對準(zhǔn)相移掩模；無鉻全透明移相掩模及復(fù)合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對分辨率改善*顯著, 為實(shí)現(xiàn)亞波長光刻創(chuàng)造了有利條件。

全透明移相掩模的特點(diǎn)是利用大于某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發(fā)生180度變化, 在移相器邊緣兩側(cè)衍射場的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)形如“刀刃”光強(qiáng)分布, 并在移相器所有邊界線上形成光強(qiáng)為零的暗區(qū), 具有微細(xì)線條一分為二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍。

光學(xué)曝光技術(shù)的潛力, 無論從理論還是實(shí)踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學(xué)曝光過程中的光位相參數(shù), 產(chǎn)生光的干涉效應(yīng),部分抵消了限制光學(xué)系統(tǒng)分辨率的衍射效應(yīng)的波前面工程為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)起到重要作用, 包括: 移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、離軸照明技術(shù)、光瞳空間濾波技術(shù)、駐波效應(yīng)校正技術(shù)、離焦迭加增強(qiáng)曝光技術(shù)、表面成像技術(shù)及多級膠結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。在實(shí)用化方面取得*引人注目進(jìn)展的要數(shù)移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)和離軸照明技術(shù), 尤其浸沒透鏡曝光技術(shù)上的突破和兩次曝光技術(shù)的應(yīng)用, 為分辨率增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用更創(chuàng)造了有利條件。

電子束光刻

電子束光刻技術(shù)是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),他在納米制造領(lǐng)域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的。電子束光刻技術(shù)不需要掩膜，直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。

電子束光刻技術(shù)要應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題：電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng)；在實(shí)現(xiàn)納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術(shù)問題。

實(shí)踐證明,電子束鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)及抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，是一種提高電子束光刻系統(tǒng)實(shí)際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻*主要的就是金屬化剝離，**步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。**部是將曝光的圖形進(jìn)行顯影，去除未曝光的部分，第三部在形成的圖形上沉淀金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的過程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。*好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

聚焦粒子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過是有電子變成離子。目前商業(yè)用途系統(tǒng)的離子束為液態(tài)金屬離子源，金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂腥埸c(diǎn)低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備，外加電場于液相金屬離子源 可使液態(tài)鎵形成細(xì)小**，再加上負(fù)電場(Extractor) 牽引**的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束，在一般工作電壓下，**電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達(dá)到切割之目的。

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的分辨率決定于離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號的強(qiáng)度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況，目前商用機(jī)型的影像分辨率*高已達(dá) 4nm，雖然其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對于定點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分析，它沒有試片制備的問題，在工作時(shí)間上較為經(jīng)濟(jì)。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001，其焦深可達(dá)100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變。而光學(xué)曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上進(jìn)行修補(bǔ) ，和生產(chǎn)線制成異常分析或者進(jìn)行光阻切割。

EUV 光刻技術(shù)

在微電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，人們一直在研究開發(fā)新的IC制造技術(shù)來縮小線寬和增大芯片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術(shù)領(lǐng)域我們的科學(xué)家們對極紫外投影光刻EUV技術(shù)的研究*為深入也取得了突破性的進(jìn)展，使極紫外投影光刻技術(shù)*有希望被普遍使用到以后的集成電路生產(chǎn)當(dāng)中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產(chǎn)使用。 

EUV是目前距實(shí)用化*近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。波長為157nm的準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)也將近期投入應(yīng)用。如果采用波長為13nm的EUV，則可得到0.1um的細(xì)條。

在1985年左右已經(jīng)有前輩們就EUV技術(shù)進(jìn)行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。近十年之后微電子行業(yè)的發(fā)展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識。并且從微電子技術(shù)的發(fā)展過程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術(shù)來對當(dāng)前的芯片制造方法做出**的改進(jìn)，將使整個(gè)芯片工業(yè)處在岌岌可危的地步。

EUV系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：極端紫外光源；反射投影系統(tǒng)；光刻模板（mask）；能夠用于極端紫外的光刻涂層（photo-resist）。

極端紫外光刻技術(shù)所使用的光刻機(jī)的對準(zhǔn)套刻精度要達(dá)到10nm，其研發(fā)和制造原理實(shí)際上和傳統(tǒng)的光學(xué)光刻在原理上十分相似。對光刻機(jī)的研究重點(diǎn)是要求定位要極其快速精密以及逐場調(diào)平調(diào)焦技術(shù)，因?yàn)楣饪虣C(jī)在工作時(shí)拼接圖形和步進(jìn)式掃描曝光的次數(shù)很多。不僅如此入射對準(zhǔn)光波信號的采集以及處理問題還需要解決。

EUV技術(shù)當(dāng)前狀況

EUV技術(shù)的進(jìn)展還是比較緩慢的，而且將消耗大量的資金。盡管目前很少廠商將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，但是極紫外光刻技術(shù)卻一直是近些年來的研究熱點(diǎn)，所有廠商對這項(xiàng)技術(shù)也都充滿了期盼，希望這項(xiàng)技術(shù)能有更大的進(jìn)步，能夠早日投入大規(guī)模使用。

各家廠商都清楚，半導(dǎo)體工藝向往下刻，使用EUV技術(shù)是必須的。波長越短，頻率越高，光的能量正比于頻率，反比于波長。但是因?yàn)轭l率過高，傳統(tǒng)的光溶膠直接就被打穿了。現(xiàn)在，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展已經(jīng)被許多物理學(xué)科從各個(gè)方面制約了。