。
在光刻工藝中,分辨率要求非常高
,導(dǎo)致焦深變得非常小
,要求曝光光源的焦點(diǎn)正好落在光刻膠層厚度的中心才能得到更佳的分辨率。光刻膠層的厚度偏差要小于0.25μm
,只有CMP工藝可以獲得滿足0.13μm光刻工藝要求晶圓表面平整度
。
2.2 i線曝光和DUV (deep UV)
由于短波長(zhǎng)能夠獲得較高的分辨率,穩(wěn)定
、高強(qiáng)度的短波長(zhǎng)光源得到了開發(fā)并已經(jīng)應(yīng)用到光刻技術(shù)的曝光系統(tǒng)中
。壓汞燈和準(zhǔn)分子激光光源目前在步進(jìn)光刻機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。
汞燈有多種波長(zhǎng)的輻射
,其中i線(365nm)普遍應(yīng)用于步進(jìn)曝光機(jī)從而實(shí)現(xiàn)IC加工制造中0.35μm的特征尺寸
。準(zhǔn)分子激光光源的特征波長(zhǎng)為248nm,可像DUV光源一樣實(shí)現(xiàn)0.25μm特征尺寸的加工
。使用ArF準(zhǔn)分子激光光源198nm波長(zhǎng)的步進(jìn)曝光機(jī)
,目前已經(jīng)應(yīng)用到0.18和0.10μm的工藝中。使用157nm DUV光源(F2)從而實(shí)現(xiàn)低于0.10μm特征尺寸加工的光刻機(jī)
,目前正在研發(fā)并有希望在下一代光刻技術(shù)出現(xiàn)前而得到廣泛應(yīng)用
。
光刻膠分為正性和負(fù)性,針對(duì)不同波長(zhǎng)敏感的曝光光源進(jìn)行加工生產(chǎn)
。絕緣防反射涂層的涂覆與曝光光源也是相關(guān)的
。針對(duì)不同的曝光光源和不同的光刻膠,需要開發(fā)不同的涂覆工藝。目前
,利用玻璃光學(xué)系統(tǒng)的光刻技術(shù)已經(jīng)接近了它的極限
。因?yàn)镾iO對(duì)紫外光(UV)和更短波長(zhǎng)光的吸收非常大。所以
,使用玻璃光學(xué)系統(tǒng)的透鏡和掩模不可能應(yīng)用于制造低于0.10μm甚至更小的特征尺寸,研究開發(fā)新的光學(xué)材料和光源來提高目前光刻技術(shù)的分辨率是非常必要的
。目前可能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的新技術(shù)就是PSM技術(shù)和離軸照明技術(shù)。這兩種技術(shù)可以提高目前光刻技術(shù)的水平,分辨率可以滿足低于0.1μm甚至0.04μm的工藝要求
。
2.3 PSM技術(shù)
實(shí)現(xiàn)單個(gè)獨(dú)立的小尺寸圖形的轉(zhuǎn)移并不是很困難的事,困難的是很多尺寸圖形聚集在一起時(shí)的圖形轉(zhuǎn)移
,因?yàn)樵谶@種情況下光源的散射或者干涉將會(huì)造成圖形的畸變。解決這一難題的辦法就是采用PSM技術(shù)
。絕大多數(shù)在半導(dǎo)體工藝中使用的PSM版都是使用石英玻璃加工制造的
。試驗(yàn)證明
,通過使用PSM技術(shù),小的特征尺寸可以達(dá)到曝光波長(zhǎng)的1/5
,這種技術(shù)也被稱為亞波長(zhǎng)光刻技術(shù)
。
2.4極紫外光刻技術(shù)(EUV lithography)
下一代可能實(shí)現(xiàn)的亞0.1μm圖形轉(zhuǎn)移光刻技術(shù)就是極紫外光刻技術(shù),這種曝光光源的波長(zhǎng)在11~14nm
。波長(zhǎng)在1~50nm的光波覆蓋紫外線和X射線區(qū)域
。所以使用這一波長(zhǎng)范圍的曝光技術(shù)也被稱為極紫外曝光或者軟X射線曝光或稱為真空紫外曝光。極紫外曝光的原理主要是利用曝光光源的波長(zhǎng)從而降低光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑
,進(jìn)而提高光刻技術(shù)的分辨率
。但就目前所知的材料而言,沒有合適的材料能夠作為極紫外曝光光學(xué)系統(tǒng)的透鏡
,因?yàn)槟壳暗牟牧蠈?duì)短波長(zhǎng)光源的吸收效應(yīng)都非常強(qiáng),極紫外光刻技術(shù)也必須基于光學(xué)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)
。另外
,極紫外光刻的光源目前正在進(jìn)行研發(fā),有可能成為這種技術(shù)使用的光源是激光泵浦的氙等離子體光源
。而極紫外光刻技術(shù)需要的掩模版還需要進(jìn)行多層金屬的涂覆才能使用
。
2.5 X射線曝光技術(shù)
當(dāng)曝光波長(zhǎng)降低到5nm以下時(shí),屬于X射線范圍
,X射線范圍的波長(zhǎng)比UV的波長(zhǎng)要短
,因而在光刻工藝中可以得到更高的光刻分辨率。X射線曝光技術(shù)自1972年以來
,就一直在人們的研究范疇之中
。因?yàn)閹缀鯖]有任何材料可以反射或折射X射線,所以X射線曝光技術(shù)近似于直寫印刷技術(shù)
。X射線直接透射過掩模版上的透明部分
,在基片的光刻膠上直接實(shí)現(xiàn)曝光。由于波長(zhǎng)非常短
,反射的影響幾乎可以忽略不計(jì)
,所以這種曝光技術(shù)的分辨率幾乎可以達(dá)到掩模版的分辨率水平。
從傳統(tǒng)的光刻技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光刻技術(shù)
,工藝流程都必須重新設(shè)計(jì)
,這主要是由于X射線不能像普通光源那樣通過透鏡和反射鏡等光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦。另外
,X射線的掩模版造價(jià)非常昂貴
,工藝也非常復(fù)雜,這也是阻礙X射線光刻技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要原因
。另外
,穩(wěn)定
、平行且強(qiáng)度足夠的單一頻率的X射線光源非常難以實(shí)現(xiàn)。利用同步加速器輻射可以實(shí)現(xiàn)X射線曝光要求的光源
,但造價(jià)非常昂貴
。一個(gè)同步加速器可以實(shí)現(xiàn)多種波長(zhǎng),但如果在工藝進(jìn)行當(dāng)中電子束由于故障導(dǎo)致關(guān)閉
,所有和它相關(guān)的曝光系統(tǒng)必須同時(shí)關(guān)閉
。半導(dǎo)體制造業(yè)需要的是工藝和設(shè)備的穩(wěn)定性,所以即使每個(gè)Fab只擁有一臺(tái)同步加速器曝光系統(tǒng)
,由于其價(jià)格昂貴也只能作為備用
。
2.6電子束曝光技術(shù)
電子束曝光的波長(zhǎng)依賴于電子能量。能量越高,曝光的波長(zhǎng)越短
。能量在10~50 keV的電子束的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于UV光源的波長(zhǎng)
,所以,電子束曝光工藝具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值
,并且具有傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)所達(dá)不到的分辨率
。電子束曝光技術(shù)廣泛應(yīng)用于掩模版制造和一些半導(dǎo)體制造廠的十字叉絲制。
造技術(shù)中
,和UV曝光系統(tǒng)一樣
,電子束可以通過一些電子光學(xué)系統(tǒng)的電磁場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行反射、折射和聚焦
。所以
, 電子束曝光系統(tǒng)可以應(yīng)用于步進(jìn)曝光系統(tǒng)掃描曝光技術(shù)中。下一代電子束曝光技術(shù)中
,引人注目的是SCALPEL (angμlar limitation projection electron-beam lithography)
。SCALPEL綜合了高分辨率和多層次的工藝應(yīng)用技術(shù),可以滿足半導(dǎo)體制造業(yè)高產(chǎn)量的需求,該系統(tǒng)與現(xiàn)有的掃描步進(jìn)曝光系統(tǒng)非常類似。這種光刻技術(shù)是未來半導(dǎo)體制造業(yè)圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)的主流技術(shù)
。
2.7離子束曝光技術(shù)
同電子束曝光技術(shù)一樣
,離子束曝光技術(shù)的分辨率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的光學(xué)曝光技術(shù)。離子束曝光技術(shù)同樣可以應(yīng)用于直寫式曝光和投影式曝光
。離子束曝光的優(yōu)點(diǎn)在于在進(jìn)行曝光的同時(shí)
,可以進(jìn)行腐蝕工藝的操作。這樣將大大節(jié)省工藝的操作步驟
,簡(jiǎn)化工藝流程
。然而離子束曝光的效率特別低,不可能應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中
。這種技術(shù)目前可能的應(yīng)用是掩模版制造
,也可以應(yīng)用于針對(duì)器件缺陷的檢驗(yàn)和修復(fù)。
3分析
自20世紀(jì)80年代后期,光學(xué)光刻技術(shù)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向i線和準(zhǔn)分子
,到90年代初
,i線曝光迅速達(dá)到全盛時(shí)期
。準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)已在80年代末期進(jìn)入成熟階段,其中以日本Nikon NSR-2005EX8A型
、荷蘭ASML PAS-5500/70型和PAS-5500/90型
、國(guó)GCA XLS-7500/29型和XLS7800/31型等為典型。它們均可實(shí)現(xiàn)0.45μm或0.35μm分辨率
,滿足16M
、64MDRAM芯片,光刻200 mm的片子
。
PSM曝光技術(shù)
,是光學(xué)光刻的一個(gè)歷史性突破。日本Nikon和Canon兩家公司在1992年3月的SPIE微光刻國(guó)際討論會(huì)上
,發(fā)表了相移照相光學(xué)系統(tǒng)的研究成果
,并將該技術(shù)應(yīng)用到EPA-2500i3、NSR-2005i9T NSR-4425i等遠(yuǎn)紫外步進(jìn)曝光機(jī)上
,以適應(yīng)64M DRAM的批量生產(chǎn)和256M DRAM的開發(fā)
。
同步輻射(SOR) X射線光刻,是未來有希望成為亞微米圖形制作的主要加工手段
。它可制作出0.2~0.1μm高精度圖形,可以說是近期微細(xì)加工領(lǐng)域技術(shù)中的又一個(gè)豐碑
。日本SORTECH和松下合作研制成功世界上臺(tái)高性能的SOR光刻機(jī)
,日電也開發(fā)出具有0.2μm加工能力的SOR步進(jìn)機(jī)。
4結(jié)語
電子束曝光技術(shù)正在向著高精度
、高亮度
、高速消隱和高速掃描方向發(fā)展。近年來
,國(guó)外電子束曝光技術(shù)
,已從亞微米發(fā)展到納米(10~100nm)加工。
根據(jù)目前光刻技術(shù)的發(fā)展形勢(shì)看
,極紫外光刻技術(shù)將是大批量生產(chǎn)特征尺寸為70nm及更細(xì)線寬集成電路的主流技術(shù)
。目前,Intel公司已經(jīng)把下一代光刻技術(shù)選定為極紫外光刻技術(shù)
。在即將到來的65nm節(jié)點(diǎn)
,主流光刻設(shè)備將是ArF干式光刻機(jī)和ArF浸沒式光刻機(jī);到2010年
,用于45nm節(jié)點(diǎn)的主流光刻設(shè)備將是ArF浸沒式光刻機(jī)
。ArF浸沒式光刻機(jī)仍然具有潛力向更小的節(jié)點(diǎn)延伸。極紫外光刻
、納米壓印光刻
、無掩模光刻等下一代光刻技術(shù)的研究也取得了較大的進(jìn)步
。在193nm浸沒式光刻技術(shù)達(dá)到極限后,極紫外光刻將有可能成為主流的光刻技術(shù)
,納米壓印光刻和無掩模光刻也將是極有競(jìng)爭(zhēng)力的下一代光刻技術(shù)
,這為我國(guó)的光刻設(shè)備和工藝研究提出了新的課題和挑戰(zhàn)。
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