光刻机分辨率

第一章 引言

1.1光刻背景： 受功能增加和成本降低的要求所推动，包括微处理器、NAND闪存与DRAM等高密度存储器以及SoC（片上系统）和ASSP（特殊应用标准产品）在内的集成电路不断以快速的步伐微缩化。光刻则使具有成本优势的器件尺寸微缩成为可能。

目前， 集成电路已经从60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可含约10亿个器件，其增长过程遵从一个我们所熟知的摩尔定律，即集成度每3年提高4倍。 这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。因为它直接决定了单个器件的物理尺寸。每个新一代集成电路的出现总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。光刻技术的不断发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证：其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上同时作出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；其二是图形线宽不断缩小，使用权集成度不断提高，生产成本持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使用权集成电路的性能不断提高。随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。

图1-1

1.2 集成电路微缩化趋势及其对光刻的要求

由于器件单元不同，存储器与逻辑IC芯片的关键曝光层（critical layer）有着迥然不同的特征和光刻容差，这便对给定的光刻系统提出了不同的性能要求和实用限制。图1给出了几种不同器件的图形特征和对光刻的启示。

图1-2

第二章．当前光刻技术的主要研究领域及进展

1999 年初,0.18 微米工艺的深紫外线(DUV)光刻机已相继投放市场,用于 1G 位 DRAM 生 产。根据当前的技术发展情况，光学光刻用于 2003 年前后的 0.13 微米将没有问题。而 在 2006 年用到的 0.1 微米特征线宽则有可能是光学光刻的一个技术极限，被称为 0.1 微 米难关。如何在光源、材料、物理方法等方面取得突破，攻克这一难关并为 0.07，0.05 微米工艺开辟道路是光刻技术和相应基础研究领域的共同课题。

在 0.1 微米之后用于替代光学光刻的所谓下一代光刻技术（ＮＧＬ）主要有极紫外、Ｘ

射线、电子束的离子束光刻。由于光学光刻的不断突破，它们一直处于“候选者”的地位， 并形成竞争态势。这些技术能否在生产中取得应用，取决于它们的技术成熟程度、设备 成本、生产效率等。

第三章．光刻的原理和分类

3.1光刻的原理：

光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺（图4.7）。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。

光刻工艺也被称为大家熟知的Photomasking, masking, photolithography, 或

microlithography。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成。这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件（parts）的关联正确。

光刻是所有四个基本工艺中最关键的。光刻确定了器件的关键尺寸。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。图形的错位也会导致类似的不良结果。光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。

3.2光刻的分类：

1．光学光刻

光学光刻是通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形“刻”在 涂有光刻胶的硅片上，限制光刻所能获得的最小特征尺寸直接与光刻系统所能获得的分 辨率直接相关，而减小光源的波长是提高分辨率的最有效途径。因此，开发新型短波长 光源光刻机一直是国际上的研究热点。目前，商品化光刻机的光源波长已经从过去的汞 灯光源紫外光波段进入到深紫外波段（DUV） ，如用于 0.25 微米技术的 KrF 准分子激光 （波长为248纳米）和用于0.18微米技术的ArF准分子激光(波长为193纳米)。

除此之外，利用光的干涉特性，采用各种波前技术优化工艺参数也是提高光刻分辨率的 重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的分析所取得的

突破。其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。运用这些技术，可在目前的 技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。如 1999 年初 Canon 公司推出的 FPA-1000ASI 扫描步进机，该机的光源为 193 纳米 ArF，通过采用波前技术，可在 300 毫米硅片上实 现0.13微米光刻线宽。

光刻技术包括光刻机、掩模、光刻胶等一系列技术，涉及光、机、电、物理、化学、材 料等多个研究领域。目前科学家正在探索更短波长的F2 激光（波长为157纳米）光刻技 术。由于大量的光吸收，获得用于光刻系统的新型光学及掩模衬底材料是该波段技术的 主要困难。

2．极紫外光刻（EUVL）

极紫外光刻用波长为10-14 纳米的极紫外光作 光源。 虽然该技术最初被称为软X射线光 刻，但实际上更类似于光学光刻。所不同的是由于在材料中的强烈吸收，其光学系统必 须采用反射形式。如果 EUVL 得到应用，它甚至可能解决 2012 年的 0.05 微米及以后的 问题，对此发展应予以足够重视。

3．X射线光刻（XRL）

XRL光源波长约为1纳米。由于易于实现高分辨率曝光，自从XRL技术在70年代被发 明以来，就受到人们广泛的重视。欧洲、美国、日本和中国等拥有同步辐射装置的国家 相继开展了有关研究，是所有下一代光刻技术中最为成熟的技术。XRL的主要困难是获 得具有良好机械物理特性的掩膜衬底。近年来掩膜技术研究取得较大进展。SiC 目前被 认为是最合适的衬底材料。由于与XRL相关的问题的研究已经比较深入，加之光学光刻 技术的发展和其它光刻技术的新突破，XRL 不再是未来“惟一”的候选技术，美国最近对 XRL的投入有所减小。尽管如此，XRL技术仍然是不可忽视的候选技术之一。

4．电子束光刻（EBL）

电子束光刻采用高能电子束对光刻胶进行曝光从而获得结构图形，由于其德布罗意波长 为 0.004 纳米左右，电子束光刻不受衍射极限的影响，可获得接近原子尺度的分辨率。 电子束光刻由于可以获得极高的分辨率并能直接产生图形，不但在 VLSI 制作中已成为 不可缺小的掩模制工具，也是加工用于特殊目的的器件和结构的主要方法。

目前的电子束曝光机的分辨率已达 0.1 微米以下。电子束光刻的主要缺点是生产效率较 低，经贸部为每小时5~10个圆片，远小于目前光学光刻的每小时50~100个圆片的水平。 最近，美国朗讯公司开发的角度限制散射投影电子束光刻 SCALPEL 技术令人瞩目，该 技术如同光学光刻那样对掩模图形进行缩小投影，并采用特殊滤波技术去除掩模吸收体 产生的散射电子，从而在保证分辨率条件下提高产出效率，应该指出，无论未来光刻采 用何种技术，EBL都将是集成电路研究与生产不可缺小的基础设施。

5．离子束光刻（IBL）

离子束光刻采用液态原子或所态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚 焦或准直后对光刻胶进行曝光。其原理与电子束光刻类似，但德布罗意波长更短（小于

0.0001纳米） ，且有无邻近效应小、曝光场大等优点。离子束光刻主要包括聚焦离子束光 刻（FIBL） 、离子投影光刻（IPL）等。其中 FIBL 发展最早，最近实验研究中已获得 10 纳米的分辨率。该技术由于效率低，很难在生产中作为曝光工具得到应用，目前主要用 作VLSI中的掩模修补工具和特殊器件的修整。

由于 FIBL 的缺点，人们发展了具有较高曝光效率的 IPL 技术。欧洲和美国联合了大量 企业、大学和研究机构，开展了一个名为 MEDEA 的合作项目，用于解决设备和掩模等 方面的问题，进行可行性验证，目前已取得不少进展。