两大光刻技术

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，主要包括：特征尺寸为0.1μm的248　nm　KrF准分子激光技术;特征尺寸为90　nm的193　nm　ArF准分子激光技术;特征尺寸为65　nm的193　nm　ArF浸没式技术(Immersion，193i)。其中193　nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气，而浸没 式技术则是将空气 换成液体介质。实际上，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径(NA)，同时可以 显 著提高焦深(DOF)和曝光工艺的宽容度(EL)，浸没式光 刻 技 术 正 是 利 用 这 个 原 理 来 提 高 其 分 辨率。世界三 大光刻机 生产商ASML，Nikon和Cannon的第 一 代 浸 没 式 光 刻 机 样 机 都 是 在 原 有193nm干式光刻机的基础上改进研制而成，大大降低了研发成本和风险。因为浸没式光刻系统的原理清晰而且配合现有的光刻技术变动不大，目前193nm　ArF准分子激光光刻技术在65nm以下节点半导体量产中已经广泛应用;ArF浸没式光刻 技 术 在45nm节 点 上 是 大 生 产 的 主 流 技 术。为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上，光刻专家一直在寻找新的技术，在没有更好的新光刻技术出现前，两次曝光技术(或者叫两次成型技术，DPT)成为人们关 注 的 热 点。ArF浸没式两次曝光技术已被业界认为是32nm节点最具竞争力的技术;在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中，浸没式 光刻技术也 具 有相当大 的优势。浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题;研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题;研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料;以 及 有 效 数 值 孔 径NA值 的 拓 展 等 问题。针 对 这 些 难 题 挑 战，国 内 外 学 者 以 及ASML，Nikon和IBM等公 司已 经 做 了 相 关 研 究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展，以满足更小光刻线宽的要求。

提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的NA或缩 短 波 长，通 常 首 先 采 用 的 方 法 是 缩 短 波长。早在80年代，极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实 验，该技术 的光源是波 长 为11～14　nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。由于所有的光学材料对该波长的光有强烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系统主要由四部分组成，即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极紫外光源系统和能用于极紫外的光刻涂层。其主要成像原理是光波波长为10～14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上，通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。目 前EUV技 术 采 用 的 曝 光 波 长 为13.5nm，由于其具有如此短的波长，所有光刻中不需要再使用光学邻近效应校正(OPC)技术，因而它可以把光刻技术扩展到32nm以下技术节点。2009年9月Intel第 一 次 向 世 人 展 示 了22　nm工艺晶圆，称继续使用193nm浸没式光刻技术，并规 划 与EUV及EBL曝 光 技 术 相 配 合，使193nm浸没式光刻技术延伸到15和11nm工艺节点。

电子束光刻技术是利用电子枪所产生的电子束，通过电子光柱的各极电磁透镜聚焦、对中、各种象差的校正、电子束斑调整、电子束流调整、电子束曝光对准标记检测、电子束偏转校正、电子扫描场畸变校正等一系列调整，最后通过扫描透镜根据电子束曝光程序的安排，在涂布有电子抗蚀剂(光刻胶)的基片表面上扫描写出所需要的图形。电子束光刻基本上分两大类，一类是大生产光掩模版制造的电子束曝光系统，另一类是直接在基片上直写纳米级图形的电子束光刻系统。电子束光刻技术起源于扫描电镜，最早由德意志联邦共和国杜平根大学的G.Mollenstedt等人在20世纪60年代提出。电子束曝光的波长取决于电子能量，电子能量越高，曝光的波长越短，大 体在10-6nm量级上，因而电子束光刻不受衍射极限的影响，所以电子束光刻可获得接近于原子尺寸的分辨率。但是，由于电子束入射到抗蚀剂及基片上时，电子会与固体材料的原子发生“碰撞”产生电子散射现象，包括前散射和背散射电子，这些散射电子同样也参与“曝光”，前散射电子波及范围可在几十纳米，从基片上返回抗蚀剂中背散射电子可波及到几十微米之远。所有实际电子束曝光、显影后图形的边缘要往外扩展，这就是所谓的“电子束邻近效应。同时，半导体基片上如果有绝缘的介质膜，电子通过它时也会产生一定量的电荷积累，这些积累的电荷同样会排斥后续曝光的电子，产生偏移，而不导电的绝缘体(如玻璃片)肯定不能采用电子束曝光。还有空间交变磁场、实验室温度变化等都会引起电子束曝光产生“漂移”现象。因此，即使拥有2nm电子束斑的曝 光 系统，要曝光出50nm以下的图形结构也不容易。麻省理工学院(MIT)已经采用的电子束光刻技术分辨率将推进到9nm。电子束直写光刻可以不需要制造掩模版，比较灵活。但由于其曝光效率低，主要用于实验室小样品纳米制造。而电子束曝光要适应大批量生产，如何进一步提高曝光速度是个难题。为了解决电子束光刻的效率问题，通常将其与其他光刻技术配合使用。例如为解决曝光效率问题，通常采用电子束光刻与光学光刻进行匹配与混合光刻的办法，即大部分曝光工艺仍然采用现有十分成熟的半导体光学光刻工艺制备，只有纳米尺度的图形或者工艺层由电子束光刻实现。在传统光学光刻技术逼近工艺极限的情况下，电子束光刻技术将有可能出现在与目前193i为代表的光学曝光技术及EUV技术相匹配的混合光刻中，在实现10nm级光刻中起重要的作用。应该提到的是电子束曝光技术是推动微电子技术和微细加工技术进一步发展的关键技术，在微电子、微光学和微机械等微系统微细加工领域有着广泛的应用前景，而且除电子束直写光刻技术本身以外，几乎所有的新一代光刻技术所需要的掩模制作还是离不开电子束曝光技术。