光刻技术最新进展

2004年6月A版

　　在摩尔定律的指引下，半导体工业每两至三年就跨上一个新的台阶，即所谓的半导体技术发展路线图(ITRS)。预计2004年进入90nm节点器件的批量生产，到2007年为65nm。然而这一切变化的关键是光刻技术，所以人们统称光刻技术是半导体工业的“领头羊”。2003年ITRS修订的最新版本如表1所示。

　　随着集成电路产品技术需求的提升，光刻技术也不断地提高分辨率，以制作更微细的器件尺寸。全球光刻技术的进程如图1所示。

　　传统上提高光刻技术的分辨率无非是缩短曝光波长及增大镜头的数值孔径NA，通常缩短波长是最有效的方法之一，各种不同波长的光源如表2所示。

　　实际上，全球光刻机目前主流产品是KrF(248nm)及i线(365nm)。2003年的销售量总计为350台，其中i线占35%，KrF占45%，ArF约占20%。销售总额为30亿美元。照原先的路线图计划，人们计划将157nm光源作为65nm器件的突破口。即所谓光学方法的极限，再往下走只能采用EUV及EPL等。但是2003年对于全球半导体工业是个值得回忆的年份，5月份Intel公司突然宣布放弃157nm技术，将继续使用193nm浸入式光刻技术进行65nm及45nm的制程，并计划采用极短紫外光(EUV)来制作32nm的制程，Intel的此举尤如重量级炸弹一样，因为实则上将157nm技术跳了过去。众所周知，Intel是全球光刻设备最大的买主，Intel的任何动作，将在全球半导体业界引起极大的反响。

　　光刻技术的发展方向存在着看法的分歧，ITRS亦于2003年12月不得不重新修正了2001年所发表的光刻工艺技术路线图。最后大家比较一致的意见，在65nm以下，所谓下一代光刻技术将可能采用193nm浸入式技术、157nm、极短紫外光(EUV)或者是电子束投影光刻(EPL)等。本文将介绍目前认为极具有潜力的各种光刻技术。

193nm 浸入式光刻技术

　　此前业界并没有认为浸入式技术有如此大的功效。直至2002年底浸入式技术的可行性报告送至国际机构Sematech的桌上以后半年，半导体业界才苏醒过来，浸入式技术迅速成为光刻技术中的新宠。因为此种技术的原理清晰及配合现有的光刻技术变动不大，获得了人们的极大赞赏。

　　在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。例如，在193nm光刻机中，在光源与硅片(光刻胶)之间加入水作为介质，而水的折射率约为1.4，则波长可缩短为193/1.4=132nm。如果放的液体不是水，或者是其它液体，但折射率比1.4高时，那实际分辨率可以非常方便地再次提高，这也是浸入式光刻技术能很快普及的原因。

　　浸入式技术目前采用的是两次去离子的蒸馏水，碰到主要的问题如下：

　　在浸入式光刻机系统中，由于多种原因都可能产生气泡，如减压、气泡表面的空气渗透、硅片表面的空气吸入或者与光刻胶表面的作用等。曾经作了气泡从形成到破裂的寿命试验，实验发现(包括理论的估计)微细气泡的寿命正比于它的直径，许多微细气泡在破裂之前实际己经分解。

　　归纳起来，尤其是193nm的浸入式技术，目前的进展比较顺利，全球半导体业界都有充足的信心至少可以实现65nm，甚至45nm节点器件的制程。而且到目前为止，还没发现太大的障碍。

　　然而，浸入式光刻技术对于全球半导体工业所带来的效益是无法估量的，可以节省大量的资金，由此对摩尔定律再能持续10至15年完全充满信心。

157nm光刻技术

　　157nm光刻，传统上被称为光学方法的极限，其光源采用氟气准分子激光，发出波长157nm附近的真空紫外光。总的来说，目前氟气准分子激光器功率己可达20W，157nm光刻尚处在研发之中。

　　目前157nm光刻的主要困难如下：

　　当波长短到157nm时，大多数的光学镜头材料都是高吸收态，易将激光的能量吸收，受热膨胀后而造成球面像差。目前只有氟化钙为低吸收材料，可供157nm使用。目前二氟化钙镜头结构在双折射等技术问题方面尚无法解决，加之产量需求少，而投入非常大。造成成本昂贵。

　　有机材料的软Pellicle不可能承受157nm的辐射(因辐射吸收热量太大)，而无机材料的硬Pellicl必须用熔融的石英材料经特殊的加工制成，加工成非常薄的材料非常困难，800μm的厚度就可能因为重力而下垂。

　　尽管Intel宣布决定放弃157nm光刻，但是业界在157nm光刻技术的进程并没有因此停顿，至少在32nm光刻技术的选择方法中是一个重要的筹码，因为157nm也能附加浸入式技术而提高分辨率。

EUV(极短紫外光)光刻

　　光刻技术的进步，在157nm之后人们称之为下一代光刻技术(NGL)。其中EUV是较有前途的方法之一。EUV技术最明显的特点是曝光波长一下子降到13.5nm，在如此短波长的光源下，几乎所有物质都有很强的吸收性，所以不能使用传统的穿透式光学系统，而要改用反射式的光学系统，但是反射式光学系统难以设计成大的NA，造成分辨率无法提高。

　　EUV技术还有些其它优点，如可通用KrF曝光中的光刻胶以及由于短波长，不需要使用OPC(光邻近效应的图形补偿)技术等，大大降低了掩模成本。

EUV技术的主要挑战如下：

　　美国Cymer公司从1997年起就开始EUV光源的研制，目前的技术路线有三种：第一种源自Cymer的高密度等离子体激光器；第二种是放电型等离子体激光器(DPP)；第三种是基于激光产生等离子体(LPP)技术。为实现芯片批量生产需要高功率的激光器，同时又是降低EUV光刻机的关键。目前EUV光源的功率己可达10W，试验样机的要求是30W，而真正满足批量生产要求是100W。

　　在EUV光刻技术中，由于掩模是采用反射式(通常都是穿透式)，所以掩模的制作十分困难。一般采用80层堆叠的Mo/Si薄膜，每一个Mo(钼)层与Si(硅)层的厚度分别为2.8nm及4.0nm。而且要求每层必须绝对平滑，误差只容许一个原子大小，所以如何制作多层涂布低缺陷的掩模仍是个大挑战。目前认为在掩模上的颗粒尺寸在50nm时就无法接受，所以通常要采用掩模修正技术，如离子铣，或者用电子束在局部区域加热气化修正多余的图形等。另外涉及到掩模的储存、运输及操作也非常困难。

　　从EUV辐射的残骸可能破坏EUV系统的光学镜片，作为近期目标，镜片的寿命至少要几个月。业界为了EUV，即下一代光刻技术付出了许多努力，如美国的EUVLLC、欧洲的EU41C、日本的ASET及EUVA等公司。目前的目标是2006年出样机，2007年能推出实用化的试用机种。
　　
电子束投影光刻(EPL)

　　 随着光学波长的限制及曝光设备的复杂化，导致非光学方法的光刻技术的发展，其中电子束投影光刻是相对成功的方向之一。

　　EPL技术是利用电子枪所产生的电子束，通过磁场聚焦、扫描、经电脑控制电子束的剂量后，照射在硅片的光刻胶上形成图形。

　　EPL机台需要极高的真空度，以防止尘埃在光学元件上堆积而造成曝光结构的改变，严重时有可能导致电子束的闪电。除此之外，反向散射效应及空间电荷积累造成电子束的库仑互斥力亦是致命的因素。

目前影响EPL进程的主要难点如下：

　　由于计算的数据量太大，目前能达每小时10片己经相当不易，目标是每小时25片。随着计算机速度的提高及设计方法的改进，还是大有希望。

　　LEEPL最大的优点在于电子束能量仅只有2kV，可以有效地防止散射电子的能量重叠，而造成分辨率降低。除此之外，LEEPL技术还有空间电荷累积少及无光学近接效应等优点。但是LEEPL需使用1:1的掩模，所以掩模的制作成本相对较高，污染控制及Pellicle的使用将是又一个挑战。

　　由于EPL的分辨率高，而且焦点深度(DOF)深，因此非常适用于高纵横比的接触孔图形的制作。另外如SOC系统芯片等多品种小批量及中品种中批量的生产中，EPL的优点逐渐显露。

　　随着无掩模技术及多束电子束技术的进展，使电子束光刻技术在提高硅片产出方面也有了很大的进步，电子束光刻技术己受到人们极大地关注。

　　电子束光刻技术将以EPL及LEEPL等为火车头，估计从2005年开始将直线上升。尤其是在小批量的SOC器件生产中，电子束光刻技术的应用会迅速增长。

结语

　　光刻技术是半导体工业的”领头羊”。据Sematech的最新报告指出，全球光学光刻设备产业在研发157nm光刻技术中，己投入50亿美元，而在下一代光刻EUV设备的研发中，也己超过74亿美元，足见其高投入及高风险。因此，即便是Intel也是采用联合研发方式，以分散风险。实则上光刻技术的进展也是一个系统工程，需要半导体上、中、下游，产学研机构等相互合作，包括掩模材料、光刻胶及光刻设备等。

　　从光刻技术看，浸入式技术的出现给光刻技术好似打了一剂强心针。至少目前193nm加上浸入式技术可以做到45nm，甚至32nm节点。因此157nm技术己经被推迟到2009年用在32nm节点的器件生产中。

　　电子束光刻技术的进展比预期稍快一点，普遍的看法在SOC系统芯片等小批量生产中会有所崛起。

　　光刻技术的发展方向，不管是采用缩短波长，或是增大镜头的NA，还是采用浸入式技术，或者非光学方法等，然而一切技术的关键在于成本。从这点出发，似乎目前的浸入式光刻技术略占优势。但是未来究竟谁能成为下一代光刻技术的主流，恐怕只有时间才能作出正确的答案。■