關於光刻工藝的種類與發展的論文
關於光刻工藝的種類與發展的論文
引言：從第一個電晶體問世算起，半導體技術的發展已有多半個世紀了，現在它仍保持著強勁的發展態勢，繼續遵循 Moore 定律即晶片整合度18個月翻一番，每三年器件尺寸縮小0.7倍的速度發展。大尺寸、細線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產，正在對半導體裝置帶來前所未有的挑戰。
積體電路在製造過程中經歷了材料製備、掩膜、光刻、清洗、刻蝕、滲雜、化學機械拋光等多個工序，其中尤以光刻工藝最為關鍵，決定著製造工藝的先程序度。隨著積體電路由微米級向鈉米級發展，光刻採用的光波波長也從近紫外（NUV）區間的436nm、365nm波長進入到深紫外（DUV）區間的248nm、193nm波長。目前大部分晶片製造工藝採yong了 248nm 和 193nm 光刻技術。目前對於 13.5nm 波長的 EUV 極端遠紫外光刻技術研究也在提速前進。
關鍵詞：干涉，衍射，光刻。
光刻工藝的種類很多，我們以時間為線索，逐個展開如下：
1. 以Photons為光源的光刻技術
在光刻技術的研究和開發中，以光子為基礎的光刻技術種類很多，但產業化前景較好的主要是紫外(UV)光刻技術、深紫外(DUV)光刻技術、極紫外(EUV)光刻技術和X射線(X-ray)光刻技術。不但取得了很大成就，而且是目前產業中使用最多的技術，特別是前兩種技術，在半導體工業的進步中，起到了重要作用。
紫外光刻技術是以高壓和超高壓汞(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧燈在近紫(350～450nm)的3條光強很強的光譜(g、h、i線)線，特別是波長為365nm的i線為光源，配合使用像離軸照明技術(OAI)、移相掩模技術(PSM)、光學接近矯正技術(OPC)等等，可為0.35～0.25μm的大生產提供成熟的技術支援和裝置保障，在目前任何一家FAB中，此類裝置和技術會佔整個光刻技術至少50％的份額；同時，還覆蓋了低端和特殊領域對光刻技術的要求。
深紫外技術是以KrF氣體在高壓受激而產生的等離子體發出的深紫外波長(248 nm和193 nm)的鐳射作為光源，配合使用i線系統使用的一些成熟技術和解析度增強技術(RET)、高折射率圖形傳遞介質(如浸沒式光刻使用折射率常數大於1的液體)等，可完全滿足O.25～0.18μm和0．18μm～90 nm的生產線要求；同時，90～65 nm的大生產技術已經在開發中，如光刻的成品率問題、光刻膠的問題、光刻工藝中缺陷和顆粒的控制等，仍然在突破中；至於深紫外技術能否滿足65～45 nm的大生產工藝要求，目前尚無明確的技術支援。相比之下，由於深紫外(248 nm和193 nm)鐳射的波長更短，對光學系統材料的開發和選擇、鐳射器功率的提高等要求更高。
極紫外(EUV)光刻技術早期有波長10～100 nm和波長1～25 nm的軟X光兩種，兩者的主要區別是成像方式，而非波長範圍。前者以縮小投影方式為主，後者以接觸／接近式為主，目前的研發和開發主要集中在13 nm波長的系統上。極紫外系統的解析度主要瞄準在13～16 nm的生產上。考慮到技術的延續性和產業發展的成本等因素，極紫外(EUV)光刻技術是眾多專家和公司看好的、能夠滿足未來16 nm生產的主要技術。但由於極紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈來愈高，產業化生產中由於掩模版的費用增加會導致生產成本的增加，進而會大大降低產品的競爭力，這是極紫外(EUV)光刻技術快速應用的主要障礙。為了降低成本，國外有的研發機構利用極紫外(EUV)光源，結合電子束無掩模版的思想，開發成功了極紫外(EUV)無掩模版光刻系統，但還沒有商品化，進入生產線。
X射線光刻技術也是20世紀80年代發展非常迅速的、為滿足解析度100 nm以下要求生產的技術之一。主要分支是傳統靶極X光、鐳射誘發等離子X光和同步輻射X光光刻技術。特別是同步輻射X光(主要是O.8 nm)作為光源的X光刻技術，光源具有功率高、亮度高、光斑小、準直性良好，透過光學系統的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力強；同時可有效消除半陰影效應(Penumbra Effect)等優越性。
2.以Particles為光源的光刻技術
以Particles為光源的光刻技術主要包括粒子束光刻、電子束光刻，特別是電子束光刻技術，在掩模版製造業中發揮了重要作用，目前仍然佔有霸主地位，沒有被取代的跡象；但電子束
光刻由於它的產能問題，一直沒有在半導體生產線上發揮作用，因此，人們一直想把縮小投影式電子束光刻技術推進半導體生產線。特別是在近幾年，取得了很大成就，產能已經提高到20片／h(φ200 mm圓片)。
電子束光刻進展和研發較快的是傳統電子束光刻、低能電子束光刻、限角度散射投影電子束光刻(SCALPEL)和掃描探針電子束光刻技術(SPL)。傳統的電子束光刻已經為人們在掩模版製造業中廣泛接受，由於熱／冷場發射(FE)比六鵬化鑭(LaB6)熱遊離(TE)發射的亮度能提高100～1000倍之多，因此，熱／冷場發射是目前的主流，解析度覆蓋了100～200 nm的範圍。但由於傳統電子束光刻存在前散射效應、背散射效應和鄰近效應等，有時會造成光致抗蝕劑圖形失真和電子損傷基底材料等問題，由此產生了低能電子束光刻和掃描探針電子束光刻。低能電子束光刻光源和電子透鏡與掃描電子顯微鏡(SEM)基本一樣，將低能電子打入基底材料或者抗蝕劑，以單層或者多層L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)為抗蝕劑，解析度可達到10 nm以下。掃描探針電子束光刻技術(SPL)是利用掃描隧道電子顯微鏡和原子力顯微鏡原理，將探針產生的電子束，在基底或者抗蝕劑材料上直接激發或者誘發選擇性化學作用，如刻蝕或者澱積進行微細圖形加工和製造。另外一種比較有潛力的電子束光刻技術是SCALPEL，由於SCALPEL的原理非常類似於光學光刻技術，使用散射式掩模版(又稱鼓膜)和縮小分步掃描投影工作方式，具有解析度高(奈米級)、聚焦深度長、掩模版製作容易和產能高等優勢，很多專家認為SCALPEL是光學光刻技術退出歷史舞臺後，半導體大生產進入奈米階段的主流光刻技術，因此，有人稱之為後光學光刻技術。
粒子束光刻發展較快的有聚焦粒子束光刻(FIB)和投影粒子束光刻，由於光學光刻的不斷進步和不斷滿足工業生產的需要，使離子束光刻的應用已經有所擴充套件，如FIB技術目前主要的應用是將FIB與FE-SEM連用，擴充套件SEM的功能和使得SEM觀察方便；另外，透過方便的注射含金屬、介電質的氣體進入FTB室，聚焦離子分解吸附在晶圓表面的氣體，可完
成金屬澱積、強化金屬刻蝕、介電質澱積和強化介電質刻蝕等作用。投影粒子束光刻的優點很明顯，但缺點也很明顯，如無背向散射效應和鄰近效應，聚焦深度長，大於l0μm，單次照射面積大，故產能高，目前可達φ200 mm矽片60片／h，可控制粒子對抗蝕劑的滲透深度，較容易製造寬高比較大的三維圖形等等；但也有很多缺點，如因為空間電荷效應，使得解析度不好，目前只達到80～65 nm，較厚的掩模版散熱差，易受熱變形，有些時候還需要新增冷卻裝置等等。
3．物理接觸式光刻技術
透過物理接觸方式進行影象轉印和圖形加工的方法有多年的開發，但和光刻技術相提並論，並納入光刻領域是產業對光刻技術的要求步入奈米階段和奈米壓印技術取得了技術突破以後。物理接觸式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing，其核心是奈米級模版的製作，物理接觸式光刻技術中，以目前奈米壓印技術最為成熟和受人們關注，它的.解析度已經達到了10 nm，而且圖形的均一性完全符合大生產的要求，目前的主要應用領域是MEMS、MOEMS、微應用流體學器件和生物器件，預測也將是未來半導體廠商實現32 nm技術節點生產的主流技術。由於目前實際的半導體規模生產技術還處在使用光學光刻技術苦苦探索和解決65 nm工藝中的一些技術問題，而奈米壓印技術近期在一些公司的研究中心工藝上取得的突破以及驗證的技術優勢，特別是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)為一些半導體設計和工藝研究中心提供的成套光刻系統(包括塗膠機、奈米壓印光刻機和等離子蝕刻系統)取得的滿意資料，使得人們覺得似乎真正找到了納米制造技術的突破口。
4．其它光刻技術
光刻技術常見的技術方案如上所述的紫外光刻、電子束光刻、奈米壓印光刻等，以廣為業界的人們所熟悉。但近年來，在人們為奈米級光刻技術探索出路的同時，也出現了許多新的技術應用於光刻工藝中，主要有干涉光刻技術(CIL)、鐳射聚焦中性原子束光刻、立體光刻技術、全息光刻技術和掃描電化學光刻技術等等。其中成像干涉光刻技術(IIL)發展最快，主要是利用透過掩模版光束的空間頻率降低，可使透鏡系統收集，然後再還原為原來的空間頻率，照射襯底材料上的抗蝕劑，傳遞掩模版圖形，可以解決傳統光學光刻受限於投影透鏡的傳遞質量和品質，無法收集光束的較高頻率部分，使圖形失真的問題。其他的光刻技術因為在技術上取得的突破甚微，距離應用相當遙遠，此處不再贅述。
5.未來光刻技術的發展
隨著電子產業的技術進步和發展，光刻技術及其應用已經遠遠超出了傳統意義上的範疇，如上所述，它幾乎包括和覆蓋了所有微細圖形的傳遞、微細圖形的加工和微細圖形的形成過程。因此，未來光刻技術的發展也是多元化的，應用領域的不同會有所不同，但就佔有率最大的半導體和微電子產品領域而言，實現其奈米水平產業化的光刻技術將分成兩個階段，即90～32 nm階段將仍然由深紫外和極紫外光刻結合一些新的技術手段去完成，同時奈米壓印和掃描探針光刻技術在45 nm技術節點將會介入進行過渡；32 nm以下的規模生產光刻技術將在奈米壓印和掃描探針光刻技術之間選擇。另外，FPD產業作為光刻技術應用的另外一個分支，在未來的佔有率將會上升，除了已經形成的對光刻技術需求的共識外(大面積、低解析度和1：1折反射投影式等)，一些新的技術也在開發中，如電子束光刻技術和鐳射直寫光刻技術等。總之，未來光刻技術的發展將會更快，技術上將會更加集中，一些沒有市場前景和應用的技術將會淘汰。
參考文獻：
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