光刻技術(shù)研究

1、編號(hào)：1123108450光刻技術(shù)研究目錄摘要11.引言32.光刻技術(shù)的原理43.光刻系統(tǒng)的組成5 3.1 掩模版5 3.2 光刻膠5 3.2.1 光刻膠的作用5 3.2.2 光刻膠的主要技術(shù)參數(shù)5 3.2.3 光刻膠的分類7 3.3 光刻機(jī)74.基本光刻工藝流程9 4.1簡(jiǎn)介9 4.2 光刻蝕工藝概況105.集成電路所采用的光刻技術(shù)12 5.1簡(jiǎn)介12 5.2 EUV技術(shù)12 5.2.1 EUV技術(shù)原理淺析12 5.2.2 EUV技術(shù)目前定位困境14 5.2.3 EUV光學(xué)系統(tǒng)14 5.2.4 EUV光刻對(duì)掩膜版的要求16 5.2.5 EUV光刻前景與展望17 5.3 X射線光刻技術(shù)17 5

2、.3.1 X射線光刻基礎(chǔ)工藝17 5.3.2 X射線光刻掩模18 5.2.3 X射線光刻的前景與展望196.光刻技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)20參考文獻(xiàn)20致謝21摘要：光刻是經(jīng)過(guò)過(guò)一系列生產(chǎn)程序，將單晶硅等半導(dǎo)體材料表面薄膜的特定部分除去的工藝。光刻的目的是依據(jù)電路功能及性能的要求，形成有精確尺寸的特征圖形，并且各個(gè)功能塊的位置以及與其他部分連接要準(zhǔn)確。光刻是集成電路制造中最重要的工藝步驟之一。不斷發(fā)展的IC制造工藝，使光刻工藝轉(zhuǎn)移圖形所限制的尺寸減少了兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，光刻技術(shù)是一種十分精密的微細(xì)加工技術(shù)。在新型材料和高新制造技術(shù)迅猛發(fā)展以及廣泛應(yīng)用的21世紀(jì)，充滿了信息時(shí)代的特征。強(qiáng)有力的市場(chǎng)推動(dòng)

3、著特大集成電路技術(shù)的快速發(fā)展。集成電路技術(shù)的各個(gè)發(fā)面在每年都有很多的創(chuàng)新成果出現(xiàn)。早在20世紀(jì)中葉，開(kāi)始對(duì)半導(dǎo)體物理、器件設(shè)計(jì)原理、工藝原理和制造工藝等方面進(jìn)行了全面的開(kāi)發(fā)研究，半導(dǎo)體器件很快在電子行業(yè)中扮演了不可或缺的角色。光刻技術(shù)的不斷提高和集成電路技術(shù)需求緊密相關(guān)，要提高和發(fā)展光刻技術(shù)，主要采用更短波長(zhǎng)的光源、新的透鏡材料和更高數(shù)字孔徑光學(xué)系統(tǒng)的加工技術(shù)，從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，這些技術(shù)研究的目標(biāo)非常明確，就是所謂的后光學(xué)光刻或稱下一代光刻技術(shù)（Next Generation Lithography,NGL)。本文首先介紹了光刻工藝的含義和原理，闡述它在IC制造工藝中的地位和作用，具體介紹

4、了光刻工藝技術(shù)所要用到的設(shè)備和材料，研究了光刻系統(tǒng)的重要組成部分，介紹了光刻工藝的基本流程，并且主要分析了極端紫外線光刻技術(shù)的原理、要求以及光刻技術(shù)所面臨的困難和挑戰(zhàn)，試著找到擁有卓越效果的光刻工藝技術(shù)。關(guān)鍵詞： 光刻技術(shù)，重要作用，光刻工藝流程，EUV光刻 ，困難和挑戰(zhàn) 1Abstract： Photoetching is a kind of technology that removes the specific part of the surface of thin film silicon semiconductor mate

5、rials though a series of producing process. It aims to form certain picture with precise size under the requirements of the function and property of circuit. This technology is a key step in the circuit production .Lithography technology is a very precise micro processingtechnology. The 21st century

6、, with the development of new materials and high-tech manufacturing technology, is becoming an information age for their wide range of applications. The technology of large integrated circuit develops more and more rapidly duo to the promotion of strong market. Every year, there are many new achieve

7、ments made in each filed of integrated circuit. As early as the mid-20th century, the research of semiconductor physics, devices design principles, manufacturing technology, and other aspects were beginning in a round. Semiconductor devices soon play an integral role in the electronics industry. Amo

8、ng the integrated circuit manufacturing technology, the most important part is the lithography technology which charges the circuits formation and replication. Besides, its research and development make the technology leader in the updates of the integrated circuit technology in each generation. The

9、 continuous improvement of photography techniques is closely related to the needs of the integrated circuit technology, and by using shorter wavelength light source, the new lens materials, and higher numerical aperture of the optical system are the main methods to improve and develop the photograph

10、y techniques. From the current trend of this technology, the objectives of these technologies are very clear. That is, the optical lithography technology, or so-called next-generation lithography. This paper firstly introduces the meaning and principles of lithography process and explains its f

11、unction and role in the IC manufacturing process. Then, it concretely introduces the equipments and materials used by the technology, and the important parts of the lithography system. At last, this paper introduces the basic flow of the lithography process, and analyzes the principles and requireme

12、nts of reaching ultraviolet technology and the difficulties and challenges faced by photolithographic techniques, and finds the lithography technology with excellent effect. Key words: Photoetching,important rule,Lithography Process,EUVL,Difficulties and challenges1.引言 當(dāng)前，集成電路發(fā)展迅猛，集成電路規(guī)模已經(jīng)達(dá)到的每個(gè)

13、IC中含有10億個(gè)左右器件，相比60年代的每個(gè)IC上僅幾十個(gè)器件得到了極大發(fā)展，IC的發(fā)展遵從上世紀(jì)摩爾提出的摩爾定律，概念為：集成度每3年提高4倍，特征尺寸縮小2倍。依照這個(gè)定律，IC產(chǎn)業(yè)在過(guò)去30年中平均每年約有百分之15的增長(zhǎng)，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)、軍事發(fā)展和社會(huì)也有著巨大的影響力，英國(guó)人說(shuō)過(guò)，一個(gè)國(guó)家沒(méi)有掌握IC產(chǎn)業(yè)技術(shù)，這個(gè)國(guó)家就是不發(fā)達(dá)國(guó)家。集成電路能飛速發(fā)展的原因之一就是光刻技術(shù)的支持，光刻技術(shù)在IC發(fā)展中起到了很重要的作用。因?yàn)樗苯記Q定了單個(gè)器件的物理尺寸。光刻技術(shù)所能夠得到的線寬，極大的影響這IC產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，是新一代集成電路的重要標(biāo)準(zhǔn)。集成電路的進(jìn)步大家有目共睹，均勻曝光的技術(shù)已

14、經(jīng)有了很大的提高，曝光面積得到大幅度的擴(kuò)大，也使集成電路的集成規(guī)模大大加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)批量化。但需要表明的是，隨著光刻技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越高的集成度要求，也使光刻技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。2.光刻技術(shù)的原理光刻是將單晶硅等半導(dǎo)體材料表面薄膜的特定部分除去的工藝。光刻的目的是依據(jù)電路功能及性能的要求，形成有精確尺寸的特征圖形，并且各個(gè)功能塊的位置以及與其他部分連接要準(zhǔn)確。利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)，將掩模版上的圖形刻制到被加工表面上。圖2.1光刻技術(shù)原理簡(jiǎn)圖3.光刻系統(tǒng)的組成3.1 掩模版在薄膜、塑料或玻璃基體材料上制作各種功能圖形并精確定位，以便用于光致抗蝕劑涂擇

15、性曝光的一種結(jié)構(gòu)。 圖3.1 掩模版示意圖3.2 光刻膠光刻膠是一種由感光樹(shù)脂、增感劑、和溶劑組成的有機(jī)化合物，紫外線的照射會(huì)使光刻膠被曝光的區(qū)域發(fā)生光固化反應(yīng)，使光刻膠在顯影液中所展現(xiàn)的親和性和溶解性得到顯著的變化。經(jīng)過(guò)顯影液的腐蝕處理，將其能溶解掉的部分去除，我們便能得到掩模版所要轉(zhuǎn)移的圖形。一般情況下，我們將液態(tài)的光刻膠均勻涂抹在晶圓表面，通過(guò)曝光和烘烤處理后變成固態(tài)。3.2.1 光刻膠的作用將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的氧化層中；     在進(jìn)行刻蝕或離子注入的工序中保護(hù)材料。3.2.2 光刻膠的主要技術(shù)參數(shù)分辨率（resolutio

16、n）。區(qū)別硅片表面相鄰圖形特征的能力。一般用關(guān)鍵尺寸（CD，Critical Dimension）來(lái)衡量分辨率。形成的關(guān)鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好。     對(duì)比度（Contrast）。指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過(guò)渡的陡度。涂膠的厚度較薄時(shí)有利于使圖形的輪廓更清晰，邊緣更明顯，有助于對(duì)比度的提高。    敏感度（Sensitivity）。要在膠層上得到清晰圖形的最小曝光量。單位：毫焦/平方厘米。   粘滯性/黏度 （Viscosity）。衡量光刻膠流動(dòng)

17、特性的參數(shù)。粘滯性隨著光刻膠中的溶劑的減少而增加；高的粘滯性會(huì)產(chǎn)生厚的光刻膠；越小的粘滯性，就有越均勻的光刻膠厚度。光刻膠的比重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻膠的密度的指標(biāo)。它與光刻膠中的固體含量有關(guān)。光刻膠的比重越大表明該光刻膠的流動(dòng)性越差。運(yùn)動(dòng)粘滯率定義為：運(yùn)動(dòng)粘滯率=絕對(duì)粘滯率/比重。單位：百分斯托克斯（cs）cps/SG。 粘附性（Adherence）。表征光刻膠粘著于襯底的強(qiáng)度。光刻膠的粘附性不足會(huì)導(dǎo)致硅片表面的圖形變形。光刻膠的粘附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝（刻蝕、離子注入等）。    抗蝕性（Anti-e

18、tching）。光刻膠必須保持它的粘附性，在后續(xù)的刻蝕工序中保護(hù)襯底表面。耐熱穩(wěn)定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。表面張力（Surface Tension）。分子間引力的一種，作用于液體表面和液體主體之間，將前者拉向后者。要想使光刻膠能良好均勻的覆蓋到硅片表面，要求光刻膠的表面張力小，流動(dòng)性強(qiáng)。    存儲(chǔ)和傳送（Storage and Transmission）。能量（光和熱）可以激活光刻膠。應(yīng)該存儲(chǔ)在密閉、低溫、不透光的盒中。光刻膠的發(fā)揮良好的性能作用需要注意光刻膠在儲(chǔ)存時(shí)不能超過(guò)其閑置期限，同時(shí)要將光刻膠儲(chǔ)存在合適的溫

19、度環(huán)境中。圖3.2 光刻膠商品     3.2.3 光刻膠的分類 光刻膠有正膠和負(fù)膠的區(qū)別。光刻膠經(jīng)過(guò)曝光后，其被爆光的部分變得容易被溶解，稱為正膠；負(fù)膠則相反，即曝光部分變得不易溶解。光刻膠可以分為以下三類：光聚合型：采用的烯類單體在光照條件下會(huì)生成自由基，繼而引發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，可以制成正膠。 光分解型：采用能在光照的條件下改變其自身油溶性的物質(zhì)，光分解之后具有水溶性。具有形成正像的特點(diǎn)。 光交聯(lián)型：采用聚乙烯醇月桂酸酯等作為光引發(fā)劑，在光照的條件下會(huì)打開(kāi)其分子中的雙鍵，這些打開(kāi)的雙鍵會(huì)發(fā)生交聯(lián)，形成具有不溶性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。可以制成負(fù)膠1。

20、3.3 光刻機(jī)高端的光刻機(jī)其精密程度可以說(shuō)是當(dāng)今世界之最，制造高端光刻機(jī)的成本是巨大的，已經(jīng)存在有超過(guò)七千多萬(wàn)美金的光刻機(jī)。高端光刻機(jī)對(duì)制造條件的要求非?？量?，世界上擁有這樣先進(jìn)條件的公司屈指可數(shù)，被稱為現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花。高端光刻機(jī)的分辨率與低端光刻機(jī)的分辨率有著天壤之別，高端光刻機(jī)包括步進(jìn)式光刻機(jī)和掃描投影光刻機(jī)，它們的分辨率可以到達(dá)幾十納米到幾微米，而接近、接觸式低端光刻機(jī)的分辨率則在數(shù)微米之上。圖3.3 光刻機(jī) 光刻機(jī)一般根據(jù)操作的簡(jiǎn)便性分為三種，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)。手動(dòng)：通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，來(lái)改變光刻機(jī)的X軸，Y軸和thita角度，因此手動(dòng)光刻機(jī)的精確度不高；半自動(dòng)：指的是對(duì)準(zhǔn)可以通過(guò)

21、電動(dòng)軸根據(jù)CCD的進(jìn)行定位調(diào)諧；自動(dòng)：通過(guò)程序控制曝光的時(shí)間和循環(huán)，生產(chǎn)商家主要用自動(dòng)光刻機(jī)來(lái)處理大量的光刻需求。光源是光刻機(jī)最核心的部分。常見(jiàn)光源分為:紫外光（UV），g線：436nm;i線：365nm，深紫外光(DUV),KrF準(zhǔn)分子激光：248nm,ArF準(zhǔn)分子激光：193nm，極紫外光（EUV），10到15nm。光刻機(jī)對(duì)光源系統(tǒng)的要求：有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，衍射現(xiàn)象會(huì)更容易發(fā)生，就越要提高刻蝕的精度控制，可曝光的特征尺寸就越小。有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來(lái)衡量光是否均勻分布;光刻機(jī)的主

22、要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等2。分辨率是對(duì)光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。對(duì)準(zhǔn)精度是在多層曝光時(shí)層間圖案的定位精度。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫(xiě)式。曝光光源波長(zhǎng)為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準(zhǔn)分子激光器等。圖3.4德國(guó)Karlsuss MJB3光刻機(jī)4.基本光刻工藝流程4.1簡(jiǎn)介 光刻工藝是要在硅片的表面構(gòu)造所需圖形的操作方法，它的目的首先是在硅片的表面建立和定位我們想要得到的圖形。圖4.1圖形建立 因?yàn)樽罱K的圖

23、形是用多個(gè)掩模版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來(lái)的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對(duì)準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路失效。除此之外，光刻工藝操作過(guò)程當(dāng)中的復(fù)雜步驟以及多層次的光刻也容易帶來(lái)缺陷，在操作過(guò)程當(dāng)中也要注重缺陷水平控制。圖4.2圖形定位對(duì)準(zhǔn)4.2 光刻蝕工藝概況光刻蝕工藝在轉(zhuǎn)移圖形時(shí)通過(guò)兩步完成。首先圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。我們將覆蓋有光刻膠的晶片置于掩模版下曝光，光刻膠經(jīng)過(guò)曝光后自身結(jié)構(gòu)和溶解性發(fā)生變化（由原來(lái)的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。然后可以通過(guò)顯影液對(duì)曝光后的硅片進(jìn)行漂洗等操作，使光刻膠層的非聚合局域溶解掉，這樣一來(lái)，圖

24、形就被轉(zhuǎn)移到了光刻膠上。其次，使用一定的方法將圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到硅片晶圓上。因?yàn)樵诰A上已經(jīng)存在著被光刻膠保護(hù)和沒(méi)有被保護(hù)的不同區(qū)域，通過(guò)不同的方法去掉未被保護(hù)區(qū)域的薄膜層，這是就能看作圖形轉(zhuǎn)移工作已經(jīng)完成。圖4.3對(duì)準(zhǔn)、曝光和顯影 圖4.4刻蝕和光刻膠去除如果掩模版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的，稱其為亮場(chǎng)掩模版；而暗場(chǎng)掩模版是相反的，暗場(chǎng)掩模版圖形的編碼方式和亮場(chǎng)掩模版恰恰相反，當(dāng)采用一樣的步驟時(shí)，亮場(chǎng)掩模版在晶圓表面留下的圖形是下沉的，暗場(chǎng)掩模版留下的圖形是上凸的，就像浮雕一樣。這兩類掩模工藝在集成電路制造中都發(fā)揮著重要的作用。暗場(chǎng)掩模版主要用來(lái)反刻金屬互聯(lián)線。圖4.5暗場(chǎng)和亮場(chǎng)掩模版5.

25、集成電路所采用的光刻技術(shù)5.1簡(jiǎn)介因?yàn)檠杆侔l(fā)展的分辨率增強(qiáng)技術(shù)，光源波長(zhǎng)的二分之一已經(jīng)成為光學(xué)光刻的分辨率極限。所以，193nm波長(zhǎng)的光源分辨率可以達(dá)到0.1m，157nm波長(zhǎng)的光源分辨率可以達(dá)到0.07m。但是許多材料會(huì)吸收深遠(yuǎn)紫外光線，但是如果一味的縮短光源的波長(zhǎng)又不易找到制造這些光學(xué)系統(tǒng)的材料，因此，0.07m已經(jīng)到了光學(xué)光刻所能達(dá)到的極限。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，光學(xué)光刻所能做到的已經(jīng)不能滿足社會(huì)的需要了，光學(xué)光刻很難突破本身的分辨率極限，因而需要有后一代光刻技術(shù)來(lái)替代光學(xué)光刻。這些新一代的先進(jìn)光刻技術(shù)就是為了在0.1m以及更精細(xì)的尺寸方面取代光學(xué)光刻，這些技術(shù)在近些年的研究熱度非常

26、高技術(shù)包括X射線光刻、極紫外光刻、電子束投影光刻、離子束投影光刻等等。 這些技術(shù)的采用是光刻分辨率提高到一個(gè)臺(tái)階，達(dá)到30nm。 5.2 EUV技術(shù)5.2.1 EUV技術(shù)原理淺析在微電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，人們一直在研究開(kāi)發(fā)新的IC制造技術(shù)來(lái)縮小線寬和增大芯片的容量。如：X射線接近式光刻、電子束投影光刻、離子柬投影光刻和軟X射線投影光刻等。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術(shù)領(lǐng)域我們的科學(xué)家們對(duì)極紫外投影光刻EUV技術(shù)的研究最為深入也取得了突破性的進(jìn)展，使極紫外投影光刻技術(shù)最有希望被普遍使用到以后的集成電路生產(chǎn)當(dāng)中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產(chǎn)使用。 

27、0;EUV是目前距實(shí)用化最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。波長(zhǎng)為157nm的準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)也將近期投入應(yīng)用。如果采用波長(zhǎng)為13nm的EUV，則可得到0.1um的細(xì)條。在1985年左右已經(jīng)有前輩們就EUV技術(shù)進(jìn)行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。J近十年之后微電子行業(yè)的發(fā)展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識(shí)。并且從微電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術(shù)來(lái)對(duì)當(dāng)前的芯片制造方法做出全面的改進(jìn)，將使整個(gè)芯片工業(yè)處在岌岌可危的地步。EUV系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：極端紫外光源；  反射投影系統(tǒng)；  光刻模板（mask）；    能夠用于極端紫外的光刻

28、涂層（photo-resist）。圖5.1點(diǎn)光源極端紫外光刻技術(shù)原理從目前來(lái)看，激光發(fā)生器在極端紫外光譜的輸出功率是不夠理想的，要想設(shè)計(jì)出擁有足夠能量而且符合生產(chǎn)要求的極端紫外光源是十分困難的。況且傳統(tǒng)的光刻投影設(shè)備以及空氣等都很容易吸收極端紫外光也是需要解決的又一大難題。極端紫外光刻技術(shù)所使用的光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)套刻精度要達(dá)到10nm，其研發(fā)和制造原理實(shí)際上和傳統(tǒng)的光學(xué)光刻在原理上十分相似。對(duì)光刻機(jī)的研究重點(diǎn)是要求定位要極其快速精密以及逐場(chǎng)調(diào)平調(diào)焦技術(shù)，因?yàn)楣饪虣C(jī)在工作時(shí)拼接圖形和步進(jìn)式掃描曝光的次數(shù)很多。不僅如此入射對(duì)準(zhǔn)光波信號(hào)的采集以及處理問(wèn)題還需要解決。圖5.2 步進(jìn)式光刻機(jī)圖5.3 EUV

29、光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)5.2.2 EUV技術(shù)目前定位困境   EUV技術(shù)的進(jìn)展還是比較緩慢的，而且將消耗大量的資金。盡管目前很少?gòu)S商將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，但是極紫外光刻技術(shù)卻一直是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)，所有廠商對(duì)這項(xiàng)技術(shù)也都充滿了期盼，希望這項(xiàng)技術(shù)能有更大的進(jìn)步，能夠早日投入大規(guī)模使用。 各家廠商都清楚，半導(dǎo)體工藝向往下刻，使用EUV技術(shù)是必須的。波長(zhǎng)越短，頻率越高，光的能量正比于頻率，反比于波長(zhǎng)。但是因?yàn)轭l率過(guò)高，傳統(tǒng)的光溶膠直接就被打穿了?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展已經(jīng)被許多物理學(xué)科從各個(gè)方面制約了。在45nm工藝的蝕刻方面，EUV技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出一些特點(diǎn)所以現(xiàn)在EVU技術(shù)要突破，從外

30、部支持來(lái)講，要換光溶膠，但是合適的一直沒(méi)找到3。而從EUV技術(shù)自身來(lái)講，同時(shí)盡可能的想辦法降低輸出能量。    目前EUV光刻技術(shù)存在的問(wèn)題：    造價(jià)太高，高達(dá)6500萬(wàn)美元，比193nm ArF浸沒(méi)式光刻機(jī)貴；    未找到合適的光源；    沒(méi)有無(wú)缺陷的掩模；    未研發(fā)出合適的光刻膠；    人力資源缺乏；    不能用于22nm工藝早期開(kāi)發(fā)工作。5.2.3 EUV光學(xué)系統(tǒng)極端紫外光刻的成像條件是比較苛刻的，必須處于真空的環(huán)境之中，而且由于EU

31、V波段范圍的限制，必須采用反射式的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折射式光學(xué)系統(tǒng)，并且每一反射鏡的最大反射率也有要求，即不會(huì)超過(guò)百分之七十。EUV光學(xué)系統(tǒng)由照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)組成，這兩個(gè)系統(tǒng)利用的是若干個(gè)面形為非球面的反射光學(xué)元件。人們通過(guò)大量的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由兩面或者三面反射光學(xué)元原件組成的極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)并沒(méi)有得到需要達(dá)到的效果，當(dāng)使用四面反射光學(xué)元件組成的極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)所取得的效果是較為理想的，這四面反射元件通常由三面非球面反射鏡和一面球面反射鏡組成。 毋庸置疑的是采用的光學(xué)元件質(zhì)量尤其是投影系統(tǒng)的質(zhì)量極大影響這極紫外光刻系統(tǒng)成像，通常情況下X射線光學(xué)元件的表面要求為極其光滑的，其粗糙度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)

32、比工作在可見(jiàn)光波段的光學(xué)元件的粗糙度低，這也是對(duì)光學(xué)元件加工方面的造成很大的困擾。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，目前主要采用金剛石單點(diǎn)車削以及數(shù)控拋光的方式來(lái)代替以往的研磨和瀝青拋光法，以應(yīng)對(duì)極紫外光刻對(duì)光學(xué)元件的高要求。金剛石單點(diǎn)車削的加工方法與傳統(tǒng)的光學(xué)加工方法有很多優(yōu)勢(shì)，它的車刀是用單晶金剛石制成。這種方法話費(fèi)很低的成本就能制成許多復(fù)雜的曲面而且制成的光學(xué)元件擁有很高的質(zhì)量，表面光滑度符合極紫外光刻技術(shù)的要求。數(shù)控拋光的方法依賴于快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，其利用數(shù)據(jù)系統(tǒng)在控制拋光過(guò)程，精準(zhǔn)的控制磨具在光學(xué)元件表面不同位置的拋光強(qiáng)度和時(shí)間。值得一提的是，人們還采用惰性氣體離子束轟擊極紫外光刻光學(xué)元件的表面，

33、也能達(dá)到十分理想的效果，這種離子束刻蝕拋光法也得到了發(fā)展。為了得到極紫外光刻波段之內(nèi)要求的折射率，極紫外光刻成像系統(tǒng)的表面通常被涂上多層膜涂層，因?yàn)橐玫礁叻瓷渎实牟牧鲜菬o(wú)法從由一種元素組成的物質(zhì)制成的，這種方法已經(jīng)在光學(xué)元件的加工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，從目前的技術(shù)看，Mo/Si和Mo/Be是目前使用最多的膜涂層材料，也是目前最好的膜涂層材料，但是，影響多層膜反射率的許多因素還是難以預(yù)測(cè)。圖5.4 超精密單點(diǎn)金剛石車削總體上講，非球面反射元件的納米級(jí)加工技術(shù)就像制備太空天文望遠(yuǎn)鏡一樣難。5.2.4 EUV光刻對(duì)掩膜版的要求 極紫外光刻技術(shù)所采用的是反射式掩模，這是它與現(xiàn)有光刻技術(shù)的主要區(qū)別之一，由于

34、透射式掩模用于13nm光刻時(shí)，光源的波長(zhǎng)短，系統(tǒng)材料會(huì)大量吸收紫外光束，大幅度削弱光強(qiáng)，不能協(xié)調(diào)克服和熱應(yīng)力變形之間的矛盾，因此目前的極紫外光刻技術(shù)采用反射式掩模替代傳統(tǒng)的透射式掩模，同時(shí)需要用高反射率的多層膜結(jié)構(gòu)來(lái)作為反射式EUV掩模的襯基。且采用高水平的高真空濺射淀積法將鉻（或者其他金屬如鋁等）薄膜生長(zhǎng)到襯機(jī)上作為吸收體。反射式EUV掩模如圖5.5所示。多層膜技術(shù)的巨大進(jìn)步使得反射式掩模成為可能，但掩模中引入了多層膜之后，相應(yīng)地帶來(lái)了諸如多層膜均勻性、多層膜缺陷等技術(shù)難題4。從極紫外光刻的發(fā)展歷程不難看出，要使這項(xiàng)技術(shù)盡早投入量產(chǎn)，必須將光刻機(jī)、光刻膠和掩膜版等各個(gè)環(huán)節(jié)共同發(fā)展，緊密配合。

35、要使EUV順利進(jìn)入量產(chǎn)，無(wú)缺陷的掩膜是必不可少的。如何解決掩膜版表面多層抗反射膜的無(wú)缺陷問(wèn)題成為關(guān)鍵。EUV掩膜版的制作一般是采用多層堆疊的Mo/Si薄膜，每一Mo層與Si層都必須足夠平滑，誤差容許范圍為一個(gè)原子大小。如果掩膜上存在大顆粒時(shí)，通常需要采用掩膜修正技術(shù)進(jìn)行處理?？墒怯捎谔嘁蛩氐南拗疲珽UV掩模在制造的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)缺陷，而且現(xiàn)有的缺陷檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)仍然難以發(fā)揮出明顯的作用，因此對(duì)于EUV掩模的研究還要在尋找非常低缺陷的多層膜制備技術(shù)上花費(fèi)大量精力，光刻技術(shù)發(fā)展對(duì)全新掩模版技術(shù)開(kāi)發(fā)的需求十分迫切。圖5.5 反射式EUV光刻反射掩模 5.2.5 EUV光刻前景與展望在摩爾定律的規(guī)

36、律下，以及在如今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的信息時(shí)代，新一代的光刻技術(shù)就應(yīng)該被選擇和研究，在當(dāng)前微電子行業(yè)最為人關(guān)注，而在這些高新技術(shù)當(dāng)中，極紫外光刻與其他技術(shù)相比又有明顯的優(yōu)勢(shì)。極紫外光刻的分辨率至少能達(dá)到30nm以下,且更容易收到各集成電路生產(chǎn)廠商的青睞，因?yàn)闃O紫外光刻是傳統(tǒng)光刻技術(shù)的拓展，同時(shí)集成電路的設(shè)計(jì)人員也更喜歡選擇這種全面符合設(shè)計(jì)規(guī)則的光刻技術(shù)。極紫外光刻技術(shù)掩模的制造難度不高，具有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。然而EUV光刻技術(shù)也有明顯的缺陷，其設(shè)備制造成本十分高昂，包括掩模和工藝在內(nèi)的諸多方面花費(fèi)資金都很大。同時(shí)極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造也極其復(fù)雜，存在許多尚未解決的技術(shù)問(wèn)題，但對(duì)這些難關(guān)的解決

37、方案正在研究當(dāng)中，一旦將這些難題解決，極紫外光刻技術(shù)在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中就不會(huì)有原理性的技術(shù)難關(guān)了。5.3 X射線光刻技術(shù)1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴首先發(fā)現(xiàn)了X射線，也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線是一種與其他粒子一樣具有波粒二象性的電磁波，可以是重原子能級(jí)躍遷或著是加速電子與電磁場(chǎng)耦合輻射的產(chǎn)物。X射線的波長(zhǎng)極短，1972年X射線被最早提出用于光刻技術(shù)上，X射線在用于光刻時(shí)的波長(zhǎng)通常在0.7到0.12nm之間，它極強(qiáng)的穿透性決定了它在厚材料上也能定義出高分辨率的圖形。5.3.1 X射線光刻基礎(chǔ)工藝 X射線波長(zhǎng)極短，使得其不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衍射現(xiàn)象。我們?cè)谑褂肵射線進(jìn)行曝光時(shí)對(duì)波長(zhǎng)的

38、選擇是受到一定因素限制的，在曝光過(guò)程中，光刻膠會(huì)吸收X射線光子，而產(chǎn)生射程隨X射線波長(zhǎng)變化而相繼改變的光電子，這些光電子會(huì)降低光刻分辨率，X射線的波長(zhǎng)越短，光電子的射程越遠(yuǎn)，對(duì)光刻越不利。因此增加X(jué)射線的波長(zhǎng)有助于提高光刻分辨率。然而長(zhǎng)波長(zhǎng)的X射線會(huì)加寬圖形的線寬，考慮多種因素的影響，通常只能折中選擇X射線的波長(zhǎng)。今年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圖形的線寬小到一定程度時(shí)（一般為0.01m以下），被波導(dǎo)效應(yīng)影響，最終得到的圖形線寬要小于實(shí)際掩模圖形，因此X光刻分辨率也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。除此之外，還需要大量的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)解決X射線光刻圖形微細(xì)加工時(shí)對(duì)圖形質(zhì)量造成影響的諸多因素。圖5.6 X射線同步

39、輻射曝光系統(tǒng)的基本組成示意圖5.3.2 X射線光刻掩模在后光學(xué)光刻的技術(shù)中，其最主要且最困難的技術(shù)就是掩模制造技術(shù)，其中1：1的光刻非常困難，是妨礙技術(shù)發(fā)展的難題之一。所以說(shuō)，我們認(rèn)為掩模開(kāi)發(fā)是對(duì)于其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是決定成敗的關(guān)鍵。在過(guò)去的發(fā)展中，科學(xué)家對(duì)其已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，也有一些新型材料的發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用，有一些已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)踐，但對(duì)于工業(yè)發(fā)展還是沒(méi)有什么重大的成就。X射線掩模的基本結(jié)構(gòu)包括薄膜、吸收體、框架、襯底，其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、金剛石。吸收體主要使用金、鎢等材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖5.7所示：對(duì)于掩模的性能要求如下：要能夠使X射線以及其他光線的有效透過(guò)，且保障其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，具有高的X射線的吸收性，