浅谈半导体光刻技术的发展趋势

樊　乡

摘要：文章通过对目前国内外光刻设备生产厂商对下一代光刻技术的开发及目前已经应用到先进生产线上的光刻技术及设备进行了对比研究，对光刻技术和光刻设备的发展趋势进行了介绍，并对我国今后半导体光刻技术及设备的发展提出了合理化建议。

关键词：半导体光刻技术； PSM技术；离子束曝光技术；极紫外光刻技术

中图分类号：TN305文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0089-02

随着芯片集成度的提高，对光刻技术提出了越来越高的要求。在80年代，普遍认为光学光刻技术所能达到的极限分辨率为0.5，但是随着一些新技术的应用和发展，包括光源、成像透镜、光致抗蚀剂、分步扫描技术以及光刻分辨率增强技术（RET）的发展，使其光刻极限已推进到目前的0.1 以下。尽管有人对光学光刻的潜力充满怀疑，但其仍以顽强的生命力，不断突破所谓的极限分辨率，是目前所采用的主流光刻技术。

一、推动光刻技术和设备发展的动力

经济利益是Si片直径由200mm向300mm转移的主要因素。300mm的Si片出片率是200mm的215倍。300mm工厂的投资为15～30亿美元，其中约75%的资金用于设备投资，因此用户要求设备能向下延伸3～4代。300mm片径是从180nm技术节点切入的，这就要求设备在150、130nm，甚至100nm仍可使用。

为了推进300mmSi片的大生产，设备厂商在几年前就着手解决这方面的问题。Canon于1995年着手300mm曝光机，推出了EX3L和I5L步进机，于1997～1998年提供日本半导体超前边缘技术（SELETE）集团使用，ASML公司的300mm步进扫描曝光机使用193nm波长，型号为FPA2500，也于1999年提供给SELETE集团使用。现在Canon的第三代300mm曝光机的混合匹配曝光能力已经达到（<110nm）。目前300mm片径生产180、150、130nm的IC设备都已经进入生产线，100nm的设备也已经开始提供。

曝光是芯片制造中最关键的制造工艺，由于光学曝光技术的不断创新，一再突破人们预期的极限，使之成为当前曝光的主流技术。1997年美国GCA公司推出了第一台分布重复投影曝光机，被视为曝光技术的一大里程碑，1991年美国SVG公司推出了步进扫描曝光机，它集分布投影曝光机的高分辨率和扫描投影机的大视场、高效率于一身，更适合（<0125μm）线条的大规模生产曝光。为了提高分辨率，光刻机的曝光波长不断缩小，从436、365nm、近紫外（NUV）到246、193nm的深紫外（DUV）。246nm的KrF准分子激光，首先应用于0125μm的曝光，后来Nikon公司又推出了NSR2S204B，用KrF，使用变形照明（MBI）可做到0115μm的曝光。ASML公司也推出PAS15500/750E，使用该公司的AERILALII照明，可解决0113μm曝光。但1999ITRS建议，0113μm曝光方案是用193nm或248nm加分辨率提高技术（RET）；0110μm曝光方案是用157、193nm加RET、接近式X光曝光（PXL）或离子束投影曝光（IPL）。所谓的RET技术是指采用移相掩模（PSM）、光学临近修正（OPC）等措施，进一步提高分辨率。值得指出的是，现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺宽容性和经济性，如在RET中采用交替移相掩模（altPSM）时，就要考虑到它的复杂、价格昂贵、检查、修正等不利因素。

二、光刻技术发展及进展情况

（一）PSM技术

实现单个独立的小尺寸图形的转移并不是很困难的事，困难的是很多小尺寸图形聚集在一起时的图形转移，因为在这种情况下光源的散射或者干涉将会造成图形的畸变。解决这一难题的办法就是采用PSM技术。绝大多数在半导体工艺中使用的PSM版都是使用石英玻璃加工制造的。试验证明，通过使用PSM技术，最小的特征尺寸可以达到曝光波长的1/5，这种技术也被称为亚波长光刻技术。

（二）离子束曝光技术

同电子束曝光技术一样，离子束曝光技术的分辨率也远远超过了传统的光学曝光技术。离子束曝光技术同样可以应用于直写式曝光和投影式曝光。离子束曝光的优点在于在进行曝光的同时，可以进行腐蚀工艺的操作。这样将大大节省工艺的操作步骤，简化工艺流程。然而离子束曝光的效率特别低，不可能应用于大规模的工业生产中。这种技术目前最可能的应用是掩模版制造，也可以应用于针对器件缺陷的检验和修复。

（三）极紫外光刻技术（EUV）

下一代可能实现的亚011μm图形转移光刻技术就是极紫外光刻技术，这种曝光光源的波长在11～14nm。波长在1～50nm的光波覆盖紫外线和X射线区域。所以使用这一波长范围的曝光技术也被称为极紫外曝光或者软X射线曝光或称为真空紫外曝光。极紫外曝光的原理主要是利用曝光光源的波长从而降低光学系统的数值孔径，进而提高光刻技术的分辨率。但就目前所知的材料而言，没有合适的材料能够作为极紫外曝光光学系统的透镜，因为目前的材料对短波长光源的吸收效应都非常强，极紫外光刻技术也必须基于光学系统才能实现。另外，极紫外光刻的光源目前正在进行研发，最有可能成为这种技术使用的光源是激光泵浦的氙等离子体光源。而极紫外光刻技术需要的掩模版还需要进行多层金属的涂覆才能使用。

传统的光学光刻技术处于不断的发展之中，同时结合了一些分辨率增强技术和改善工作焦深的新方法，比如相移掩模（PSM）技术、离轴照明（OAI）技术、光学邻近效应校正（OPC）、瞳孔滤波等，使得现有的光学光刻依然保持着活力。但由于始终存在着焦深和分辨率的矛盾，使得其物理极限客观存在。而下一代的光刻技术尽管取得了一些突破，但由于费用、生产率、实现性等问题，投入大规模使用尚待时日。这些技术目前处于替代光学光刻的“候选者”地位，在未来具体采用哪一种光刻技术，取决于它们的技术成熟程度、设备成本、生产效率等，目前的形式还不明朗。此外，目前还出现了一些新的光刻技术和方法，如干涉光刻、成像干涉光刻、全息光刻、原子光刻等，对现有的光刻技术形成了有益的补充和推动。

参考文献

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