| 半导体工艺中几种常见的光刻方法 |
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| (2012-12-31 12:10:20) 4725人次浏览 |
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半导体工艺中几种常见的光刻方法
接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。
接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙（10～25nm），可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低
投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式。
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接触式光刻技术中，涂有光刻胶的硅片与掩膜版直接接触。由于光刻胶和掩膜版之间紧密接触，因此可以得到比较高的分辨率。接触式暴光的主要问题是容易损伤掩膜版和光刻胶。当掩膜版与硅片接触和对准时，硅片上很小的灰尘就可能在掩膜版上造成损伤，这样在今后所有利用这块掩膜版进行暴光的硅片上都会出现这个缺陷。因此，采用接触式光刻很难得到没有缺陷的超大规模集成电路芯片，所以接触式光刻技术一般只适用于中小规模集成电路。
接近式暴光与接触式暴光相似，只是在暴光时硅片和掩膜版之间保留有很小的间隙，这个间隙一般在10～25微米之间，此间隙可以大大减少对掩膜版的损伤。接近式暴光的分辨率较低，一般在2～4微米之间，因此接近式光刻机只能装配在特征尺寸交大的集成电路生产线中。接触或接近式光刻机的主要优点是生产效率较高。
投影式暴光是利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的暴光方法。在这种暴光方法中，由于掩膜版与硅片之间的距离较远，可以完全避免对掩膜版的损伤。为了提高分辨率，在投影式暴光中，每次只暴光硅片的一小部分，然后利用扫描和分步重复的方法完成整个硅片的暴光。在现代集成电路工艺中，使用最多的光刻系统是分步投影光刻机。利用分步投影光刻机，再结合移相掩膜等技术，已经得到了最小线宽0.10微米的图形。
光刻技术的组成与关键点
光刻的基本原理是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。
光刻半导体芯片二氧化硅的主要步骤是：
1、涂布光致抗蚀剂；
2、套准掩模板并曝光；
3、用显影液溶解未感光的光致抗蚀剂层；
4、用腐蚀液溶解掉无光致抗蚀剂保护的二氧化硅层；
5、去除已感光的光致抗蚀剂层。
图：光刻技术的原理 看大图：→浏览下载
光刻技术的不断发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证：其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上同时做出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；其二是图形线宽不断缩小，使用权集成度不断提高，生产成本持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使用权集成电路的性能不断提高。随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。
图：光刻技术面临的困难与挑战 看大图：→浏览下载
图：半导体工艺的不断进步由光刻工艺决定 看大图：→浏览下载
新一代的替代光刻技术：
157nm F2
EUV光刻 紫外线光刻
电子束投影光刻
X射线光刻
离子束光刻
纳米印制光刻
光学透镜
透射式透镜（248nm、193nm）
反射式透镜（157nm）
掩膜版
由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收层材料（主要是金属Cr）组成。
通常要在表面淀积一层抗深紫外光损伤的增光型保护涂层。
光波的特性与蚀刻
在了解几种目前活跃的光刻技术之前，我们先来了解光波的特性。光波有多种频率。频率是指任意时间间隔内（通常为一秒钟）通过空间中某一点的波数。它的计量单位是周（波）/秒，或赫兹（Hz）。可见光的频率称为颜色，范围是430万亿Hz（红色）到750万亿Hz（紫罗兰色）。当然，频率的总范围超出可见光谱之外，从不足十亿Hz的无线电波到超过30亿Hz的伽马射线。
图：光波的频率与能量 看大图：→浏览下载
光波是能量波。光波的能量大小与其频率成一定比例：高频光的能量较高，低频光的能量较低。因此，伽马射线的能量最高，无线电波的能量最低。在可见光中，紫光能量最大，而红光能量最小。
我们可以明确看到EUV极端远紫外光在光谱中的位置，这是一种波长极短的光刻技术，其曝光波长大约为13.5nm。按照目前理论上认为的波长与蚀刻精度关系，EUV技术能够蚀刻出5nm以下工艺的晶体管。
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。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。
但是目前在缩短波长方面，各家光刻设备商都遇到的困境，或者说缩短波长已经成为整个行业最大的挑战。在各种活跃的光刻技术中，EUV技术拥有最短的曝光波长，但是目前推进非常艰难，而193nm传统光学光刻技术虽然老迈，但是加入了沉浸式技术配合之后，已经能够延伸到22nm左右工艺中。
图：传统干式光刻技术
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
图：浸入式光刻技术原理 看大图：→浏览下载
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。
193nm浸入式光刻技术是所有活跃的光刻技术中最为长寿最富有竞争力的，从这项技术一经提出，就获得了全球半导体厂商的一致认可。因为它的构成方法可行并且投入小，除了节省设备制造商以及制程采用者大量研发及导入成本之外，它还击败开发过程问题重重的157nm光源的干式光刻技术。
光刻系统的组成：
光刻机是一种曝光工具，这是光刻工程的核心部分，其造价昂贵，号称世界上最精密的仪器，目前世界是已有7000万美金的光刻机。光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度之大，到现在全世界也不过两三家公司能够制造而已。
掩膜版：光刻胶（常伴随着光刻机的发展而前进，在一定程度上其也制约着光刻工艺的发展）
光刻技术主要指标：
分辨率W（resolution）→ 光刻系统所能分辨和加工的最小线条尺寸
焦深（DOF-Depth Of Focus）→ 投影光学系统可清晰成像的尺度范围
关键尺寸（CD-Critical Dimension）控制
对准和套刻精度（Alignment and Overlay）
产率（Throughout）
价格
其中，W是决定光刻系统最重要的指标，也是决定芯片最小特征尺寸的原因。
其由瑞利定律决定：R= k1r/NA，其中r是光刻波的波长。
提高光刻分辨率的途径：
减小波长r，其中，光刻加工极限值：r/2 ，即半波长的分辨率
增加数值孔径
优化系统设计（分辨率增强技术）
减小k1
主流光刻技术：
248nm DUV技术 （KrF准分子激光）→ 0.10um 特征尺寸
193nm DUV技术 （ArF准分子激光）→ 90nm 特征尺寸
193nm 沉浸式技术 （ArF准分子激光）→ 65nm 特征尺寸
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