光刻机的技术原理和技术发展趋势

光刻机的技术原理和发展趋势

王平0930*******

摘要：

本文首先简要介绍了光刻技术的基本原理。现代科技瞬息万变，传统的光刻技术已经无法满足集成电路生产的要求。本文又介绍了提高光刻机性能的关键技术和下一代光刻技术的研究进展情况。

关键字：光刻；原理；提高性能；浸没式光刻；下一代光刻

引言：

光刻工艺直接决定了大规模集成电路的特征尺寸，是大规模集成电路制造的关键工艺。作为光刻工艺中最重要设备之一，光刻机一次次革命性的突破，使大模集成电路制造技术飞速向前发展。因此，了解光刻技术的基本原理，了解提高光刻机性能的关键技术以及了解下一代光刻技术的发展情况是十分重要的。本文就以上几点进行了简要的介绍。

光刻技术的基本原理：

光刻工艺通过曝光的方法将掩模上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上。

1、涂胶

要制备光刻图形，首先就得在芯片表面制备一层均匀的光刻胶。截止至2000年5月23日，已经申请的涂胶方面的美国专利就达118项。在涂胶之前，对芯片表面进行清洗和干燥是必不可少的。目前涂胶的主要方法有：甩胶、喷胶和气相沉积，但应用最广泛的还是甩胶。甩胶是利用芯片的高速旋转，将多余的胶甩出去，而在芯片上留下一层均匀的胶层，通常这种方法可以获得优于+2%的均匀性（边缘除外）。胶层的厚度由下式决定：

式中：F T为胶层厚度，ω为角速度，η为平衡时的粘度，ρ为胶的密度，t为时间。由该式可见，胶层厚度和转速、时间、胶的特性都有关系，此外旋转时产生的气流也会有一定的影响。甩胶的主要缺陷有：气泡、彗星（胶层上存在的一些颗粒）、条纹、边缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规则片尤为明显。

2、紫外光刻

目前占光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻。按波长可分为紫外、深紫外和极紫外光刻。按曝光方式可分为接触/接近式光刻和投影式光刻。接触/接近式光刻通常采用汞灯产生的

365~436nm的紫外波段，而投影式光刻通常采用准分子激光器产生的深紫外（248nm）和极紫外光（193nm和157nm）。

2.1接触/接近式光刻

接触/接近式光刻是发展最早，也是最常见的曝光方式。它采用1：1方式复印掩膜版上的图形，这类光刻机结构简单，价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高可达1um左右。此外由于掩膜版直接和光刻胶接触，会造成掩膜版的沾污。

接触% 接近式光刻机的分辨率由下式决定：

式中：λ为曝光的波长，F T为光刻胶的厚度，G为曝光时的接近距离。目前常用的光源为汞% 氙灯所产生的紫外光，常用的三个波段为436nm（g线）、405nm（h线）和365nm（i线）。由下图可看出这三个波段的强度最高，且紫外光成本低，比较容易获得，是接触/接近式光刻的主要光源。

图

2.2投影式光刻

投影式光刻机在现代光刻中占主要地位，据调查显示，投影式光刻机约占整个光刻设备市场份额的70%以上。其主要优点是分辨率高，不沾污掩膜版，重复性好，但结构复杂，价格昂贵。投影式光刻机又分为扫描式和步进式，扫描式采用1：1光学镜头，由于扫描投影分辨率不高，约1um左右，加之1*掩膜制备困难，因此80年代中期后就逐步被步进投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，一般有4：1.5,1.10:1等。

3、粒子束光刻

由于光学光刻受分辨率限制，要得到分辨率更高的图形只能求助于粒子束光刻，因此有人预言21世纪将是粒子束光刻的世纪。常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻。

3.1X射线光刻

X射线光刻技术是目前国外研究比较热门的一种粒子束光刻技术，同光学曝光相比，X射线有着更短的波长，因此有可能获得分辨率更高的图形，目前被认为是100nm线条以下半导体器件制造的主要工具。它具有以下优点：（1）景深容易控制；（2）视场大（可达

50mm*50mm）；（3）: 射线对光刻工艺中的尘埃不敏感，因此成品率较高。

由于X射线的波长很短（通常为0.1~30nm），曝光时的衍射和散射几乎可以忽略不计，因此可得到较高分辨率的图形。X射线穿透力很强，目前多数的光学系统不能对它进行反射或折

射，因此多采用接近式曝光。

3.2电子束光刻

电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段。电子束光刻的优点是（1）分辨率高；（2）不需要掩膜；（3）不受像场尺寸限制；（4）真空内曝光，无污染；（5）由计算机控制，自动化程度高。

目前已研制出多种电子束纳米曝光技术，如扫描透射电子显微镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、圆形束、成形束、投影曝光、微电子光柱等。其中STM的空间分辨率最高，横向可达0.1nm，纵向优于0.01nm，但由于电子束入射光刻胶和衬底后会产生散射，因而限制了实际的分辨率（即邻近效应）。目前电子束曝光技术中的主导加工技术为圆形电子束和成形电子束曝光，成形电子束目前最小分辨率一般大于100nm，圆形电子束的最高分辨率可达几个纳米。

电子束光刻采用直接写的技术，在掩膜版的制备过程中占主要地位。但也正是因为电子束采用直接写的技术，因此曝光的速度很慢，不实用于大硅片的生产，此外电子束轰击衬底也会产生缺陷。

3.3离子束光刻

离子束光刻和电子束光刻较类似，也是采用直接写的技术，由于离子的质量比电子重得多，因此只在很窄的范围内产生很慢的二次电子，邻近效应可以忽略，可以得到更高分辨率的图形（可达20nm）。同样能量下，光刻胶对离子的灵敏度也要比电子高数百倍，因此比电子束更实用于作光刻工具。但离子束也有一些缺点，如不能聚焦得像电子束一样细，此外，由于质量较重，使得曝光深度有限，一般不超过0.5um。

离子束光刻目前主要应用于版的修复，光学掩膜在制作过程中难免会产生一些缺陷，特别是现在的线条越来越细，这些缺陷就更是不可避免。利用聚焦离子束的溅射功能可将版上多余的铬斑去掉，也可在离子束扫描过程中，通入一定的化学气体，将碳或钨沉积在版上，修补版上不必要的透光斑，提高版的成品率。此外离子束光刻引入的离子注入效应又带来一些新的未知因数，离子束光刻目前还处于研究当中。

4、光刻胶

光刻胶呈现多面化发展的趋势，以适应不同应用的需要，如常规的UV光刻胶、深紫外光刻胶、X射线光刻胶、电子束光刻胶及用于深度光刻的光刻胶等。但有一个共同的趋势就是分辨率和灵敏度越来越高。

光刻胶分为正胶和负胶，一般认为负胶的分辨率较差，但现在有一些负胶采用碱性显影液也可复印出与正胶有相似精度的亚微米图形而不产生胶的膨胀。而通常正胶比负胶的灵敏度低，所需的曝光量是负胶的若干倍。预计光刻胶的灵敏度极限约为10uJ/cm2，极限分辨率可达