半導(dǎo)體光刻工藝
發(fā)表于：2017-12-14 作者：3136431 關(guān)注度：466
光學(xué)曝光 當(dāng)前曝光的主流技術(shù)
曝光是芯片制造中最關(guān)鍵的制造工藝，由于光學(xué)曝光技術(shù)的不斷創(chuàng)新，它一再突破人們預(yù)期的光學(xué)曝光極限，使之成為當(dāng)前曝光的主流技術(shù)。1997年美國(guó)GCA公司推出了第一臺(tái)分步重復(fù)投影曝光機(jī)，被視為曝光技術(shù)的一大里程碑，1991年美國(guó)SVG公司又推出了步進(jìn)掃描曝光機(jī)，它集分步投影曝光機(jī)的高分辨率和掃描投影曝光機(jī)的大視場(chǎng)、高效率于一身，更適合＜0.25μm線(xiàn)條的大生產(chǎn)曝光。
為了提高分辨率，光學(xué)曝光機(jī)的波長(zhǎng)不斷縮小，從436mm、365mm的近紫外（NUV）進(jìn)入到246 mm、193mm的深紫外（DUV）。246nm的KrF準(zhǔn)分子激光，首先用于0.25μm的曝光，后來(lái)Nikon公司推出NSR-S204B，用KrF，使用變形照明（MBI）可做到0.15μm的曝光。ASML公司也推出PAS.5500／750E，用KrF，使用該公司的AERILALⅡ照明，可解決0.13μm曝光。但1999 ITRS建議，0.13μm曝光方案是用193nm或248nm＋分辨率提高技術(shù)（RET）；0.10μm曝光方案是用157nm、193nm＋ RET、接近式X光曝光（PXL）或離子束投影曝光（IPL）。所謂RET是指采用移相掩模（PSM）、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）等措施，進(jìn)一步提高分辨率。值得指出的是：現(xiàn)代曝光技術(shù)不僅要求高的分辨率，而且要有工藝寬容度和經(jīng)濟(jì)性，如在RET中采用交替型移相掩模（alt PSM）時(shí)，就要考慮到它的復(fù)雜、價(jià)格昂貴、制造困難、檢查、修正不易等因素。
人們出于對(duì)后光學(xué)技術(shù)可能難以勝任2008年的70nm，2011年的50nm擔(dān)心，正大力研發(fā)下一代（NGL）非光學(xué)曝光，并把157nmF2準(zhǔn)分子激光曝光作為填補(bǔ)后光學(xué)曝光和下一代非光學(xué)曝光間的間隙。
改善了折反射光學(xué)系統(tǒng)的性能
波長(zhǎng)為157nm的F2準(zhǔn)分子激光器的特點(diǎn)是帶寬很窄，Cymer公司的產(chǎn)品，其帶寬為0.6～0.7 pm，窄帶寬改善了折反射光學(xué)系統(tǒng)的性能。折反射光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵是分束器立方體，它使用CaF2材料，能有效地減少束程和系統(tǒng)的體積，大尺寸易碎的CaF2一直是157nm曝光的制約因素，現(xiàn)在SVGL已展出了12～15英寸的CaF2單晶錠，這為制造大數(shù)值孔徑的折反射分束器設(shè)計(jì)掃清了道路。同時(shí)對(duì)單層抗蝕劑和在輻照下透明、持久、可靠的掩模保護(hù)膜進(jìn)行了研究，去年春SEMATECH在加州召開(kāi)的157nm曝光研討會(huì)上，宣布這方面已取得了重大進(jìn)展，現(xiàn)在美國(guó)的SVGL、ltratech和英國(guó)的Exilech公司都在研制整機(jī)，SVGL公司準(zhǔn)備今年底出樣機(jī)，明年底出生產(chǎn)型設(shè)備。首臺(tái)售價(jià)約1300萬(wàn)美元。
比利時(shí)的微電子研究中心（IMEC）與ASML公司合作建立了157nm基地，這個(gè)基地于今年開(kāi)始工作，計(jì)劃在2003年生產(chǎn)，它要求各種相關(guān)工藝配套，為70nm CMOS流片創(chuàng)造條件。此外，日本SELETE也在加緊工作。SEMATECH則購(gòu)買(mǎi)Exitech公司的曝光機(jī)開(kāi)展針對(duì)掩模光膠、膠的處理工藝、勻膠顯影軌道系統(tǒng)、膠的刻蝕性能和相關(guān)測(cè)量技術(shù)等方面的研究。
極紫外曝光 歐洲和日本諸公司正在研究
1997年由Intel、AMD、Micron、Motorola、SVGL、USAL、ASML組成極紫外有限公司（
EUVLLC）和在加州的三個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參加，共同研發(fā)波長(zhǎng)為13nm的極紫外（EUV）光刻機(jī)樣機(jī)，今年4月在加州Livermore的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室推出的樣機(jī)被視為光刻的一個(gè)重要里程碑。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體雜志Aaron Hand介紹，光源是幾個(gè)研究單位聯(lián)合研制的；13nm的波長(zhǎng)太短，幾乎所有材料都能吸收它，研制捕獲這種光的裝置十分困難；反射鏡光學(xué)表面為非球面，表面形貌及粗糙度小于一個(gè)原子；所有光學(xué)元件表面涂有達(dá)40層的多層反射層，每層厚約λ／4，控制在0.1埃精度；EUV光刻采取新的環(huán)境控制，來(lái)抑制沾污；短波長(zhǎng)，無(wú)缺陷掩模制作難度極大；樣機(jī)采用nm級(jí)精度無(wú)摩擦的磁懸浮工作臺(tái)。據(jù)EUVLLC項(xiàng)目經(jīng)理Chuck Gwyn介紹，樣機(jī)是第一步，下一步要研制生產(chǎn)機(jī)型為今后幾年的生產(chǎn)做準(zhǔn)備。現(xiàn)在更多用戶(hù)表示要采用，并希望參與其中。在歐洲，蔡司、ASML和牛津公司在共同研究；在日本，Nikon、Canon和MC在共同研究。
限角散射電子束投影曝光 被眾多廠(chǎng)家看好
限角散射電子束投影曝光（SCALPEL）是高亮度電子源，經(jīng)磁透鏡聚焦產(chǎn)生電子束對(duì)掩模進(jìn)行均勻照明，掩模是在低原子序數(shù)材料膜上覆蓋高原子序數(shù)材料層組成，圖形制作在高原子序數(shù)材料上。掩模是4倍放大，用格柵支撐。低原子序數(shù)的膜，電子散射弱，散射角度小，高原子序數(shù)的圖形層，電子散射強(qiáng)，散射角度大，在投影光學(xué)裝置的背焦面上有光闌，小散射角度電子通過(guò)光闌，在片子上形成縮小4倍的圖像，再經(jīng)過(guò)工作臺(tái)步進(jìn)實(shí)現(xiàn)大面積曝光。
SCALPEL的優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高、焦深長(zhǎng)、不需要鄰近效應(yīng)校正，生產(chǎn)率高，它沒(méi)有EUV系統(tǒng)中昂貴的光學(xué)系統(tǒng)，也不需要X光的高成本光源，而且掩模成本比其它方法要低，故被眾多廠(chǎng)家看好，Lucent、Motorola、Samsung、TI、eLith、ASAT、ASML等公司都參與其中共同開(kāi)發(fā)，并計(jì)劃在2002年推出＜100nm大生產(chǎn)設(shè)備。但目前來(lái)看計(jì)劃有所延遲，有些參與者轉(zhuǎn)而看好PREVAIL。
準(zhǔn)備在2002年前后推出生產(chǎn)型設(shè)備
由IBM的Hans Pfeiffer領(lǐng)導(dǎo)的電子束研究已有30年歷史，開(kāi)發(fā)了變軸浸沒(méi)透鏡縮小投影曝光（PREVAIL）技術(shù)，Nikon公司看好這項(xiàng)技術(shù)，與IBM合作，準(zhǔn)備用這項(xiàng)技術(shù)研制高分辨率與高生產(chǎn)率統(tǒng)一的電子束步進(jìn)機(jī)。在PREVAIL樣機(jī)上，電子轟擊鉭單晶形成電子束，在中間掩模上形成1mm2子場(chǎng)，經(jīng)電子透鏡產(chǎn)生4∶1縮小圖像；在片子上形成250μm2圖形，電子束經(jīng)曲線(xiàn)可變軸電子透鏡（CVAL）在掩模平面上可偏移±10mm，在片子上則為±2.5mm，而掩模和片子同時(shí)連續(xù)移動(dòng)，形成整個(gè)電路圖形的曝光。在PREVAIL樣機(jī)上用75KV加速電壓，用700nm厚的光膠，做80nm間隔線(xiàn)條，束偏移±2.5mm，曝光結(jié)果證實(shí)：偏移束和不偏移束形成的圖像很少有差異，進(jìn)一步證明了這種原理的可行性。Nikon的Kazuya Okamoto指出：現(xiàn)在光膠和掩模已不是主要問(wèn)題，當(dāng)前在致力于大的發(fā)射源、均勻的掩模照明和具有大子場(chǎng)、大偏移、對(duì)掩模熱負(fù)荷小的低畸變透鏡，這種電子束步進(jìn)機(jī)將用于100nm曝光，并可延伸到50nm，產(chǎn)量＞20片／時(shí)（300mm片），準(zhǔn)備在2002年或2003年推出生產(chǎn)型設(shè)備。
在SOC的開(kāi)發(fā)中，更具靈活性
電子束（EB）具有波長(zhǎng)短、分辨率高、焦深長(zhǎng)、易于控制和修改靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)和非光學(xué)曝光的掩模制造。電子束直寫(xiě)能在圓片上直接做圖，但其生產(chǎn)率很低，限制了使用，在下一代曝光（NGL）中，能否使EB的高分辨與高效率尋得統(tǒng)一，是EB開(kāi)發(fā)商追求的目標(biāo)。
美國(guó)硅谷的離子診斷（Ion Diagnostic）公司開(kāi)發(fā)了微型電子束矩陣，可同時(shí)平行直寫(xiě)，稱(chēng)電子束曝光系統(tǒng)（MELS），它設(shè)計(jì)了201個(gè)電子光學(xué)柱，每柱32電子束，用于300mm片子的曝光。電子束的產(chǎn)生采用微細(xì)加工方法制造的場(chǎng)致發(fā)射冷陰極，每束供15nA，每柱供480nA。用三腔集成制造系統(tǒng)，生產(chǎn)率可達(dá)90片／時(shí)，MELS的目標(biāo)是70nm高效曝光，并爭(zhēng)取延伸到35nm。
21世紀(jì)集成電路（IC）向系統(tǒng)集成（IS）方向發(fā)展，在系統(tǒng)集成芯片（SOC）的開(kāi)發(fā)中，電子束直寫(xiě)（EBDW）比其它方法更具靈活性，它可直接接受圖形數(shù)據(jù)成像，毋需復(fù)雜的掩模制作，因此前景十分誘人。日本東芝、Canon和Nikon已聯(lián)手進(jìn)行研究高效的EBDW，美國(guó)IBM曾在這方面做過(guò)探索，也準(zhǔn)備加入其中。
X光曝光 作為下一代曝光技術(shù)前景誘人
X光曝光（XRL）具有波長(zhǎng)短、焦深長(zhǎng)、生產(chǎn)率高、寬容度大、曝光視場(chǎng)大、無(wú)鄰近效應(yīng)、對(duì)環(huán)境不敏感等特點(diǎn)，作為下一代曝光技術(shù)具有誘人的前景，近年來(lái)人們一直致力于X光光源和掩模的研究，使之成為有競(jìng)爭(zhēng)力的下一代曝光設(shè)備。
日本1996年成立了超先進(jìn)電子技術(shù)聯(lián)盟（ASET）對(duì)X光曝光進(jìn)行研究。日本NTT公司研制了用于制造X光掩模的EBX3電子束曝光機(jī)。日本NEC則已做出100nm線(xiàn)寬的用于4GDRAM的X光掩模。在主機(jī)方面，Canon公司開(kāi)發(fā)了第二代X光步進(jìn)機(jī)XRA-1000，產(chǎn)量達(dá)60片／時(shí)，供ASET使用。在同步輻射源（SOR）方面，住友重工積累了多年經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了Aurora-2s同步輻射裝置。在工藝研究方面，富士通、ASET和NTT公司用接近式X光曝光（PXL）做出了80nm器件。去年，日本Kitayama提出對(duì)PXL進(jìn)行延伸，不用0.8nm而用0.4nm波長(zhǎng)，則線(xiàn)寬可到25或35nm，當(dāng)用0.4nm波長(zhǎng)時(shí)，掩模吸收層必須200nm厚，而掩模膜必須用金剛石，其厚度為0.8nm時(shí)的2至3倍。
在美國(guó)，XRL在麻省理工大學(xué)、威斯康星大學(xué)和路易斯安那州大學(xué)進(jìn)行研發(fā)，佛蒙達(dá)州的SAL公司制造PXL設(shè)備。X光點(diǎn)光源由美國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（SRL）、JMAR和ALFT三家研發(fā)，SRL有千瓦級(jí)的密集等離子體X射線(xiàn)源（DPFX），SAL公司用DPEX源制造了XRS-2000曝光機(jī)，用于洛克希德-馬丁公司的Sanders生產(chǎn)線(xiàn)上，生產(chǎn)0.15μmGaAs的MMIC芯片，其掩模則由佛蒙達(dá)州的光掩模中心（MCDC）制作。
麻省理學(xué)院的Henry I.Smith認(rèn)為：近年來(lái)美國(guó)對(duì)PXL有所忽視，而日本在A(yíng)SET組織下繼續(xù)發(fā)展，取得了很大成果，假如日本用PXL制作100-25nm器件取得成功，那么，日本芯片制造商將在幾年內(nèi)無(wú)對(duì)手，而器件制造方法也將隨之改變。
離子投影曝光 力爭(zhēng)盡快推出商業(yè)化設(shè)備
離子投影曝光（IPL）就是由氣體（氫或氦）離子源發(fā)出的離子通過(guò)多極靜電離子透鏡投照于掩模并將圖像縮小后聚焦于涂有抗蝕劑的片子上，進(jìn)行曝光和步進(jìn)重復(fù)操作。IPL具有分辨率高而焦深長(zhǎng)，數(shù)值孔徑小而視場(chǎng)大，衍射效應(yīng)小，損傷小，產(chǎn)量高，而且對(duì)抗蝕劑厚度變化不敏感，工藝成本低等特點(diǎn)。
德國(guó)FhG ISiT公司在IPL上用深紫外光膠，做出50nm的間隔線(xiàn)條，證實(shí)了這項(xiàng)技術(shù)用于曝光的可行性。歐洲應(yīng)用微電子開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（MEDEA）從1997年開(kāi)始，投資3600萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)IPL，參加的單位有ASML、Leica、IMS公司等。目標(biāo)是對(duì)300mm片子曝光，分辨率＜100nm，生產(chǎn)率為75片／時(shí)。
IPL是縮小曝光，需要4倍的硅膜鏤孔掩模，它面臨應(yīng)力和入射離子造成的發(fā)熱。小的掩模變形，導(dǎo)致大的曝光尺寸誤差，為此采取了對(duì)膜進(jìn)行摻雜，對(duì)膜增加保護(hù)層，設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)有限元分析改進(jìn)了掩?？蚣艿脑O(shè)置，避免氣流對(duì)掩模造成振動(dòng)。從加州召開(kāi)的研討會(huì)上看IPL已經(jīng)克服了眾多技術(shù)難題，現(xiàn)在正在對(duì)離子光學(xué)柱、圖像鎖定系統(tǒng)進(jìn)行攻關(guān)，力爭(zhēng)盡快推出商業(yè)化設(shè)備。參加IPL研制的Ehrmann認(rèn)為：雖然SEMATECH看好EUV和EPL，但這并不意味IPL失去最后成功的機(jī)會(huì)。
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