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光刻技术的​历史与现状

最新更新时间:2020-11-29
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来源:内容来自公众号「光刻人的世界」,作者:楼祺洪 等,谢谢。


集成电路的飞速发展有赖于相关的制造工艺—光刻技术的发展,光刻技术是迄今所能达到的最高精度的加工技术。

集成电路产业是现代信息社会的基石。集成电路的发明使电子产品成本大幅度降低,尺寸奇迹般减小。以计算机为例,1946年诞生的世界第一台数字计算机重30吨,占地约140平方米。而集成电路将晶体管、电阻、电容等电子元件连接在小块的硅片上,可使计算机体积更小,功耗更低,速度更快。自1958年世界上第一块平面集成电路问世,在短短五十多年间,半导体及微电子技术突飞猛进的发展,带动了现代信息技术的腾飞。集成电路的发展与其制造工艺─——光刻技术的进步密不可分。


光刻技术的发展史


光刻技术是利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀方法将掩模板上的图案传递到晶圆的工艺技术。光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版,是在一个平面上加工形成微图形。光刻技术按曝光光源主要分为光学光刻和粒子束光刻(常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻等)。其中光学光刻是目前最主要的光刻技术,在今后几年内其主流地位仍然不可动摇。

光刻技术的进步使得器件的特征尺寸不断减小,芯片的集成度和性能不断提高。在摩尔定律的引领下,光学光刻技术经历了接触/接近、等倍投影、缩小步进投影、步进扫描投影等曝光方式的变革。曝光光源的波长由436纳米(G线),365纳米(Ⅰ线),,发展到248纳米(KrF),再到193纳米( ArF)。技术节点从1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90纳米、45纳米,一直到目前的22纳米。集成电路的发展始终随着光学光刻技术的不断创新向前推进。

光刻机(也称光刻系统)是光刻技术的关键装备,其构成主要包括光刻光源、均匀照明系统、投影物镜系统、机械及控制系统(包括工件台、掩膜台、硅片传输系统等)。其中光刻光源是光刻机的核心部分。随着集成电路器件尺寸的不断缩小,芯片集成度和运算速度的不断提高,对光刻技术曝光分辨率也提出更高的要求。光学分辨率是指能在晶圆上成像的最小特征尺寸。对于光学投影光刻系统而言,其分辨率由瑞利公式决定:
R= k1λ/NA
式中,k1为工艺因子,对于单次曝光k1为0.25,λ为光波长,NA为投影物镜的光学数值孔径。

由此可知,改进光学分辨率的方法有三条途径:一是降低k1值;二是提高数值孔径NA;三是降低波长。在这些途径中,增大数值孔径和缩短曝光波长是通过改变曝光设备实现的,而k1因子的降低则是通过工艺技术的改进去实现的,如投影曝光系统各阶段采用的分辨率增强技术主要包括偏振光照明、相移掩模板、离轴照明等。

降低曝光光源的波长是光刻技术和设备的一个重要发展趋势。半个世纪以来随着光刻技术的发展,特征尺寸随之减小。在196O年代,半导体芯片制造商主要使用可见光作为光源。到了1980年代,光刻主要应用高压放电汞灯产生的436纳米(G线)和365纳米(I线)作为光源。汞灯普遍应用于步进曝光机,从而实现0.35微米的特征尺寸。放电汞灯辐射250纳米紫外光的应用,首次实现了降低光刻光源波长的需求,但随着集成电路技术节点向纳米级发展,光刻机光源也很快从近紫外波段的汞灯光源发展到深紫外波段的准分子激光。应用的主要光源从KrF准分子激光器248纳米激光,ArF准分子激光器193纳米激光到F2准分子激光器157纳米激光。当光源波长发展到157纳米,由于光刻胶和掩膜材料的局限,图形对比度低等因素,使得157纳米光刻技术的发展受到很大限制。

但研究人员发现可以作为浸没液的水对193纳米光波几乎完全透明,充人浸没液后,193纳米光源等效波长小于 157纳米,同时投影透镜数值孔径也有很大的提高。另外193纳米光刻机技术相对成熟,开发者需要重点解决的是浸没技术相关的问题,因而采用浸没技术的193纳米光源取代157纳米光源继续成为研究的热点。到了2003年,采用193纳米波长的130纳米工艺已 大规模量产,如当时的奔腾4芯片。

随着双重图形曝光技术的发展,以英特尔(Intel)为代表的芯片制造商已经宣布正式放弃157纳米的光刻技术,从90纳米工艺一直到未来的45纳米工艺都依赖于193纳米光刻技术。而随着浸没式光刻技术和分辨率增强技术的发展,光刻精度和性能不断提高。2006年国际商业机器公司(IBM)的科学家宣布,他们采用193纳米干涉浸没光刻装置NEMO,制作出29.9纳米的线条,打破了32纳米这一光学光刻极限的预言。采用浸没技术的ArF准分子激光,目前光刻节点已经达到22纳米,未来有可能进一步达到16纳米节点。通过不断创新的光刻技术,摩尔定律仍然得到了保持。

由于可选的光刻曝光光源是有限的,且每更换一种曝光波长,光刻机掩模图样和光刻胶的材料,投影物镜等系统的结构和材料都需更新,因而开发一个新波长的光刻机需要高昂的人力和物力成本,需要多个国家和公司的通力合作方能成功。相对于157纳米光刻技术,193纳米浸没式光刻技术不需要研发新的掩模、透镜和光刻胶材料,193纳米漫没式光刻机甚至可以保留现有193纳米干式光刻机的大部分组件,仅需改进设计部分分系统即可。世界上三大光刻机生产商阿斯麦(ASML)、尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司的第一代193纳米浸没式样机都是在原有193纳米干式光刻机的基础上改进研制而成的,大大降低了研发成本和风险。

用于光刻的193纳米准分子激光光源


高端光刻机具有高数值孔径、高吞吐量、高临界尺寸控制性能和低运行成本等特点,这些特点要求光刻光源具有相应的激光性能。优质光刻光源要求窄激光谱宽、高波长和能量稳定性、高平均功率和激光重频。目前193纳米的ArF准分子激光采用浸没技术,可以达到22纳米的光刻节点,并向16纳米节点延伸。成为高端光刻机的主流光源。




准分子激光器是紫外波段最强大的激光光源,是一种辐射几十纳秒脉宽的紫外放电气体激光器。准分子是激发态结合而基态离解的受激二聚体,其特点是基态不稳定,一般在振动弛豫时间内便分解为自由的粒子,而其激发态以结合的形式出现并相对稳定,以辐射的形式衰减,因而准分子激光具有高增益的特点。



准分子激光已经在国外有比较成熟的商用产品,美国的西盟(Cymer)和相干(Coherent)公司,日本的Gigaphoton公司是光刻用准分子激光的主要供应商,目前预电离放电泵浦准分子激光可以实现高重频、高功率、窄线宽的激光输出。基于 ArF准分子激光器,ASML、Nikon、Canon USA等公司已经开发出商用的光刻系统。自1972年美国劳伦斯·利弗莫尔(LawrenceLivermore)国家实验室发现波长为170纳米的Xe2准分子激光以来,已经相继获得17种准分子激光振荡,其光谱覆盖126~675纳米之间的多个波长。

单个准分子激光腔作为光刻光源难以实现窄谱线和高稳定、高能量脉冲的输出。一方面要求同一台激光器同时工作在窄线宽和高输出能量的极限条件下,另一方面高脉冲能量下紫外光学元件的退化会造成窄线宽工作的寿命下降。经研究发现双腔结构是一个很好的解决方案。其中一个放电腔产生 窄线宽但低能量的种子脉冲光源,另一个放电腔实现对种子光源的功率放大。典型的双腔结构有主振荡功率放大腔(master oscillator power amplifier,MOPA)与种子光注入锁定系统(injection locking system,ILS)。MoPA结构中,线宽压窄光学元件工作在较低的重复频率,因降低了光致热效应而延长光学元件的寿命。其次,主振荡器内仅要求产生较低能量的脉冲,更易于获得极窄线宽光谱,并有助于延长元件寿命。
以 Cymer 公司的xLA、xLR系列为代表,种子光注入锁定系统的特点是种子光在放大腔往返多次放大,其主要优点是性能稳定和运行成本低。以ILS技术为代表的有Gigaphoton公司于2004年开始进入市场的GT40A系列ArF浸没光刻机。


谱线宽度技术


由放电腔发出的原始光谱宽度达几百皮米,这样宽的光谱带宽无法满足光刻等应用的要求。以目前主流的光刻光源ArF准分子激光器为例,需要把自由振荡的500皮米左右的宽带光谱压窄至亚皮米量级。光谱带宽是影响成像能力和特征尺寸的重要因素。由于光学材料在深紫外波长区的限制,ArF光刻系统的投影棱镜将不可避免地产生色差现象。亚皮米的光谱线展宽所产生的影响也不可忽略,然而,可以通过压窄光源光谱线宽来减小色差效应。为了实现90纳米技术节点的集成电路光刻,必须使激光脉冲的线宽达到亚皮米的量级。其次,采用浸没式光刻增加数值孔径的同时,需要更窄的谱宽相匹配。第三,窄线宽可降低光源对临界尺寸的灵敏度,从而改善由于光源不稳定造成的光刻图样的不均匀。第四,较低的k,要求较窄的光谱线宽相匹配。因此,为了减小光刻的特征尺寸,提高拉曼散射效率和荧光光谱分析精度,有必要对较宽的自然光谱进行线宽压窄。

光刻光源一般采用多棱镜扩束器和大尺寸光栅组合的线宽压窄方案闪。棱镜扩束器用于分离波长并保持较小的发散角,通常使用2~4块棱镜可以实现20~40倍的光学扩束。棱镜材料为紫外波段高透过率的融石英或氟化钙,在棱镜的激光人射和出射面通常都镀有增透膜层。扩束后的光斑投射到大尺寸光栅上,棱镜组与光栅的光路组成利特罗(Littrow)结构。综合考虑棱镜的扩束率、透过率和棱镜增透的要求,棱镜的人射角通常设在68~71度之间。大尺寸光栅通常为中阶梯光栅,其较大的闪耀角有利于光谱的高阶色散和线宽压缩。扩束后的光束也可以先入射到高反平面镜再反射到光栅上,转动高反镜可改变入射到光栅的角度,从而实现激光中心波长的调谐和稳定控制。

为避免大气中氧原子对紫外激光强烈吸收造成的能量损耗,同时隔绝外界对光学元件的污染,通常把棱镜扩束器、反射镜和大尺寸光栅等光学元件装配在一个封闭的腔体内。在光刻光源中这样的腔体被称为线宽压窄模块。在光刻机工作时,线宽压窄模块内一般通有特定流量的高纯氮气或氦气。

激光的光谱宽度除了用峰值的半高全宽(FwHM)表示,同时要可以显示光谱能量95%的积分宽度(E95)。E95指标的大小及稳定性是光刻机的重要参数之一,它影响曝光系统成像能力和临界尺寸(cD)控制。Cymer和Gigaphoton最新机型的E95都小于O.35皮米。

光谱稳定技术


高重频脉冲的波长抖动和短时间内波长的漂移都会引起光谱的增宽。为减少光谱变化引起的曝光像差,光刻光源的波长测量必须要实现较高的精度(相对波长)和准确度(绝对波长)。相对波长的测量可以通过一个或多个标准具来实现。这是因为激光通过标准具形成的干涉环条纹的宽度、间距与激光的波长和线宽相关。另一方面,绝对波长的确定(波长校准)则可以将测得的相对波长与原子吸收线进行比较来实现。稳定的光谱带宽对低节点光刻应用尤为重要。由于投影镜头的色差,光谱带宽的变化将导致散焦误差,引起对比度损失和产生光学邻近误差。此外,激光腔工作气体中氟气的浓度也会影响激光的光谱宽度。在主振荡-放大结构中光谱宽度会随两腔体放电间隔时间呈近线性变化。利用这一特性,可以通过在线检测激光光谱参数,采用闭环控制系统动态调节放电间隔时间,从而实现对光谱进行短期的稳定控制。线宽压窄模块中,同样利用实时检测窄线宽激光的光谱,并动态微调光栅的衍射角,以控制中心波长和线宽的稳定性。光束均匀性技术光刻机照明系统的作用是为整个掩模面提供高均匀性照明,通过控制曝光剂量和实现离轴照明模式以提高光刻系统分辨率,增大焦深。高分辨率投影光刻的照明系统对输出光的波长、均匀性、光强等都有很高的要求,其中照明的均匀性要求为1.5%~1%。照明系统的质量直接影响到投影光刻的质量,高均匀照明技术是照明系统的主要关键技术。在对照明均匀性要求不是很高的系统中,可以通过增加补偿器来改善光照均匀度,补偿器原理是通过控制通光表面各处的透过率来提高光能分布的均匀性。为了更进一步提高输出光能分布的均匀性,照明系统中通常都采用了光学均匀器(或称光学积分器)。通常采用复眼透镜或棒状导光棒作为光学均匀器。提高均匀性的原理为将光束分割成许多细小的光束,使得每一子光束的均匀性比原有光柬的均匀性都有所提高,然后将所有的子光束在空间叠加,使各子光束的光能分布进一步得到补偿,从而较大地提高光能分布的均匀性。

在设计照明系统的光路时,首先应进行扩束的准直系统设计。由于准分子激光的光束截面呈矩形,需要将准分子激光原始的矩形光斑改变成正方形分布,需要一组柱面扩束镜进行扩束,然后由一组球面扩束镜扩束为大小较为合适的正方形的光斑,再利用徵透镜阵列器获得好的照明均匀性M。这是因为微透镜阵列分割了能量分布不均匀的激光束,利用数学的积分原理可知,许多细光束叠加就得到了能量分布较为均匀的照明。最后微透镜阵列组要与聚光镜组配合才会得到较好的照明均匀性,通常采用柯勒照明(Kohler illumination)方式,微透镜阵列组的前透镜阵列被它后面的光学系统在掩模上成像时,其后透镜阵列应该被聚光镜组在投影物镜的入瞳处成像,这样既保证了像面均匀性,又保证了与投影物镜之间的匹配。同时为了使投影系统的入瞳与照明系统的出瞳相匹配,照明系统的出瞳要在无穷远处,此时掩模应位于聚光镜组的后焦面处。微透镜阵列后组应位于聚光镜组的前焦面处,只有这样才可以保证微透镜阵列前组被它后面的光学系统成像在掩模上。另外,对于聚光镜组,因为视场与孔径角都相对较小,所以只用两片球面透镜像差就可以得到较好的校正。

对曝光系统光束能量利用率的问题和通过投影系统后激光光束整体均匀性要求,都需要一些定量的评价指标凶,如准分子激光光束均匀性评价指标主要有加工窗口、能量分数、平顶因子等。

液体浸没技术


根据瑞利公式,增大数值孔径(numericalaperture,NA)是一个提高光刻精度的有效技术途径s。漫没式光刻技术的原理是在光刻机投影物镜和晶圆上的光刻胶之间充满高折射率的液体,从而使数值孔径大于1。


对于193纳米光刻而言,传统的干式光刻机在投影物镜和晶圆之间是空气,其有效数值孔径最大仅为0.93。而水在193纳米处的折射率为1.44,并且具有较高的透过率。在曝光过程中,由于水中溶解的物质有可能沉积到投影物镜最后一个透镜的下表面或者光刻胶上,引起成像缺陷,而水中溶解的气体也有可能形成气泡,使光线发生散射和折射。因此,目前业界普遍使用价格便宜、简单易得的去离子和去气体的纯水作为第一代浸没式光刻机的浸没液体。采用水作浸没液体,可实现1.35数值孔径,光刻节点达到了32纳米。为了将浸 没式光刻技术延伸到32纳米甚至22纳米节点,应用折射率更高的液体取代水作为浸没液体。许多公司正致力于第二代浸没液体的研究,已经找到多种折射率在1.65 左有的液体。在引人第二代浸没液体后,寻找高折射率 (>1.65)的投影物镜底部透镜材料将成为进一步提高数值孔径的关键。

浸没式光刻技术已经展现出巨大的优势和发展潜力,浸没带来的一系列难题也找到了相应的对策。如液体温度的控制,压力的测量和控制,气泡的消除,光刻胶 被液体浸没产生的污染,光学系统的重新优化。浸没式光刻机将继续朝着更大数值孔径的方向发展。今后各公司将使用各种第二代浸没液体和高折射率底部透镜材料搭建实验平台进行曝光测试,分析曝光缺陷、线宽均匀性、液体的循环以及液体对成像质量的影响,找到最佳的材料,在此基础上设计更高数值孔径的浸没式光刻机,以应对更小光刻线宽的挑战。

新一代极紫外光刻光源


目前半导体公司已经进军10纳米工艺,但面临的物理限制越来越高,半导体工艺提升需要全新的设备。极紫外(EUv)光刻机是特征尺寸突破10纳米及之后的7纳米、5纳米.工艺的关键,而波长13.5纳米的极紫外光极可能成为下一代光刻光源。激光等离子体极紫外(LPP-EUv)光源由于具有较好的功率扩展能力,目前被认为是最有希望的高功率EUV光刻光源。



由于波长为10~14纳米的极紫外光在材料中被强烈吸收,其光学系统必须采用反射形式。LPP-EUv通常是采用高功率的coz激光束照射到液滴靶材(一般为 金属Sn)上,产生等离子体并辐射出紫外线。再用反射式聚光系统收集EUV辐射并投射到母版上,母版反射的EUv辐射使掩模图形再经过一个反射的成像系统,缩小投影成像到涂有抗蚀剂的硅片上。限制EU v光源功率提升的个重要难题是去除聚光镜上靶材残留物,这些残留中的Sn会导致镜面的反射率降低。除了光源外,EUv的技术难题还包括掩膜、精密光学系统及元件的制造等。

在2016年国际光学工程学会(SPIE)的先进光刻技术研讨会上,与会者认为:虽然目前EUv技术已经取得了巨大进展,但仍不适合半导体大批量生产制造。荷兰ASML公司和日本的Gigaphoton公司在EUv光源领域占据领先地位,均已具有250瓦 EUv光源的研发 能力。其中ASML公司开发了NXE:33xOB商业光刻光源,20i6年功率达到250瓦,每小时可量产125片 晶圆。而Gigaphoton公司在2016年7月展示了功率250瓦、效率4%的LPP-EUv原型样机]。但EUv作为新--代半导体工艺突破的关键,进展还是低于预期。现在三星、台湾积体电路制造公司(台积电)和英特尔的说法基本统一,预计2020年左右可实现5~7纳米节点。EUv光刻机每台价值1.1亿美元,价格昂贵但仍然受到芯片制造厂商的青睐。三星和台积电公司积极采购EUV光刻机,以谋求在7~10纳米节点采用EUV工艺来提高密度并降低成本。

光刻技术是促进集成电路及相关产业发展的关键技术。10年前一根512兆字节的内存条价格为几百元,目前同样价格买到的内存条可存储16~32吉字节。今天一个中档手机的计算性能,超过了10年前的个人微机,并以摩尔定律预计的速度在增长。光刻技术的发展大大提高了芯片的计算速度和存储量,也在改变着人们的生活。

参考文献:
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