光學光刻設備發展和展望

李立文

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光學光刻設備發展和展望

李立文

（杭州士蘭集成電路有限公司，浙江杭州，310000）

摘要：在半導體技術和制造的發展中，半導體加工技術中最為關鍵的光刻技術和光刻工藝設備， 必將發生顯著的變化，本文將對光刻技術和光刻設備的發展歷史進行簡述，并展望未來光刻技術的趨勢。

關鍵詞：光學光刻；設備；發展

1 光刻機的發展概況

多年以來，集成電路技術的發展始終是隨著光學光刻技術的不斷創新所推進的。在摩爾定律的驅動下，光學光刻技術經歷了接觸/接近（Mask Aligner）、掃描等倍投影、步進投影、縮小步進投影（Stepper）、步進掃描投影（Scanner）曝光方式的變革，曝光波長由436nm的h 線向365nm的i 線、繼而到248nm的KrF到193 nm 的ArF準分子光源，技術上跨越了1 μm、0.5 μm、0.18μm、90 nm、65 nm、45 nm 等節點。

2 光刻機的發展歷史

2.1 接觸/接近（Mask Aligner）

初期的光刻機，其原理：對準部分用是用一個晶圓尺寸大小的掩膜版放置在一個正空晶圓載片盤上，晶圓被放置到再片盤上后，通過一個拼合視場的物體顯微鏡進行觀看（圖一），顯微鏡可以讓操作員同時看到掩膜版的和晶圓的的對準標記和圖形的重合情況，通過手動控制，可以左右、上下甚至轉動載片盤，直到圖形對準。對準完成后，活塞控制晶圓和掩膜版接觸，然后由反射和透鏡系統得到平行紫外光穿過掩膜版照在光刻膠上。接觸式光刻機被其他光刻機取代的主要原因是：（1）接觸會破壞較軟的光刻膠層或掩膜版，光刻膠和掩膜版的缺陷帶來的良率問題。（2）無法解決更大直徑的晶圓對準時的光強均勻性問題，造成圖形尺寸的變異和對準問題。

圖一 接觸/接近式光刻機原理

接近式光刻機就是在解決接觸式光刻機的接觸問題而自然演變出來的，其本質仍然是一個接觸式光刻機，但增加了使晶圓和可以近距離或軟接觸掩膜版的機械裝置。接近式光刻機雖然大大減少了接觸導致的光刻膠和掩膜版損壞，而提升良率。但分辨率和光強均勻性的問題仍然限制了其在更高集成度要求和更小特征圖形尺寸上的使用。

2.2 掃描等倍投影

圖二 掃描等倍投影式光刻機原理

接觸式光刻機的末期，一直以來有一個替代方案再被研究，就是試圖將掩膜版上的圖形像幻燈片一樣投影到晶圓表面。但這一技術需要需要一個極佳的光學系統，直到20世紀70年代中期，掃描投影光刻機才將這一想法成功實現。

投影掃描式光刻機為了解決全局掩膜投影曝光產生的問題，采用了一個帶有狹縫的反射鏡系統，狹縫使使更加均勻的一部分光刻照射在反射鏡系統上，又投影到晶圓上（圖二）。由于狹縫尺寸比晶圓小，因此光束需要在整個晶圓上進行均勻掃描。

2.3 縮小步進投影（Stepper）

掃描投影式的光刻機雖然比接觸式光刻機在技術上有很大的飛躍，但隨著亞微米級工藝的發展，其全局掩膜，圖形失真和對準問題，越來越突出。因此步進投影式光刻機應運而生。

縮小步進投影光刻機，設備復雜度開始大幅提升，其原理是將掩膜版的投影，經過縮相處理（通常為4X或5X），投影到晶圓表面成為一個單元，然后承載晶圓的平臺不斷移動重復，直至完成整個晶圓的曝光?？s小步進投影光刻機成功的克服了全局掩膜版帶來的一系列問題，并且通過縮相原理，可以大幅提升掩膜版制造的精度，因此很快就取代了前一代光刻機?？s小步進投影光刻機成熟后，由于其技術先進性，當時全球有20多家公司投入了步進光刻機的制造和研究。

2.4 縮小步進掃描投影（Scanner）

伴隨著0.35μm以下的工藝開發，縮小步進投影式光刻機也開始不能滿足技術要求，即使在過渡時期，在最好的縮小步進投影式光刻機上使用了248nm的KrF準分子激光光源，也只能勉強做到0.35μm的技術節點要求。另外為了降低成本，晶圓尺寸從5英寸、6英寸擴大到8英寸和12英寸，此時縮小步進投影式光刻機的每個單元的尺寸越小，需要在晶圓上重復的次數越多，越影響光刻機的效率。而增大單元尺寸對于投影鏡頭的均勻性很難保證。為了解決這些問題，1991 年美國SVG 公司推出了步進掃描曝光機，它集縮小步進投影光刻機的高分辨率和掃描投影光刻機的大視場、高效率于一身，更適合0.18μm線條的大規模生產曝光。其在原本縮小步進投影光刻機的基礎上，增加了掩膜版同步掃描功能，因此只使用了投影鏡頭的中心很窄的一部分，可以在增大單元尺寸的同時，很好的保證投影圖形轉移的均勻性。

3 光刻機技術的展望

當紫外光刻技術達到極限后，各大廠商和研究機構對下一代的光刻機進行研究，初期的研究方向有幾個：（1）極紫外光刻技術（EUV），這種曝光光源的波長在11 ～14 nm 。波長在1 ～50 nm的光波覆蓋紫外線和X 射線區域。所以使用這一波長范圍的曝光技術也被稱

為極紫外曝光或者軟X 射線曝光。其主要的研發難點在于仍然要依托于光學系統，但能作為EUV光刻機的鏡頭的材料非常少，另外就是掩膜版需要多層金屬涂覆才能使用。（2）X-射線技術。當曝光波長降低到5 nm以下時， 屬于X 射線范圍， X 射線范圍的波長比UV 的波長要短， 因而在光刻工藝中可以得到更高的光刻分辨率。但是由于X 射線不能像普通光源那樣通過透鏡和反射鏡等光學系統進行聚焦，因此使用該技術，所有的工藝流程需要重新設計。另外一個應用難點在于掩膜版的制作，X射線會穿透暢通的玻璃和鉻制作的掩膜版，必須用金一類的金屬來做阻擋層，造價昂貴，工藝復雜。（3）電子束曝光技術（E-BEAM）。

廣泛應用于掩模版制造電子束曝光技術，其的波長依賴于電子能量，能量越高，曝光的波長越短。因此具有傳統光學曝光技術所達不到的分辨率。但由于其低下的生產效率，很難大規模應用于半導體晶圓生產。（4）離子束曝光技術（IPL）。同電子束曝光技術一樣， 離子束曝光技術的分辨率也遠遠超過了傳統的光學曝光技術。由于離子質量比電子大， 所以散射比電子少得多， 因為不存在鄰近效應。離子束刻蝕固有地比電子束刻蝕具有更高的分辨力。但其也有效率低下和系統的穩定性等問題，因此其發展還要落后于電子束曝光技術。

4 結語

從90nm工藝時，就有很多人開始一次次質疑，摩爾定律是否還能繼續延續，但不論是否能夠延續，其就是半導體行業一直追尋且為之不斷努力的準則，光刻技術也是因為摩爾定律一次又一次進行著技術革新。

Development and Prospect of optical lithography equipment

Li Liwen
（Hangzhou Silan integrated circuit Co. Ltd.Zhejiang Hangzhou，310000）

Abstract：In the development of semiconductor technology and manufacturing，semiconductor processing technology in the most critical lithography and lithography process equipment，will have significant change，this article will for lithography and briefly describes the development history of lithography equipment，and looking forward to the future trend of lithography.

Keywords：optical lithography；Equipment；The development of