光刻技術的進展

1、基于光刻技術的微細加工技術進展 微光刻技術的發(fā)展貝爾實驗室發(fā)明第一只點接觸晶體管。從此光刻技術開始了發(fā)展。世界上第一架晶體管計算機誕生，提出光刻工藝，仙童半導體研制世界第一個適用單結(jié)構(gòu)硅晶片。1947195960年代仙童提出CMOS IC制造工藝，第一臺IC計算機IBM360，并且建立了世界上第一臺2英寸集成電路生產(chǎn)線，美國GCA公司開發(fā)出光學圖形發(fā)生器和分布重復精縮機。70年代1978GCA開發(fā)出第一臺分布重復投影曝光機，集成電路圖形線寬從1.5m縮小到0.5m節(jié)點。80年代美國SVGL公司開發(fā)出第一代步進掃描投影曝光機，集成電路圖形線寬從0.5m縮小到0.35m節(jié)點。90年代Canon19

2、95年著手300mm晶圓曝光機，推出EX3L和5L步進機，ASML推出FPA2500，193nm波長步進掃描曝光機。光學光刻分辨率到達70nm的“極限”。2000以來在光學光刻技術努力突破分辨率“極限”的同時，NGL正在研究，包括極紫外線光刻技術，電子束光刻技術，X射線光刻技術，納米壓印技術等。光學光刻2020世紀世紀7080年代，光刻年代，光刻設備主要采用普通光源和設備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級以上。征尺寸在微米級以上。90年代以來，為了適應年代以來，為了適應IC集集成度逐步提高的要求，相成度逐步提高的要求，相繼出現(xiàn)了繼出現(xiàn)了g譜線、譜線、h

3、譜線、譜線、I譜線光源以及譜線光源以及KrFrF、ArFrF等等準分子激光光源。目前光準分子激光光源。目前光學光刻技術的發(fā)展方向主學光刻技術的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑和改進長、提高數(shù)值孔徑和改進曝光方式。曝光方式。、Ar超微粒干版制備技術鉻版制備技術氧化鐵版制備技術 掩膜板制備工藝193nm光刻技術2004 年 12 月 TSMC 和 IBM 分別宣布成功利用 193 nm 浸液式光刻技術生產(chǎn)出全功能的芯片。IBM 制造出了基于功率器件結(jié)構(gòu)的 90 nm 微處理器的關鍵層，而 TSMC 則制造出了 90 nm SRAM芯片的關鍵層。均使用 ASML

4、 TwinScan AT:1150i 浸液掃描式光刻機 （ 數(shù)值孔徑 0.75） 。 2005 年 TSMC 的制造工廠里安裝 ASML 的第二代浸液式曝光設備 XT:1250 i （數(shù)值孔徑 0.85），并介紹了使用這臺設備進行 65 nm 工藝的研發(fā)情況。 2006 年 1 月份Nikon 推出了第一臺量產(chǎn) ArF 浸液式掃描光刻設備 NSR-S609B（數(shù)值孔徑1.07）。用于55 nm 節(jié)點的內(nèi)存產(chǎn)品的量產(chǎn)并用于研發(fā)下一代 45 nm 節(jié)點的關鍵技術。德州儀器 (TI)也發(fā)布了 45 nm 半導體制造工藝的細節(jié)，該工藝采用濕法光刻技術2007， IBM 宣布通過與美國 JSR Micr

5、o 公司合作， 利用 ArF 浸液式曝光完成了線寬與線間隔為 29.9 nm 的圖形成像。2011之前Nikon 推出S620D 193nm液浸式光刻機（數(shù)值孔徑1.25），這種光刻機可供32nm及以上規(guī)格節(jié)點制程使用，由Intel使用開發(fā)其22nm節(jié)點制程邏輯芯片產(chǎn)品.Nikon 又推出S621D 193nm液浸式光刻機（數(shù)值孔徑1.25），其性能是根據(jù)14nm制程的要求制定的。極紫外（EUV）光刻技術1984年，日本電信株式會社（NTT開始嘗試性開展研究軟X射線縮小投光刻技術研究，并且在1986年里有鍍有多層膜的施瓦茲席爾德（Schwarzschild）光學系統(tǒng)及12.5nm軟X射線光源光

6、刻出2m線寬的圖形，其縮小倍率為1：8。1989年，IBM、ATT、Ultratech Stepper和Tropel表示出了對SXPL極大的興趣，于是舉行了一次SXPL學術論壇。同年NTT在同一系統(tǒng)上光刻出0.5m線寬的圖形；1990年，美國貝爾實驗室利用14nm的光源光刻出50nm線寬圖形，其縮小倍率為1：20。1992年，NTT公司研制成功帶有掃描機構(gòu)的、曝光現(xiàn)場為20mm20mm的樣機。1993年此項技術正是更名為極紫外光刻技術（EUVL）。1998年底，歐洲共同體的EUVL研究計劃也正是開始啟動，該研究項目由ASML公司牽頭，Carl Zeiss公司和Oxford Instrument

7、s公司參與，其目的是評估EUVL在70nm光刻分辨率及70nm以下光刻分辨率的可行性。2015，ASML在今年第四季度批量出貨20nm、16nm、14nm工藝的相關制造設備。推出NXE:3300B光刻機，準備10nm節(jié)點上應用極紫外光刻。尼康也一直在開發(fā)自己的商用EUV光刻工具，并將EUV光刻機被命名為EUV1. 目標11nm節(jié)點的光刻機。同時，尼康聯(lián)合佳能公司共同開發(fā)EUV技術。EUVL主要由光源、縮微光學系統(tǒng)、掩模光刻膠和光刻機等部分組成。光源來源同步輻射激光等離子體光學系統(tǒng)：采用反射式曝光方式在13.013.5nm范圍內(nèi)，目前最好的多層膜涂層材料是Mo/Si和Mo/Be。Mo/Si在EU

8、V波長范圍垂直入射反射率可以達到65.5%在11.111.5nm范圍內(nèi)，Mo/Be多層結(jié)構(gòu)在垂直入射時的反射率達到68%。掩膜分子玻璃(MG)2，具有短酸擴散長度的光致產(chǎn)酸劑（PAG），高吸收樹脂等。光刻膠EUV光刻技術優(yōu)點：光刻分辨率高，至少可以達到30nm以下；有一定的產(chǎn)量優(yōu)勢；圖形縮小掩模技術可以使掩模制作難度下降；具有傳統(tǒng)光學光刻技術的延伸性；缺點：光學系統(tǒng)設計與制造相當復雜，無缺陷反射掩模的制造也是一個極大的技術挑戰(zhàn)。在設備、掩模、工藝等諸多方面的成本相當高。X射線光刻技術1972 年， Spears 和 Smith 發(fā)表了第一篇有關 X 射線光刻的論文。 1994 年，美國的 IB

9、M 和 Motorola 公司合作開發(fā) X 射線光刻技術。1999年 ，美國JMAR 公司推出0.13m標準 的 X射線光刻設備 XRS2000，配備點光源生產(chǎn)100mm晶圓，進入生產(chǎn)線的 技術。2000以后，由光學光刻 技術的迅猛發(fā)展，以及第一代 PXL 技術很難滿足65nm及其以下光刻技術節(jié)點的要求，產(chǎn)生第二代PXL技術，其分辨率可以達到35nm。X射線光源同步輻射源：可供多臺光刻機使用，波長0.6nm1.0nm點光源：單臺使用，波長0.8nm1.4nm掩膜目前國際上研究應用的薄膜襯基材料主要有硅、氮化硅、碳化硅、金剛石等，而吸收體材料除廣泛使用的金之外，還有鎢、鉭、鎢-鈦等。IBM 、M

10、otorola、東芝、NEC、三菱和NTT 采用的是 SiC/ T a 掩膜標準, 也有用 SiC/ W 系統(tǒng)的。光刻膠X射線光刻膠有聚1，2-二氯丙烯酸、聚丁烯砜等。X光刻技術XRL的優(yōu)點:(1)高分辨力 ;(2)大焦深和大像場等;(3)分辨力可達 40 nm , 它可用于ULSI 、 納米加工和 M EM S 等 。XRL的缺點:(1)采用大型的 、昂貴的同步加速器 , 巨額耗資 , 對量產(chǎn)IC工藝難以接受； (2)高集成的 1 倍掩模版難制作; (3)與光學光刻機相比 , 生產(chǎn)效率極低 。XRL的第一個缺點，JMAR 公司用遠紫外線光源替代價格昂貴的同步加速器 X 射線光源 , 使 XR

11、L 光刻機有了重大突破 , 離實用化走得更近了 。但到目前為止 , X 射線掩模版的直徑最大僅為 20 30 mm ,故有人認為 , XRL 成為下一代光刻技術的主流技術是不可能的 , 在已商業(yè)化的 Si 工藝技術中沒有立足之地 。電子束光刻技術l 20 世紀 60 年代，電子束光刻技術 ( EPL) 是在顯微鏡的基礎上發(fā)展起來的 , 由德意志聯(lián)邦共和國杜平根大學的 G . M ollenstedt 和R . Speidel 提出 。l 1968年，日本電子公司成功研制出第一臺掃描電子束光刻機。l 20世紀80年代初，IBM公司提出了電子束縮小投影光刻的概念。l 20實際90年代以來，美、日的

12、一些研究部門采用電子束曝光技術，相繼研制成功0.1m的CMOS器件、0.04m的MOST及0.05m的HEMT器件。電子束光刻技術電子束直寫技術SCALPEL技術電子束直寫技術2004年9月，朗訊貝爾實驗室聯(lián)合杜邦掩膜，Lincoln實驗室，并與ASML合作，將無掩膜刻蝕系統(tǒng)特征尺寸縮小到50nm2005年，奧地利的IMS Nanofabricution與德國的Lecia Microsystems AG推出PLM2。PLM2基于Lecia公司直接寫入電子束平臺SB350DW。PLM2，覆蓋精確度為20nm。直寫技術不需要掩膜，直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。電子束光刻膠主要為聚

13、甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、甲基丙烯酸縮水甘油醚酯-丙烯酸酯共聚物、氯甲基化聚苯乙烯等，電子束膠的研究水平已經(jīng)達到了0.07m的水平，其0.1m技術用電子束膠已批量生產(chǎn)。SCALPEL技術1964年年, ,電子束投影曝光技術的電子束投影曝光技術的開始開始研究研究。1975年，由美國IBM公司作出實驗結(jié)果，其原理與普遍光縮小式投影曝光相似，只是用電磁“透鏡”代替光學透鏡。SCAPEL系統(tǒng)具有和光學光刻可以比擬的生產(chǎn)率，且其加工能力優(yōu)于0.08m。SCALPEL的極限約為35 nm。SCALPELSCALPEL掩模版由低原子系數(shù)的薄膜（厚度在掩模版由低原子系數(shù)的薄膜（厚度在10001500m）SiN

14、x和高原子系數(shù)的和高原子系數(shù)的Cr/W（厚（厚度在度在250500m）組成，）組成，SiNx薄膜將電子微弱薄膜將電子微弱地小角度散射，而地小角度散射，而Cr/W將電子強散射到大角度。將電子強散射到大角度。納米壓印光刻技術納米壓印技術是1995年美國普林斯頓大學的華裔科學周郁提出的 。 國外普林斯頓大學、德克薩斯大學、哈佛大學、密西根大學、林肯實驗室、摩托羅拉、惠普公司及瑞士的 Paul Schemer 研究所、德國亞琛工業(yè)大學等眾多知名大學和研究機構(gòu)都在致力于納米壓印光刻技術的研究、開發(fā)與應用。目前全世界已有五家納米壓印光刻設備提供商: 美 國 的 Molecular Imprints Inc、Nanonex Corp，奧地利的 EV Group，瑞典的 Obducat AB和德國的 Suss Microtec Co Inc。目前國內(nèi)已有很多單位在研究納米壓印技術，主要研發(fā)單位包括西安交通大學、復旦大學、北京大學、南京大學、吉林大學、 上海交通大學、 蘇州大學和中科院等。納米壓印技術熱壓印技術紫外光固化納米壓印技