從頭了解光刻機

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從頭了解光刻機

轉載自【2018.12.12 AA探針台 閱讀 90】

光刻是集成電路最重要的加工工藝,他的作用,如同金工車間中車床的作用。在整個晶片製造工藝中,幾乎每個工藝的實施,都離不開光刻的技術。光刻也是製造晶片的最關鍵技術,他占晶片製造成本的35%以上。在如今的科技與社會發展中,光刻技術的增長,直接關係到大型計算機的運作等高科技領域。

光刻技術與我們的生活息息相關,我們用的手機,電腦等各種各樣的電子產品,裡面的晶片製作離不開光科技束。如今的世界是一個信息社會,各種各樣的信息流在世界流動。而光刻技術是保證製造承載信息的載體。在社會上擁有不可替代的作用。

光刻技術的原理

光刻就是把晶片製作所需要的線路與功能區做出來。利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對塗有光刻膠的薄片曝光,光刻膠見光後會發生性質變化,從而使光罩上得圖形複印到薄片上,從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用,類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片,而是電路圖和其他電子元件。

光刻技術是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是採用波長為2000~4500埃的紫外光作為圖像信息載體,以光致抗光刻技術蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實現圖形的變換、轉移和處理,最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指矽片)或介質層上的一種工藝。晶片圈(微信:xinpianquan)

在廣義上,光刻包括光複印和刻蝕工藝兩個主要方面:

1、光複印工藝:經曝光系統將預製在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置,精確傳遞到預塗在晶片表面或介質層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝:利用化學或物理方法,將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質層除去,從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的,因而光刻工藝總是多次反覆進行。例如,大規模集成電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術在狹義上,光刻工藝僅指光複印工藝。

光刻技術的發展

1947年,貝爾實驗室發明第一隻點接觸電晶體。從此光刻技術開始了發展。

1959年,世界上第一架電晶體計算機誕生,提出光刻工藝,仙童半導體研製世界第一個適用單結構矽晶片。

1960年代,仙童提出CMOS IC製造工藝,第一台IC計算機IBM360,並且建立了世界上第一台2英寸集成電路生產線,美國GCA公司開發出光學圖形發生器和分布重複精縮機。

1970年代,GCA開發出第一台分布重複投影曝光機,集成電路圖形線寬從1.5μm縮小到0.5μm節點。

1980年代,美國SVGL公司開發出第一代步進掃描投影曝光機,集成電路圖形線寬從0.5μm縮小到0.35μm節點。

1990年代,n1995年,Cano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。光學光刻解析度到達70nm的「極限」。

2000年以來,在光學光刻技術努力突破解析度「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。

光學光刻技術

光學光刻是通過廣德照射用投影方法將掩模上的大規模集成電路器件的結構圖形畫在塗有光刻膠的矽片上,通過光的照射,光刻膠的成分發生化學反應,從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統能獲得的解析度直接相關,而減小照射光源的波長是提高解析度的最有效途徑。因為這個原因,開發新型短波長光源光刻機一直是各個國家的研究熱點。

除此之外,根據光的干涉特性,利用各種波前技術優化工藝參數也是提高解析度的重要手段。這些技術是運用電磁理論結合光刻實際對曝光成像進行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術、鄰近效應校正等。運用這些技術,可在目前的技術水平上獲得更高解析度的光刻圖形。

20世紀7080年代,光刻設備主要採用普通光源和汞燈作為曝光光源,其特徵尺寸在微米級以上。90年代以來,為了適應IC集成度逐步提高的要求,相繼出現了g譜線、h譜線、I譜線光源以及KrF、ArF等準分子雷射光源。目前光學光刻技術的發展方向主要表現為縮短曝光光源波長、提高數值孔徑和改進曝光方式。

移相掩模

光刻解析度取決於照明系統的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統的數值孔徑等。相移掩模技術的應用有可能用傳統的光刻技術和i線光刻機在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統方法之半的圖形,而且具有更大的焦深和曝光量範圍。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統光刻方法的局限性。

隨著移相掩模技術的發展,湧現出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術、衰減式移相掩模技術;邊緣增強型相移掩模, 包括亞解析度相移掩模和自對準相移掩模;無鉻全透明移相掩模及複合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對解析度改善最顯著, 為實現亞波長光刻創造了有利條件。

全透明移相掩模的特點是利用大於某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發生180度變化, 在移相器邊緣兩側衍射場的干涉效應產生一個形如「刀刃」光強分布, 並在移相器所有邊界線上形成光強為零的暗區, 具有微細線條一分為二的分裂效果, 使成像解析度提高近1 倍。

光學曝光技術的潛力, 無論從理論還是實踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學曝光過程中的光位相參數, 產生光的干涉效應,部分抵消了限制光學系統解析度的衍射效應的波前面工程為代表的解析度增強技術起到重要作用, 包括: 移相掩模技術、光學鄰近效應校正技術、離軸照明技術、光瞳空間濾波技術、駐波效應校正技術、離焦迭加增強曝光技術、表面成像技術及多級膠結構工藝技術。在實用化方面取得最引人注目進展的要數移相掩模技術、光學鄰近效應校正技術和離軸照明技術, 尤其浸沒透鏡曝光技術上的突破和兩次曝光技術的應用, 為解析度增強技術的應用更創造了有利條件。

電子束光刻

電子束光刻技術是微型技術加工發展的關鍵技術,他在納米製造領域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖,電路通常是以納米微單位的。電子束光刻技術不需要掩膜,直接將會聚的電子束斑打在表面塗有光刻膠的襯底上。

電子束光刻技術要應用於納米尺度微小結構的加工和集成電路的光刻,必須解決幾個關鍵的技術問題:電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現象造成的鄰近效應;在實現納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術問題。

實踐證明,電子束鄰近效應校正技術、電子束曝光與光學曝光系統的匹配和混合光刻技術及抗蝕劑曝光工藝優化技術的應用,是一種提高電子束光刻系統實際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻最主要的就是金屬化剝離,第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。第二部是將曝光的圖形進行顯影,去除未曝光的部分,第三部在形成的圖形上沉澱金屬,第四部將光刻膠去除,在金屬剝離的過程中,關鍵在於光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠,這樣有利於膠劑的滲透,形成清晰的形貌。

聚焦粒子束光刻

聚焦離子束(ed Ion beam, FIB)的系統是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器,她的原理與電子束光刻相近,不過是有電子變成離子。目前商業用途系統的離子束為液態金屬離子源,金屬材質為鎵,因為鎵元素具有熔點低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力;典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設備,外加電場於液相金屬離子源 可使液態鎵形成細小尖端,再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵,而導出鎵離子束,在一般工作電壓下,尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2,以電透鏡聚焦,經過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小,再經過二次聚焦至試片表面,利用物理碰撞來達到切割之目的。

在成像方面,聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近,其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發出的二次電子和二次離子是影像的來源,影像的解析度決定於離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號的強度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況,目前商用機型的影像解析度最高已達 4nm,雖然其解析度不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡,但是對於定點結構的分析,它沒有試片製備的問題,在工作時間上較為經濟。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大於曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性,離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001,其焦深可達100μm,也就是說,矽片表面任何起伏在100μm之內,離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1~2μm為。她的主要作用就是在電路上進行修補 ,和生產線製成異常分析或者進行光阻切割。

EUV 光刻技術

在微電子技術的發展歷程中,人們一直在研究開發新的IC製造技術來縮小線寬和增大晶片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術領域我們的科學家們對極紫外投影光刻EUV技術的研究最為深入也取得了突破性的進展,使極紫外投影光刻技術最有希望被普遍使用到以後的集成電路生產當中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產使用。

EUV是目前距實用化最近的一種深亞微米的光刻技術。波長為157nm的準分子雷射光刻技術也將近期投入應用。如果採用波長為13nm的EUV,則可得到0.1um的細條。

在1985年左右已經有前輩們就EUV技術進行了理論上的探討並做了許多相關的實驗。近十年之後微電子行業的發展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識。並且從微電子技術的發展過程能判斷出,若不早日推出極紫外光刻技術來對當前的晶片製造方法做出全面的改進,將使整個晶片工業處在岌岌可危的地步。晶片圈(微信:xinpianquan)

EUV系統主要由四部分構成:極端紫外光源;反射投影系統;光刻模板(mask);能夠用於極端紫外的光刻塗層(photo-resist)。

極端紫外光刻技術所使用的光刻機的對準套刻精度要達到10nm,其研發和製造原理實際上和傳統的光學光刻在原理上十分相似。對光刻機的研究重點是要求定位要極其快速精密以及逐場調平調焦技術,因為光刻機在工作時拼接圖形和步進式掃描曝光的次數很多。不僅如此入射對準光波信號的採集以及處理問題還需要解決。

EUV技術當前狀況

EUV技術的進展還是比較緩慢的,而且將消耗大量的資金。儘管目前很少廠商將這項技術應用到生產中,但是極紫外光刻技術卻一直是近些年來的研究熱點,所有廠商對這項技術也都充滿了期盼,希望這項技術能有更大的進步,能夠早日投入大規模使用。

各家廠商都清楚,半導體工藝嚮往下刻,使用EUV技術是必須的。波長越短,頻率越高,光的能量正比於頻率,反比于波長。但是因為頻率過高,傳統的光溶膠直接就被打穿了。現在,半導體工藝的發展已經被許多物理學科從各個方面制約了。

在45nm工藝的蝕刻方面,EUV技術已經展現出一些特點所以現在EVU技術要突破,從外部支持來講,要換光溶膠,但是合適的一直沒找到[3]。而從EUV技術自身來講,同時儘可能的想辦法降低輸出能量。

目前EUV光刻技術存在的問題

1、造價太高,高達6500萬美元,比193nm ArF浸沒式光刻機貴;

2、未找到合適的光源;

3、沒有無缺陷的掩模;

4、未研發出合適的光刻膠;

5、人力資源缺乏;

6、能用於22nm工藝早期開發工作。

EUV光刻技術前景

在摩爾定律的規律下,以及在如今科學技術快速發展的資訊時代,新一代的光刻技術就應該被選擇和研究,在當前微電子行業最為人關注,而在這些高新技術當中,極紫外光刻與其他技術相比又有明顯的優勢。極紫外光刻的解析度至少能達到30nm以下,且更容易收到各集成電路生產廠商的青睞,因為極紫外光刻是傳統光刻技術的拓展,同時集成電路的設計人員也更喜歡選擇這種全面符合設計規則的光刻技術。極紫外光刻技術掩模的製造難度不高,具有一定的產量優勢。

EUV光刻技術設備製造成本十分高昂,包括掩模和工藝在內的諸多方面花費資金都很大。同時極紫外光刻光學系統的設計和製造也極其複雜,存在許多尚未解決的技術問題,但對這些難關的解決方案正在研究當中,一旦將這些難題解決,極紫外光刻技術在大規模集成電路生產應用過程中就不會有原理性的技術難關了。

X射線光刻技術

1895年,德國物理學家倫琴首先發現了X射線,也因此獲得了諾貝爾物理學獎。X射線是一種與其他粒子一樣具有波粒二象性的電磁波,可以是重原子能級躍遷或著是加速電子與電磁場耦合輻射的產物。X射線的波長極短,1972年X射線被最早提出用於光刻技術上,X射線在用於光刻時的波長通常在0.7到0.12nm之間,它極強的穿透性決定了它在厚材料上也能定義出高解析度的圖形。

X射線光刻基礎工藝

X射線波長極短,使得其不會發生嚴重的衍射現象。我們在使用X射線進行曝光時對波長的選擇是受到一定因素限制的,在曝光過程中,光刻膠會吸收X射線光子,而產生射程隨X射線波長變化而相繼改變的光電子,這些光電子會降低光刻解析度,X射線的波長越短,光電子的射程越遠,對光刻越不利。因此增加X射線的波長有助於提高光刻解析度。然而長波長的X射線會加寬圖形的線寬,考慮多種因素的影響,通常只能折中選擇X射線的波長。

今年來的研究發現,當圖形的線寬小到一定程度時(一般為0.01μm以下),被波導效應影響,最終得到的圖形線寬要小於實際掩模圖形,因此X光刻解析度也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。

除此之外,還需要大量的實驗研究來解決X射線光刻圖形微細加工時對圖形質量造成影響的諸多因素。

射線光刻掩模

在後光學光刻的技術中,其最主要且最困難的技術就是掩模製造技術,其中1:1的光刻非常困難,是妨礙技術發展的難題之一。所以說,我們認為掩模開發是對於其應用於工業發展的重要環節,也是決定成敗的關鍵。在過去的發展中,科學家對其已經得到了巨大的發展,也有一些新型材料的發現以及應用,有一些已經在實驗室中得以實踐,但對於工業發展還是沒有什麼重大的成就。

X射線掩模的基本結構包括薄膜、吸收體、框架、襯底,其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、金剛石。吸收體主要使用金、鎢等材料,其結構圖如圖所示:

對於掩模的性能要求如下:

1、要能夠使X射線以及其他光線的有效透過,且保障其有足夠的機械強度,具有高的X射線的吸收性,且要足夠厚。

2、保障其高寬比的量,且其要有高度的解析度以及反差。

3、對於其掩模的尺寸要保障其精度,要沒有缺陷或者缺陷較少。

對於襯基像Si3N4膜常常使用低壓CVD,而常常使用蒸發濺射電鍍等方法製造吸收體。為提高X射線掩模質量需要正確選擇材料、優化工藝。

X射線光刻技術不僅擁有高解析度,並且有高出產率的優點。通過目前對X射線光刻技術應用現狀來看,要將投入量產,使其在大規模或超大規模IC電路的生產中發揮更重要的作用,突破高精度圖形掩模技術難關已經如同箭在弦上。

納米壓印光刻技術

納米壓印技術是美國普林斯頓大學華裔科學家周郁在20 世紀1995 年首先提出的。這項技術具有生產效率高、成本低、工藝過程簡單等優點, 已被證實是納米尺寸大面積結構複製最有前途的下一代光刻技術之一。目前該技術能實現解析度達5 nm以下的水平。納米壓印技術主要包括熱壓印、紫外壓印以及微接觸印刷。

納米壓印技術是加工聚合物結構最常用的方法, 它採用高解析度電子束等方法將結構複雜的納米結構圖案制在印章上, 然後用預先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案。

1、熱壓印技術

納米熱壓印技術是在微納米尺度獲得並行複製結構的一種成本低而速度快的方法。該技術在高溫條件下可以將印章上的結構按需複製到大的表面上, 被廣泛用於微納結構加工。整個熱壓印過程必須在氣壓小於1Pa 的真空環境下進行, 以避免由於空氣氣泡的存在造成壓印圖案畸變,熱壓印印章選用SiC 材料製造, 這是由於SiC非常堅硬, 減小了壓印過程中斷裂或變形的可能性。

此外SiC 化學性質穩定, 與大多數化學藥品不起反應, 因此便於壓印結束後用不同的化學藥品對印章進行清洗。在製作印章的過程中, 先在SiC 表面鍍上一層具有高選比( 38&1) 的鉻薄膜, 作為後序工藝反應離子刻蝕的刻蝕掩模, 隨後在鉻薄膜上均勻塗覆ZEP 抗蝕劑, 再用電子束光刻在ZEP 抗蝕劑上光刻出納米圖案。為了打破SiC 的化學鍵, 必須在SiC 上加高電壓。最後在350V 的直流電壓下, 用反應離子刻蝕在SiC 表面得到具有光滑的刻蝕表面和垂直面型的納米圖案。

整個熱壓印過程可以分為三個步驟:

( 1) 聚合物被加熱到它的玻璃化溫度以上。這樣可減少在壓印過程中聚合物的粘性, 增加流動性,在一定壓力下, 就能迅速發生形變。但溫度太高也沒必要, 因為這樣會增加升溫和降溫的時間, 進而影響生產效率, 而對模壓結構卻沒有明顯改善, 甚至會使聚合物彎曲而導致模具受損。同時為了保證在整個壓印過程中聚合物保持相同的粘性, 必須通過加熱器控制加熱溫度不變。

(2) 在印章上施加機械壓力, 約為500 ~1000KPa[ 9] 。在印章和聚合物間加大壓力可填充模具中的空腔。

(3) 壓印過程結束後, 整個疊層被冷卻到聚合物玻璃化溫度以下, 以使圖案固化, 提供足夠大的機械強度, 便於脫模。然後用反應離子刻蝕將殘餘的聚合物( PM�MA) 去掉, 模板上的納米圖案完整地轉移到矽基底表面的聚合物上, 再結合刻蝕技術把圖形轉移到矽基底上。

2、紫外壓印光刻技術

紫外壓印工藝是將單體塗覆的襯底和透明印章裝載到對準機中, 在真空環境下被固定在各自的卡盤上。當襯底和印章的光學對準完成後, 開始接觸壓印。透過印章的紫外曝光促使壓印區域的聚合物發生聚合和固化成型。

與熱壓印技術相比, 紫外壓印對環境要求更低, 僅在室溫和低壓力下就可進行,從而使用該技術生產能大大縮短生產周期, 同時減小印章磨損。由於工藝過程的需要, 製作紫外壓印印章要求使用能被紫外線穿過的材料。

以往紫外壓印工藝中印章是用PDMS 材料塗覆在石英襯底上製作而成。PDMS 是一種楊式模數很小的彈性體, 用它製作的軟印章能實現高解析度。然而在隨後的試驗中發現由於PDMS 本身的物理軟性, 在壓印過程中在外界低壓力下也很容易發生形變, 近來, 法國國家納米結構實驗室提出使用一種3 層結構的軟性印章, 以減小紫外壓印印章的形變。

該印章使用2mm 厚的石英襯底, 中間一層是厚度為5mm 的PDMS 緩衝層, 頂層是由PMMA 構成。具體製作印章步驟是先將PMMA 均勻塗覆在被離子激活的PDMS 材料上, 在PMMA 上鍍上一層30nm厚的鍺薄膜作為後續工藝中的刻蝕掩模, 再在鍺薄膜上塗覆對電子束靈敏度高的抗蝕劑, 隨後用電子束光刻及反應離子刻蝕就可在印章頂層PMMA 上得到高縱橫比的圖案, 最後將殘餘鍺薄膜移去即可。使用該方法可以在保持高解析度情況下大大提高印章的堅硬度, 減小印章壓印形變。

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