光刻机的演变及今后发展趋势 - 文章

光刻机的演变及今后发展趋势

作者：中国科学院电工所李艳秋

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摘　要：微电子技术的发展一直是光刻设备和技术变革的动力，21世纪光刻技术将继续居于诸多技术之首。本文通过介绍光刻机的演变和所面临的挑战，揭示下一代光刻设备的发展潜力，通过比较浸没式光刻、极紫外光刻机和电子束曝光机的开发现状和特点，预言将来利用极紫外光刻机、电子束曝光机和光学光刻机的结合，实现工业需要的各种图形的制备。
关键词：光刻机　下一代光刻机　极紫外光刻　电子束曝光　微电子技术

进入信息时代的21世纪，微电子技术仍然是信息产业的主要技术支撑之一。20世纪，MOS集成电路已成为微电子产业的核心，它在向高集成度和低成本方向发展的过程中，遵循着Intel 公司创始人之一Gordon E. Moore预言的发展规律：即集成电路的集成度每三年增长4倍，特征尺寸每三年缩小√2倍（摩尔定律）[1]，这一预言的实现和持续，带动了半导体制造设备的不断革命，其中，光刻机的演变以及今后发展趋势充分体现了近二十年集成电路的发展历程和今后的发展需求。本文通过从80年代第一台G－Line(436nm)光刻机到ArF（193nm）等传统光刻机的演变和目前传统光刻机面临的挑战，揭示下一代光刻机(NGL: Next Generation Lithography) 的发展潜力和趋势。

1 传统光刻机的演变和所面临的挑战

光刻机是诸多现代技术高度集成的产物，这些技术是：物理学，光学，化学，材料科学，精密机械，精密控制，工程学等等。在过去的20几年中，光刻机作为半导体制造业的重要设备，经历了许多次革命。这些变革是伴随着微处理器和DRAM特征尺寸的不断缩减发生的演变。由于光刻的分辨率与曝光波长、物镜光阑孔径的关系为：分辨率=K1λ/NA所以光刻机的革命主要发生在这样几个方面[2－8]：大NA非球面镜光学系统，短波长光源，分辨率增强技术（降低K1因子），同步扫描工件台等。

20多年前，日本尼康生产的第一台光刻机是NSR 1010 G型光刻机，如图1所示，曝光波长为436nm，分辨率为1μm，曝光面积为10×10mm，其产率对100mm硅片来讲是每小时20片[9]。2003年，ArF（光源波长193nm）光刻机的分辨率达到0.1μm，其产率对300mm硅片来讲是每小时100片。图2～4给出了每一代光刻机的光源波长、分辨率、NA和K1的演变过程。

图1 第一台光刻机G－Line（436nm）

图2 几种光刻机分辨率的演变

图3 几种光刻机NA的演变

图4 几种光刻机K1因子的演变

图2～4表明，20多年中，商品化光刻机分辨率从1.0μm到0.1μm的演变过程和光源波长从436nm(G－line), 经历356nm(I－line)和248nm(KrF)，到如今193nm(ArF)的过程；NA从0.35经历了0.45、0.55、0.6、到0.85； K1因子的变化由0.8～0.4。20世纪末开始，微处理器和DRAM特征尺寸的缩减呈现了加速和偏离摩尔定律的趋势[2]，这更加速了光刻机的变革步伐。然而，短波光学系统设计加工及相关的材料的开发、NA的继续增加和K1因子的不断减小正面临着一系列的挑战，例如：大NA光学系统将导致焦深的减少，造成工件台和环境的控制更加苛刻、要求物镜波面差更小。较低的K1因子，导致掩膜误差因子(MEF)的增大，造成复制图形精度和保真度的下降[10]。表1给出了几代光刻机分辨增强技术、NA和相应的K1因子的变化，K1<0.25时，根本得不到复制的图形。传统光学光刻进一步提高分辨率遇到了困难，DRAM最小特征尺寸继续向70nm以下延伸的使命将由下一代曝光机(NGL)的介入才能完成。

表1 光刻机分辨率的可延展范围

2 下一代光刻机（NGL）的发展潜力

90年代，研究者们曾经将X－线光刻、离子束光刻，极紫外光刻（EUVL：Extreme Ultraviolet Lithography,λ=13nm）电子束曝光机(Electron Beam Projection Lithography)纳入到NGL系列，然而，NGL的几个候选设备在经历了几年的赛跑后，在2001年NGL Workshop 中只留下了EUVL和EPL。同时，由于浸没式物镜的引入，使光学光刻可能实现90nm以下特征尺寸的复制，2003年7月ITRS会议中，插入浸没式光刻，实现DRAM 90～22nm技术。图5表明了NGL中浸没式光刻、EUVL 和EPL的发展潜力。

图5 下一代光刻机发展潜力

2.1 浸没式光刻（Immersion Lithography）
2001年6月EIPBN会议上，来自MIT的Michael Switkes and M. Rothchild 首次将浸没透镜应用F2到光刻机的物镜设计中[11]，2002年，浸没透镜应用到ArF光刻机的物镜设计，实现NA=nsinθ=1.3，使ArF光刻机进一步向高分辨率方向延展在概念上成为可能。浸没透镜的概念和原理是：高折射率(n>1)液体充满物镜的最后一个透镜与抗蚀剂和硅片之间，使数值孔径NA≈1.3,相当于有效曝光波长（λeff=λ0/n）缩小1.5倍, 在ArF光刻机的曝光波长、掩模、抗蚀剂、透镜材料和设计均不变的情况下，应用浸没透镜设计的ArF光刻机所能达到的分辨率相当于127nm曝光波长光刻机能达到的效果，实现65～45nm分辨率。Nikon、 Canon和 ASML也开始研究浸没式ArF光刻机在工程上的可行性，并在2003年2月SPIE 会议上公开了研究活动[12]。但是，浸没透镜式ArF光刻机仍然面临增大NA和降低k1因子导致的焦深（DOF）减少和掩模误差因子的增加，利用Prolirh 8.0计算：CD=65nm(90nm)，NA=1.35时，DOF≈170nm(200nm)，同时，工程上的许多问题有待解决，例如：1液体光学参数的稳定性（dn/d[temperature]，dn/d[pressure]）；2液体气泡（空腔）问题；3液体、气体、硅片和工件台之间的相互作用；4与空气中工作ArF光刻机相比，液体中的工件台需要很大的变化。如果这些工程性问题能够解决，浸没透镜式ArF光刻可能成为NGL技术，继续延展传统光学到65nm光刻时代。

2.2 极紫外光刻（EUVL）

EUVL和EPL在向100nm以下延伸时，不会面临传统光刻机增大NA和降低K1因子所面临的难题。表2给出了EUVL分辨率、NA和K1因子之间的关系，NA=0.25, K1=0.84,λ=13nm,可以实现45nm的分辨率。

表2 大的K1因子和小NA可以实现45nm的EUVLβ－tool

佳能EUV光刻机开发的示意图如图6，考虑到由100nm到35nm的多代延伸性，物镜由6个反射镜组成（NA>0.25），可实现50～35nm的分辨率，它的另一优势是可以利用KrF光刻胶。但是，在工程上，EUVL还面临许多有待解决的关键技术。为了分辨率达到50～35nm和高产率，必须设计较多的非球面镜来补偿大NA和大视场带来的像差，这样，对非球面镜所需的材料、加工精度、计测检验精度、镀膜制作和工艺允许度等方面要求很苛刻，国际上，现有技术还无法满足其要求，有待进一步开发。50～35nm的线宽目标，对小粒度、几乎无缺陷、大面积、均匀、高度平滑反射掩模的各种精度要求，给EUVL掩模制作带来极大的挑战和成本的剧增。量产80片/小时（光刻胶灵敏度：7mJ/cm2）需要满足相应照明和成像系统要求的大功率光源，目前还没有得到解决。工作波长35％的入射光，被非球面镜的多层膜吸收，导致镜面、掩模、硅片和系统的变形而影响成像质量，这些工程性的问题所涉及到的关键技术，目前也没有的到解决。大功率照射下的EUV反射镜的多成膜产生的污染和反射镜散射等，将进一步导致EUVL面临更多的工程性问题。 EUVL技术向高分辨率延伸性的实现，取决于这些工程性难题最终解决的程度。但是，这些困难和挑战给EUVL带来广阔的研究攻关领域。

图6 实现 45～35nm分辨率和高产率的EUVL光刻示意图

图7 大面积曝光的电子束投影曝光示意图

2.3 电子束光刻（EPL）

电子束由于其Broglie波长极短和易于控制，一直受到重视，它是最早进入纳米领域的光刻手段。用计算机直接产生图形无需掩模的电子束直写曝光机，早已应用到掩模制备和微纳加工研究领域。但是电子束直写曝光机制备图形的生产率较低（曝光场太小），主要用于制备掩模板，一直无法用于大批量IC芯片制作。为了解决高分辨和高产率的问题，IBM 和Nikon 自1995年合作开发了一种可变轴电子束缩小投影曝光机，其大场下高分辨率曝光的原理如图7所示。电子枪发出的高能电子束（100keV，波长约4pm，衍射极限δ(Blur)=0.61λ/sinα=0.48nm,α=5mrad），经过带有偏转器的照明系统均匀到达掩模，再由带有偏转器的缩小投影物镜，将掩模上的图形复制到硅片上。偏转器的设计使偏转电子束在每一个子场内（0.25mm）具有一个可变的光轴，同时使子场曝光遍布5mm主场内，实现若干个子场的曝光，然后，移动工件台实现5mm主场的拼接，最终实现整个硅片内的曝光。但是，由于大束流电子束的库仑作用，使高分辨率电子束曝光机无法工作实现和光学曝光机相当的产率，低产率仍然是限制其大规模应用的主要因素。但是, 由于其具有光学曝光机不可比拟的高分辨率和大焦深, 所以，在精细图形复制和小批量IC应用（如特种军事）领域，或芯片制备时高分辨接触孔的加工, 具有其它光刻机不可取代的作用。

3 结　论

本文通过光刻机的演变和今后发展趋势，表明传统的光学光刻设备，在实现90nm以下的分辨率所面临的挑战。这些挑战不仅使光学系统在设计和加工上面临极大的困难。浸没式光刻、EUVL和EPL作为下一代曝光机，展现其分辨率向90～35nm延展的潜力。通过比较EUVL和EPL的研究开发现状和各自的特点，预言将来可能是以EUVL＋EPL＋某种常规光刻机进行“结合＋匹配”的方式，来实现各种图形的制备。

致谢　中国科学院引进国外杰出人才计划经费支持。

参考文献
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[12]Mark LaPedus, ASML, Canon, Nikon take dip into immersion lithography,www.siliconstrategies.com/story/ Semiconductor Business News (02/27/03 11:02 p.m.EST), 2003年1月，作者访问Nikon 和Canon的内部报告

作者简介　李艳秋，女，研究员，博士导师，中国科学院“引进国外杰出人才”入选者，现从事微纳技术及应用研究。国内外从事教学和科研20余年，负责多项国内外研发项目，申报发明专利5项，完成光刻机光学设计3项，发表学术论文近60篇，中科院项目的首席科学家,国家863课题负责人和顾问专家。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/8/2005)


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