光刻技术研究进展

本文介绍近年来光刻技术的发展概况及遇到的问题。讨论了下一代光刻技术的基本应用及技术难点。

光刻技术研究进展

林奕宏 19920111152761

（厦门大学 非硅微纳研究所，物理与机电学院，福建 厦门 361005）

摘要：本文介绍了光刻技术研究进展，讨论了传统光刻技术和下一代光刻技术的基本应用及技术难点。介绍了深紫外线光刻、角度限制散射投影电子束光刻（SCALPEL）、聚焦离子束直写光刻和接近式X射线光刻等技术的发展近况，对未来光刻技术走向进行展望。

关键词：光刻；下一代光刻技术；深紫外线光刻；角度限制散射投影电子束光刻；聚焦离子束光刻；接近式x射线光刻

A review on Lithography

Abstract：We have studied the latest research progress of lithography. The next generation lithography(NGL) such as Extreme ultraviolet lithography, Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithograph, Focused ion beam lithography and Proximity X-Ray Lithography were also be researched in this article. The obstacle of NGL in its developing is presented. Finally, we made an outlook of NGL

Keywords：Lithography; NGL; EUVL; SALPEL, FIBL; PXL

一． 引言

从第一个晶体管问世算起，如图1，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着强劲的发展态势，随着集成电路技术的发展，器件的最小特征尺寸逐渐缩小，由此带来了各方面的科学技术难题。目前的光刻技术还能够满足芯片尺寸缩小的变化趋势，但光学光刻的分辨力已经难以满足快速发展的半导体产业的技术需求，随着集成度的继续提高,光刻技术也将面临着愈来愈多的难题,追求光刻工艺的精确度和高效性成为人们研究的热点课题。摩尔定律指出，在价格不变的前提下，芯片集成度每18—24个月增长一倍，或者说器件尺寸每3年缩小K倍，技术整体更新一代，现在这个规律已经成为全球半导体技术的发展指南[1-3]。

本文介绍近年来光刻技术的发展概况及遇到的问题。讨论了下一代光刻技术的基本应用及技术难点。

图1. 第一个晶体管

自从六十年代以来，光刻技术就一直保持着一定比例的尺寸缩小进度，成为半导体行业最具影响力的因素之一。从之前的90nm大关慢慢缩小到32nm节点，近几年有顺利突破22nm达到16nm节点，一代代光刻领域先驱付出巨大努力。

二． 光刻技术发展概况

1. 光源波长的发展

光刻技术是利用光学复制的方法把超微细图形刻印到半导体衬底上来制作复杂电路的技术, 光的应用是整个光刻技术的关键,因此光刻技术的开发是围绕光的波长进行的，光源波长的发展也是光刻技术发展的写照。光源波长的的研究工作和技术突破是沿着436 nm(g线) →365 nm(i 线) →248 nm(KrF) →193nm(ArF) →157 nm→NGL (下一代光刻术) 的路线进行的。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从区间的近紫外（NUV）436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。目前大部分芯片制造工艺采用了248nm和193nm光刻技术[4]。目前对于13.5nm波长的EUV极端远紫外光刻技术研究也在提速前进[5]。如图2所示为EUV光刻机。

图2. ASML-XT1950i-EUV光刻机

2. 光刻胶的发展

光刻胶(又称光致抗蚀剂)是指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料，光刻胶是微细加工技术中的关键性化工材料。根据曝光后光刻胶溶解性变化可分为正型光刻胶

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和负型光刻胶，正型光刻胶曝光后溶解度增大，负型光刻胶曝光后溶解性减小。正型光刻胶的销售额大概是负型光刻胶的100倍，这是因为正型光刻胶具有更高的分辨率 可以用于微小精细的电路同时正型光刻胶与等离子干法刻蚀技术的相容性也更好一些。[6-9]

三． 下一代光刻技术

1. 深紫外线光刻（EUVL）

目前一般是用248nm的深紫外线曝光产生250nm的特征尺寸，而新的DUV使用的193nm光源也正在发展中，其有可能被用于130nm甚至100nm特征尺寸的制作，潜在的后继光刻技术也在加紧发展中，他们被称作下一代光刻技术（NGLS），而EUVL就是其中最具代表性的一种[10]，EUV系统包括：极紫外光源，光源采用气体喷射靶激光等离子体光源或同步辐射光工作气体为氙；光刻模板；光刻涂层[11]。

图3所示为EUV光刻系统的基本原理，EUV光线透过带图案的掩膜板，再透过缩小透镜将图案投影在硅片上[12]。几乎所有物质在 EUV波段表现出性质与在可见光和紫外线波段截然不同，EUV辐射被所有物质甚至使气体强烈吸收，导致无光、无图像，因此 EUV的成像必须在真空中。

图3 EUVL原理图

图4所示为在800nm波长下高分辨率抗蚀剂层光刻后的图案，（a）为50nm、60nm和70nm关键尺寸的图案；（b）为90nm关键尺寸图案的，其具有出色的疏密度和隔离性。但由于高吸收率，只能光刻很薄的图案，亚90nm的图案精度可以靠顶面成像（TSI）和超薄抗蚀剂来完成了。

图4 EUVL光刻图案

1988年，Hawryluk 和 Seppala 为我们描述了一种利用EUVL进行光刻的图案化

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