光刻技术的发展与应用

第 1 页1 绪论在微电子制造技术中，最为关键的是用于电路图形生产和复制的光刻技术，光刻技术的研究与开发，在每一代集成电路技术的更新中都扮演着技术先导的角色。目前国际微电子领域最引人关注的热点，就是即将到来的光刻技术变革，这一变革将对整个微电子制造技术的发展产生深远的影响。从目前的发展趋势判断， 0.13μ m 光刻仍将采用光学光源，其中问题只在于是将 248nm 技术继续推进到 0.13μ m，还是采用 193nm 技术。随着加工尺寸向0.1μ m 逼近，能否突破 0.1μ m 成为一只占据主流地位的光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。更短波长光源、新的透镜材料和更高数字孔径光学系统的加工技术，成为首先需要解决的问题；同时，由于光刻尺寸要小于光源波长，使得移相和光学邻近效应矫正等波前工程技术成为光学光刻的另一项关键技术。由于分辨率增强技术的发展，光学光刻的极限分辨率可以达到光源波长的1/2。因此， 193nm 波长的光源分辨率可以达到 0.1μ m， 157nm 波长的光源分辨率可以达到 0.07μ m。而由于深紫外光被各种材料强烈吸收，继续缩短波长将难以找到制作光学系统的材料，这使得光学光刻最终将在 0.07μ m 达到其技术上的“终点” 。在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时，替代光学光刻的所谓后光学光刻或称下一代光刻技术（ Next Generation Lithography， NGL ）的研究，在近几年内迅速升温， 这些技术包括 X 射线、 极紫外 （ EUVL ） 即软 X 射线投影光刻、电子束投影光刻、离子束投影光刻等等。这些技术研究的目标非常明确，就是在0.1μ m 及更小尺寸的生产中替代光学光刻技术。本文主要介绍了光刻技术的基本原理和工艺流程，以及光学光刻技术和下一代光刻技术的研究现状与应用前景。第 2 页2 光刻的基本概念及工艺流程光刻技术是利用光学复制的方法把超小图样刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术。 光刻技术是微制造领域最为成功的技术。 自从它在 1959 年被发明以来，就成为半导体工业最有用的工具。迄今为止，基本上所有的集成电路都是通过它制造的。光刻的原理与印相片相同， 涂在硅片上的光刻胶相当于相纸， 掩模相当于底片。用特定波长的光照射光刻胶，光刻胶有感光性和抗蚀性即正负性两种类型。正胶曝光部分在显影液中被溶解，没有曝光的胶层留下；负胶的曝光部分在显影液中不溶解，而没有曝光的胶层却被溶解掉。经过显影，则显出光刻图形。光学光刻是由投影光学系统和掩模版相结合来产生光刻图形的。曝光方式普遍采用分布重复投影式曝光，即将一组图形重复上百次制作在一大片硅片上。评价光刻质量的指标主要有分辨率（单位长度上可分辨的高反差线对数） 、光刻精度 （线宽尺寸控制及套刻精度） 、 产率和成品率等。 影响光刻质量的主要因素有曝光系统、曝光方式、光掩模、光刻胶和刻蚀方法等。2.1 光刻的基本概念光刻处于硅片加工过程的中心，这可以通过在各制造工艺中如何从光刻工艺流进流出中证明 （见图 2.1） 。 光刻常被认为是 IC 制造中最关键的步骤， 需要高性能以便结合其他工艺获得高成品率。据估计，光刻成本在整个硅片加工成本中几乎占不到三分之一。图 2.1 硅片制造工艺流程第 3 页转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片层面的构成。图形可能是硅片上的半导体器件、隔离槽、接触孔、金属互连线以及互联金属层的通孔。这些图形被转移到光敏光刻胶材料上，为进行刻蚀或离子注入的衬底做好准备。形成的光刻胶图形是三维的，因为光刻胶中的图形具有长、宽、高（见图 2.2） 。在一个硅片上可能有成百个完全相同的芯片，每一个都需要将合适的图形转移到管芯上。图 2.2 光刻胶的三维图形光刻技术要应用光敏光刻胶或光刻胶，它们作为一种聚合可溶解物被涂在衬底表面，然后光刻胶被烘焙除去溶剂，下一步再将其用受控的光线曝光。光透过确定了所需图形的投影掩膜版。光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅是为了必要图形的转移，一旦图形形成刻蚀或离子注入，就要被去掉。投影掩膜版（ reticle）是一个石英版，它包含了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，也可能是几个。光掩膜版（ photomask）常被成为掩膜版（ mask） ，并与投影掩膜版一词交换使用，它是一块石英版，包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。由于在图形转移到光刻胶中光是最关键的，并且通过光学控制，所以光刻有时被称为光学光刻。2.2 光刻工艺的 8 个基本步骤光刻工艺是一个复杂过程，它有很多影响其工艺宽容度的工艺变量。例如第 4 页减小的特征尺寸、对准偏差、掩膜层数目以及硅片表面的清洁度。为方便起见，我们可以将光刻的图形形成过程分为 8 个步骤（见图 2.3 ） 。图 2.3 光刻的 8 个步骤2.2.1 步骤 1：气相成底膜处理光刻的第一步是清洗、脱水和硅片表面成底膜处理。这些步骤的目的是增强硅片和光刻胶之间的粘附性。硅片清洗包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除沾污物，大多数的硅片清洗工作在进入光刻工作间之前进行。脱水致干烘焙在一个封闭腔内完成，以除去吸附在硅片表面的大部分水汽。硅片表面必须是清洁干燥的。脱水烘焙后硅片立即要用六甲基二硅胺烷（ HMDS）进行成膜处理，它起到了粘附促进剂的作用。2.2.2 步骤 2：旋转涂胶成底膜处理后， 硅片要立即采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。 硅片被固定在一个真空载片台上，它是一个表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金属或聚四氯乙烯盘。一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后对喷旋转得到一层均匀的光刻胶涂层 见图（ 2.4） 。不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件， 例如最初慢速旋转 （例如 500rpm） ，接下来跃变到最大转速 3000rpm 或者更高。一些光刻胶应用的重要质量指标是时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污以及光刻胶缺陷，如针孔。第 5 页图 2.4 旋转涂胶2.2.3 步骤 3：烘焙光刻胶被涂到硅片表面后必须要经过软烘， 软烘的目的是去除光刻胶中的溶剂。软烘提高了粘附性，提升了硅片上光刻胶的均匀性，在刻蚀中得到了更好的线宽控制。 典型的软烘条件是在热板上 90℃到 100℃烘 30 秒， 接下来是在冷板上的降温步骤，以得到光刻胶一致特性的硅片温度控制。2.2.4 步骤 4：对准和曝光下一步被称做对准和曝光。掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一层事先确定了的图形。一旦对准，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上（见图 2.5） 。光能激活了光刻胶中的光敏成分。对准和曝光的重要质量指标是线宽分辨率、套刻精度、颗粒和缺陷。图 2.5 对准和曝光第 6 页2.2.5 步骤 5：曝光后烘焙对于深紫外（ DUV）光刻胶在 100℃到 110℃的热板上进行曝光后烘焙是必要的，这步烘焙应紧随在光刻胶曝光后。几年前，这对于非深紫外光刻胶是一种可选择的步骤，但现在即使对于传统光刻胶也成了一种实际的标准。2.2.6 步骤 6：显影显影是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶上的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在硅片表面。最通常的显影方法是旋转、喷雾、浸润（见图 2.6 ） ，然后显影，硅片用离子水（ DI）冲洗后甩干。图 2.6 光刻胶显影2.2.7 步骤 7：坚膜烘焙显影后的热烘指的就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀和离子注入过程非常关键。 正胶的坚膜烘焙温度约为 120℃到 140℃， 这比软烘温度要高， 但也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形。2.2.8 步骤 8：显影后检查一旦光刻胶在硅片上形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。这种检查系统对于高集成的关键层几乎都是自动完成的，检查有两个目的：找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把它们除去，硅片也可以返工。与任何制造工艺一样，光刻工艺的目标是无缺陷产品。然而，不检查并在胶第 7 页中留下缺陷将是灾难性的问题。显影后检查可以发现错误并就地纠正，这是硅片制造过程中少有的可以纠正的几步之一。一旦有缺陷的硅片被送到下一个图形形成步骤（通常是刻蚀） ， 就没有纠正错误的机会了。 如果一个硅片被错误刻蚀，它就有了致命的缺陷，被认为是废品，对公司来说就没有进一步的价值了。这就是检查数据对于描述和提高光刻胶工艺特性如此重要的原因。3 光学光刻技术光刻光刻技术是集成电路（ IC）工业生产中广泛使用的光刻技术。20 世纪 70— 80 年代，光刻设备主要采用普通光源和汞灯作为曝光光源，其特征尺寸在微米级以上。 90 年代以来，为了适应 IC 集成度逐步提高的要求，相继出现了 g 谱线、 h 谱线、 I 谱线光源以及 KrF、 ArF、 F 2 、 Ar 2 等准分子激光光源。 80 年代，普遍认为光学分辨率的极限只能达到 0.5μ m 左右，现在大多数专家认为可以达到 0.1μ m 甚至以下。目前光学光刻技术的发展方向主要表现为缩短曝光光源波长、提高数值孔径和改进曝光方式。 根据瑞利方程 R=K 1 λ /NA 可知， 光刻技术的分辨率是由曝光波长（ λ ）和光学系统的数值孔径（ NA）决定的，其中 K 1是一个与光致抗蚀剂和工艺条件有关的系数。虽然由光学衍射所决定的分辨率理论极限是波长的一半左右，但由于工艺过程或者机械上的限制，实际上能够获得的最小特征尺寸几乎就等于所使用的光波长 （ λ ） 。 因此， 要提高光刻技术的分辨率来适应当前的大规模集成电路的小型化要求，常用的方法是增大光学系统的数值孔径（ NA）和缩短曝光波长（ λ ） 。如果要通过增大 NA 来提高分辨率的话，光学透镜系统就需要增加透镜的直径，或者降低聚焦的长度。这样的话都会导致增加透镜的尺寸和整个透镜系统的复杂性。由于 NA 值的平方和焦深（ DOF = K 2 λ /NA2）成正比，通过增加 NA 来提高分辨率必然伴随着 DOF 成较大比例地下降。 实际的工业生产中， 由于受硅片平整度、光刻胶厚度均匀性、系统的调焦、调平等因素影响，需要有一个合适的 DOF 值来满足工艺上的要求，较小的 DOF 将严重影响产率和成品率。如果通过降低曝光波长 λ 来提高分辨率的话，虽然倒不会引起的 DOF 较大程度的降低，但它需要选择合适的光刻胶、光源以及合适光学透镜材料等一系列第 8 页问题。曝光波长为 248nm（ KrF） 、 193nm（ ArF） 、 157nm（ F 2 ）的深紫外准分子激光光刻已成为主流光刻技术。但其面临的难道也是很大的：其一，镜头的光学材料和加工工艺问题：熔石英和 CaF2 、 LiF 是使用于准分子激光步进扫描光刻机镜头和掩模基片的选用材料。其中熔石英具有易加工和稳定性高的特点，但在193nm 和 157nm 波长具有很大的吸收损失， 在高强度准分子激光照射后易产生光损伤；而 CaF 2 由于是单晶材料，不存在光子碰撞引起的光损伤问题，但其加工难以达到要求的光洁度。 其二， 是高平均功率、 长寿命的 ArF 和 F 2 激光器制造困难。其三是光致抗蚀剂的开发。现已研制出与 248nm 及 193nm 波长匹配的光致抗蚀剂，但与 157nm 波长相匹配的光致抗蚀剂还在研制中。为了更好地扩展光学光刻的分辨率，有必要改进曝光方式，以改善 K 1 因子。当前使用较多的有移相掩模技术（ PSM） 、离轴斜照明技术（ OAI ） 、光学邻近效应校正（ OPC） ，驻波效应校正（ SWC）等，其中最有效的手段是采用移相掩模曝光技术。自从 1982 年美国 IBM 的 Marc D. Levenson 提出移相掩模光刻技术的理论以来，光学光刻技术已经取得了令人震惊的发展。移相光刻的原理是使光学掩模中相邻的透明区相间地增加或减薄一层透明介质 （即移相器） ， 使移相器和相邻透明区的光有一定的相位差，光的相消干涉抵消了一部分光透过衍射效应，从而改变空间光强分布，达到在光刻胶工艺不作改变的前提下 R 和 DOF 均得到改善的目的。目前发展了几种典型的移相掩模形式，如赖文森型、移相框边缘增锐型、全透明移相型、分段移相型等，它们各有各的优点和缺点。总之，光学光刻技术较成熟，有很好的工业基础，将其应用到 0.13μ m 似乎问题不大，但是当光刻分辨率达到 0.13μ m 以后，其他光刻技术更有吸引力。3.1 移相掩模技术当图形尺寸缩小到深亚微米，常规的光学系统不可分辨，于是科学家们发明了一种新的掩模技术——移相掩模（ Phase-shift Masks）技术，使光学微细加工技术的极限又向前推进了一大步。它与准分子激光源相结合，使光学曝光技术的分辨能力超过光学瑞利极限。（ 1）移相掩模原理第 9 页移相掩模的基本原理是在光掩模的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波通过这个介质层后产生 180°的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，抵消图形边缘的光衍效应，提高图形曝光分辨率通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用下式表达：Q = 2π d /λ （ n - 1）式中 d 为移相器厚度； n 为移相器介质的折射率； λ 为光波波长。移相层材料有两类。一类是有机膜，以抗蚀剂为主，如 PM-MA 胶。另一类是无机膜，如二氧化硅。（ 2）移相掩模的移相方式与类型各种移相方式有很多，下面只对几种常用移相掩模类型进行介绍。自对准边缘增锐方式（ Edge） 是日本东芝公司的 Nitayama 等人提出的。特点是采用背曝光 /过刻蚀等手段，实现工艺自对准结构，与目前掩模制作工艺相容，移相层自含，可用抗蚀剂本身作移相层，制作简单，可实用于任何图形边缘增锐。缺点是图形分辨能力提高有限。交变移相方式 ( Alternating) 是美国 IBM 研究室 M.D.Levenson 等人于1982 年提出的。其特点是有移相层图形与无移相层图形相间排列。由于光的相干性，在有移相层图形与无移相层图形交界处，因光相位相反，互相抵消，产生一个光强为零的暗区，移相效果最明显，可使分辨能力提高近一倍。缺点是只适用周期性较强的图形。衰减移相边缘增锐方式 （ Attenuated） 采用高吸收低透过移相材料实现图形边缘衰减补偿，使边缘光强分布增锐，适用于孤立图形。全透明移相方式 （ Chromeless） 日本冲电气公司 Nakagawa 和 Watanabe 等人提出。特点是利用透明移相模边缘的光相位突然发生 180°变化，在移相模边缘产生一个光强为零的暗区。随着移相模线宽缩小，则两个暗区靠拢合并成为宽暗区。根据这个原理，设计全透明移相图形，即可实现无铬（ Chromeless）掩蔽功能。该方法的优点是只用一种透明材料即可制作移相掩模，简化制造工艺。可采用二次移相术制作密集点图案。缺点是图案设计比较复杂。第 10 页4 X 射线光刻技术X 射线是由德国物理学家 Willanm H. Roentgen（ 伦琴） 于 1895 年首先发现的，由于这一伟大的发现， 伦琴成为诺贝尔物理学奖的第一位得主。 X 射线是电磁波，它的产生可以是重原子能级跃迁的产物，也可以是加速电子与电磁场耦合造成辐射。和其他粒子一样，它具有波粒二象性。当我们要考虑关于能量问题时 （吸收）可以视之为粒子，考虑光学现象是（衍射，干涉）可以视之为波。也就是说， X射线像波一样传播，像光子一样与其他物质作用。X 射线之所以会被用于光刻，最早是由 Henry I. Smith 于 1972 年提出的。 X射线波长极短， 介于 0.01~1.0nm之间， 在这个波段范围内能穿透绝大多数的材料，因而能在很厚的材料上定义出分辨率非常高的图形。 用于 X 射线光刻的 X 射线波长一般要求在 0.7~1.2nm的范围内。4.1 同步辐射 X 射线曝光光源同步辐射 X 射线曝光光源，利用电子储存环内的电子，以接近于光速作回旋运动时所产生的强电磁场辐射中引出的特定波长范围的（ 0.01~2.0nm）高强度、高准直线的 X 射线。 同步辐射 X 射线光刻系统的一种基本组成示意图如图 4.1 所示。电子储存环产生强电电磁辐射，由特定设计的窗口引出 X 射线。而掩模和晶片的精确定位和对准以及曝光，是由 X 射线分步重复步进曝光机来完成的。图 4.1 X 射线同步辐射曝光系统的基本组成示意图目前世界上已建有多个用于同步辐射光刻研究和应用的专用电子储存环，包括小型的超导磁体环和常规磁体环。 NTT 和 IBM 的同步辐射实验室已经取得了第 11 页许多杰出的成果。 到目前为止的绝大多数的 XRL 的成果都是采用同步辐射的方法得到的。我国合肥同步辐射装置是一个同步辐射应用 （包括光刻应用） 研究的专用环，而北京正负电子对撞机的储存环可以专用模式和兼用模式运行， 以兼用模式为主，除同步辐射 X 射线光刻等应用研究外，主要用于高能物理等基础研究。用于光刻研究时它所提供的 X 射线曝光波长为 0.4~1.4nm，光束呈垂直方向窄、水平方向宽的带状。曝光大场区时采用圆柱镜扫描方式以实现均匀曝光。4.2 X 射线点光源X 射线点光源是最早被考虑的一种产生 X 射线的方法。 点光源按产生的方式有两种，即激光等离子体源和高密度等离子体源。激光等离子体源所产生的 X 射线辐射聚焦于由衍射所限制的持续时间很短的一个点上，这种辐射由于具有高亮度和较低的价格， 是一种很有吸引力的 X 射线光源。 其辐射的转换效率可以很高，主要取决于激光辐射作用与所使用的材料的结合。 用于产生 X 射线靶材料可以是从铁（ Fe）到固态氖（ Ne）在内的大多数材料，但这种辐射很容易产生一些残渣颗粒。激光等离子体源发出的光平均功率典型值为几 mW/cm2。由于工艺上的需要，科学家正在努力提高其功率水平。 S.X.Kang 和 H.Y.Kang 使用多次反射光学系统得到了先进的等离子体 X 射线源， 所获得的平均辐射功率为 10mJ/cm2及 10J辐射 /脉冲。最近的成果是 I.C.E.Turcu 等人获得的，他们使用皮秒（ ps）准分子激光等离子体源获得了平均功率为 2.2W 和 1.4W， 波长分别为 1.4nm 和 1nm 的 X射线源，所使用的靶材分别是钢和铜，而且采用这种方法可以把 X 射线的功率做到 50~70W 的水平， 能够满足实际需要。 实验室发现使用 Cu 等离子体源得到的 X射线具有更高的能量转换率，并且辐射的射线波长为 1nm 左右，所以铜被认为是一种比较理想的 X 射线点源的靶材。另外， L.Malmqvist 等人报道了一种无畸变点源。另一种等离子体源是高密度等离子体源，它是通过放电产生 X 射线的。这种辐射的机理与激光等离子体辐射相同，但是所产生的辐射功率却要比后者更大。虽然这种源存在稳定性不好和电压源要求较高的问题，但很多人认为，这是一种将来能够向同步辐射源挑战的 X 射线源。最近，美国 SAL 公司用来制造毫米波电路所使用的 X 射线点源就是此类型的。第 12 页4.3 X 射线分步重复步进曝光机X 射线步进曝光机是一种简单的光学对准台，不需要大而复杂的透镜成像系统，而且光刻掩模放在非常接近于硅片的地方，更容易实现对准。这种步进台由一个对准器、一个掩模平台、一个装载硅片的平台及一个垂直方向的 XY 平台所组成， 原理基本上与极紫外曝光机相同， 差异主要在于光源和工作台的运作方式。其基本要求都具有高的对准和套刻精度以及定位精度，其关键的部件一个是用于掩模和硅片之间对准的外差式光学探测系统，一个是用于使硅片保持平整的卡盘（ Chuck）和一个用于精确定位的空气滑动垂直平台。 NTT 公司最近开发了一种用于 100nm 级工艺加工的 X 射线同步辐射光刻曝光机， 用这一系统曝光得到的结果是：分辨率＜ 120nm，对准重复性＜ 140nm，定位重复性＜ 7nm，射线束的强度不均匀性为± 6%。威斯康辛大学 X 射线光刻中心（ CXrL ）的研究人员，在前些年也曾开发出一种较先进的 TSA 系统，并得到了较好的光刻结果。在一个对准系统中有几个问题值得认真考虑，因为它们能在很大程度上影响光刻的曝光效果。第一个问题是对准精度（ Align-ment Accuracy）问题，这涉及精密机械、光学和电子学技术领域复杂的设计与加工，是 X 射线光刻技术研究的难点之一。 一般情况下对准精度要求小于 CD 值的 1/3。 用于 0.13μ m 工艺的光刻系统的对准精度则要求达到 20nm（ 3σ ） ， 所以对准精度是一个重要的参数。 影响总的对准精度的一个主要参数是光刻的定位精度（ Positioning Accuracy） ，为减小这一参数的影响，人们设计了一种无摩擦的垂直 XY 平台和掩模平台。另一方面，来自掩模和硅片之间的信号干扰作用也会影响对准精度，为了减小这些因素的影响，一般采用外差式光学对准方法（ Optical Heterodyne Alignment Method ）来消除其影响。第二个问题是对准系统中掩模和硅片的位置关系，即掩模和硅片之间的间隙宽度（ GaP） 。这是一个非常重要的参数，不同的宽度会对曝光效果有很大的影响，这主要是由一些光学现象引起的。其他的问题还包括在光刻过程中由于卡盘引起的掩模形变，从而引起精度的波动。 另外在同步辐射 X 射线光刻系统中曝光时， 要求 X 射线光刻掩模垂直放置，由于重力的作用，会使掩模上各处的应力分布不均匀，从而也引起模的形变。这些都是 X 射线光刻技术需要解决的问题。第 13 页4.4 X 射线光刻掩模掩模制造技术几乎是所有后光学光刻技术的核心技术， 同时也是 X 射线光刻开发中最为困难的部分。人们普遍认为， 1 倍的 X 射线光刻掩模制作的高难度，是阻碍 X 射线光刻技术早日进入工业生产领域的障碍。可以说， X 射线光刻掩模开发的成败， 是关系到 X 射线光刻技术能否以及何时应用于工业生产的决定性因素。尽管在过去的许多年里，人们提出了许多种 X 射线光刻掩模制作的方案，并且已在实验室中制作成功，但是真正能为正式生产所采用的制作方法至今没有。因此， X 射线光刻掩模的开发是 X 射线光刻技术亟待解决的关键问题。 X 射线光刻用的掩模，在功能上与传统的光学光刻掩模一样：在制备好的掩模上，形成透X 射线区和不透 X 射线区，从而形成掩模曝光图形。但其材料组成、结构形式和制作工艺比普通光学掩模难度大很多，技术也复杂得多。这是基于这样一个物理事实的存在：没有一种材料在比较厚时能对 X 射线完全透明，也没有一种材料在很薄时能完全吸收 X 射线。因此， X 射线光刻掩模，一般由低原子序数的轻元素材料组成的约 2μ m 厚的透光薄膜衬基和高原子序数的重元素材料组成的吸收体图形构成，吸收体图形形成不透 X 射线区。有大面积曝光场区的薄膜衬基制备和高精度、高密度的深亚微米吸收体图形加工，是 X 射线掩模技术的关键。（ 1） X 射线掩模的基本结构目前国际上研究应用的薄膜衬基材料主要有硅、 氮化硅、 碳化硅、 金刚石等，而吸收体材料除广泛使用的金之外，还有钨、钽、钨 -钛等。图 4.2 为 X 射线光刻掩模结构略图。图 4.2 X 射线光刻掩模结构图第 14 页支撑薄膜衬基为 1.5~2.0μ m 厚的 SiN x （氮化硅） ，图形吸收体为 0.1~1.0 厚的金。（ 2） X 射线掩模的性能要求作为同步辐射 X 射线光刻用的掩模，其基本要求是：①低应为透光薄膜衬基不仅要具有对 X 射线和可见光的良好透过性，而且还要具有高的杨氏模量，以保证足够的强度及机械稳定性，不易破碎，应力低，掩模的形变小，吸收体应具有高的 X 射线吸收系数和足够的厚度，以确保良好的曝光掩模性能；②具有深亚微米尺度的吸收体图形应有足够高宽比，以保证掩模的高分辨率和反差（一般大于10）的要求；③低缺陷或无缺陷；④有高的掩模尺寸的精度和稳定性。（ 3） X 射线掩模的制备工艺透光薄膜衬基的制备，如氮化硅膜，多采用低压化学气相淀积（ LPCVD ）技术。吸收体层常采用常规的蒸发、射频溅射或电镀等方法形成。深亚微米 X 射线吸收体图形的加工，一般由电子束扫描光刻和干法刻蚀、精细电镀等图形转换技术来实现。材料的选择和工艺的优化，将会提高 X 射线掩模的质量。图 4.3 是中国科学院微电子中心研制的用于制造 GaAs 毫米波电路的 X 射线光刻掩模。图 4.3 X 射线光刻掩模4.5 X 射线光刻抗蚀剂X 射线光刻作为微细加工的实用手段，面临着未来高产率竞争的局面。作为影响产率的因素之一， X 射线光致抗蚀剂的灵敏度是一个重要参数。光致抗蚀剂的灵敏度是表征使被曝光抗蚀剂分子发生完全断链或充分交联所需的能量阈值，第 15 页以每平方厘米的毫焦耳数表示，所需的数值越小，表示该抗蚀剂灵敏度越高。它与抗蚀剂的组成、结构和类型有关。由于 X 射线光子具有很强的穿透能力，抗蚀剂对 X 射线光子的吸收率很低，因而只有少数入射的 X 射线光子能对光化学反应做贡献。因此，一般抗蚀剂对 X射线曝光的灵敏度都很低。提高抗蚀剂灵敏度是改进曝光效率的重要措施。此外， X 射线光刻作为亚微米及深亚微米加工手段，还要求抗蚀剂具有很高的光刻分辨率和良好的抗干法刻蚀的性能，以及相应的工艺兼容性等。X 射线光刻抗蚀剂研究时促进该项技术广泛应用的一个重要方面。 提高 X 射线光刻抗蚀剂灵敏度的主要方法，是在抗蚀剂合成时增加在特定波长范围有高吸收峰的元素和引进增强光化学反应的新机制。深入研究提高 X 射线抗蚀剂的灵敏度、分辨率、反差（ γ 值） 、抗干法腐蚀能力以及工艺过程的相容性，是发展 X 射线光刻技术的重要内容之一。4.6 X 射线光刻基础工艺深亚微米尺寸的光刻图形形成工艺和线宽的控制技术， 是 X 射线曝光技术中的基础工艺，也是该技术实用化的基础。它涉及光源、掩模、抗蚀剂以及曝光装置的对准、套刻精度等多种因素。对于 X 射线光刻技术而言，虽然它的波长短，衍射效应远较紫外光刻所产生的衍射效应小，但是，当 X 射线光刻的分辨率达到它的波长范围时（ 10nm 级） ，菲涅尔（ Fresnel）衍射和光电子效应就成了限制曝光分辨率的主要因素。在进行 X 射线曝光时， 抗蚀剂吸收 X 射线光子而产生光电子， 它的射程被认为小于 100nm， 并随 X 射线波长的增加而减小。 已经证实， 当 X 射线的波长大于3nm 时，光电子射程小于 10nm。这些光电子可引起正性抗蚀剂聚合物分子裂解或负性抗蚀剂聚合物分子交联。然而， X 射线的短波长波分引起的快速二次电子作用，将对光刻分辨率产生不利的影响。由于光电子射程随 X 射线波长的增加和减少， 因而用较长波长的 X 射线曝光，将会有利于降低光电子对分辨率的影响。但另一方面，值得提出的是，在掩模与样品的间隙较小的情况下， 缩短光刻图形线宽 W， 要求光源波长越短越好。 因此，在实际应用中， X 射线曝光光源波长的选择只能取折衷。近年来的研究指出， 当图形线宽小于 0.1μ m 时， 由于一种称为波导效应的影第 16 页响，实际曝光得到的图形将比掩模图形更细，因此掩模与片子的间隙大小及允许偏差范围也将限制实际应用的光刻分辨率。考虑到上述的限制，接近式 X 射线光刻的实用分辨率预计是 70。有关技术的改进（如采用 0.1nm 波长和金刚石掩模结构）也可使 X 射线光刻分辨率达到 40nm，甚至更高。此外，微细图形加工时，曝光剂量的选取、图形线宽与反差的控制、工艺宽容度、图形转换工艺的选择等，都将对图形的质量有重要影响，需要实验研究解决。4.7 X 射线光刻的前景与展望在过去的 20 年里， X 射线光刻技术已经取得了巨大的进步，主要成果如下。① 日本住友重机于 1999 年 10 月推出高亮度超小型专用同步辐射光源AURORA-2S ， 其亮度达到 50mW/cm2， 从而可满足产出量 60 片 /h（ 300mm 圆片）的要求。由于采用了常规电磁铁，使设备成本大大下降。② 美国设备制造商 SAL 于 1999 年推出 0.13μ m 标准的 X 射线光刻设备XRS2000，配备点光源产量可达到 20 片 /h（ 100nm 圆片） 。 Sanders 公司购买了XRS2000 投入 GaAs 生产线， 使得 X 射线光刻成为世界上率先替代电子束直写进入生产的下一代光刻技术。③ Toshiba ， Mitsubishi 和 IBM 分别将 X 射线光刻应用于 400MHz Power PC和 1~4Gb DRAM 测试单元电路制造。④ 美国麻省理工学院应用 X 射线光刻研制 25nm 栅长的 MOSFET。我国的 X 射线光刻技术研究经过十多年的研究积累， 技术水平已有了长足的进步，已经建立起一套较为完整的研究与技术开发体系。X 射线光刻技术的特点是可以同时实现高分辨率，大焦深，光刻图形侧壁陡直，并且有较大的曝光窗口以及高产出率。给予 X 射线光刻技术的特点和技术优势，以及目前的应用情况来分析， X 射线光刻很可能是在高频高速化合物半导体制造业、 MEMS 技术领域以及微纳米加工领域中率先获得生产应用， 而要将 X 射线光刻技术应用于硅的超大规模集成电路的制造，则有赖于 1× 1 的具有高精度、高密度深亚微米图形的 X 射线光刻掩模制造技术的突破。第 17 页5 极紫外（ EUV）光刻技术1984 年，日本电信株式会社（ NTT 开始尝试性开展研究软 X 射线缩小投光刻技术研究，并且在 1986 年里有镀有多层膜的施瓦兹席尔德（ Schwarzschild）光学系统及 12.5nm 软 X 射线光源光刻出 2μ m 线宽的图形，其缩小倍率为 1： 8。1988 年， 软 X 射线缩小投光刻概念被正式提出， 论文发表于当年的美国真空科学与技术杂志上，当时这项技术被命名为软 X 射线投影光刻（ SX – PL） ，并预计会在特征尺寸减小到 0.1μ m 时得到应用。 1989 年， IBM 、 AT＆ T、 Ultratech Stepper和 Tropel 表示出了对 SXPL 极大的兴趣，于是举行了一次 SXPL 学术论坛。同年NTT 在同一系统上光刻出 0.5μ m线宽的图形； 1990年， 美国贝尔实验室利用 14nm的光源光刻出 50nm 线宽图形，其缩小倍率为 1： 20。 1991 年， SXPL 成为美国能源部（ DoE）的重大项目计划。之后劳伦斯 -利弗莫尔国家实验室（ LLNL ） 、桑地亚国家实验室（ SNL） 、劳伦斯 -伯克利国家实验室（ LBNL ）等三个美国国家实验室以及 AT＆ T、 Intel、 AMD 、 Micron 等 8 家美国公司对 SXPL 进行了成本分析和可行性论证。 1992 年， NTT 公司研制成功带有扫描机构的、曝光现场为 20mm×20mm 的样机。 1993 年此项技术正是更名为极紫外光刻技术（ EUVL ） 。日本的 EUVL 研究是由 10 家半导体制造厂商和 2 家设备供应厂商和 ASET（ Association of Super-Advanced Electronics Technologies） 的 EUVL 实验室合作进行，分为三个阶段，第一阶段由政府通过 NEDO（新能源和工业技术发展机构）进行财政支持， 进行曝光技术、 掩模和相关加工处理技术等有关基础技术的研究；第二阶段的部分研究费用将由工业部门承担，将研究曝光系统样机；第三阶段的全部研究费用将由工业部门承担，将进行 EUVL 实用化研究。整个项目将持续 9年。1998 年底，欧洲共同体的 EUVL 研究计划也正是开始启动，该研究项目由ASML 公司牵头， Carl Zeiss公司和 Oxford Instruments公司参与， 其目的是评估EUVL 在 70nm 光刻分辨率及 70nm 以下光刻分辨率的可行性。其中 ASML 公司承担 EUVL 设备研制和系统集成， Carl Zeiss公司承担精密光学与精密机械的研制任务，值得一提的是 Oxford Instruments的小型同步辐射环 Helio 已经实现了商品化， 运行效果非常好。 由于 EUVL 的实用化研究费用实在太高， 据预测高达 80亿美元，因此，欧洲共同体目前正在寻求与美国、日本共同进行 EUVL 研究的可第 18 页能性。5.1 EUVL 的基本原理EUVL 的准确定义是光波波长范围为 11~14nm的极端远紫外光波， 经过周期性多层薄膜反射镜入射到反射掩模上，反射掩模反射出的 EUV 光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射掩模上的集成电路几何图形投影成像到硅片上的光刻胶中，形成集成电路所需要的光刻图形。一般来说， EUVL 所采用的光源主要有 EUV 点光源和同步辐射 EUV 光源两种。根据所采用的光源不同，EUVL 可以分为点光源 EUVL 和同步辐射 EUVL 两种，它们的原理分别如图 5.1和 5.2 所示。 EUVL 通常是反射式的，与 157nm 光学光刻的原理差不多，都是采用短波长光和投影成像，所以从某种意义上可以说 EUVL 是光学光刻的延伸。但它与光学光刻又有许多不同的地方， 其中最大的区别在于， 几乎所有物质在 EUV波段表现出的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， EUV 的成像必须在真空中，讨论所有 EUV 的技术都要基于这一点。从技术上来说， EUVL 主要由光源、缩微光学系统、掩模光刻胶和光刻机等部分组成。图 5.1 点光源极端远紫外光刻原理示意图第 19 页图 5.2 同步辐射极端远紫外光刻原理示意图5.2 EUV 光源EUV 光源的获取途径主要有同步辐射和激光等离子体两种。同步辐射于 1947 年首次被发现， 它实际上是环型加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁体时，沿电子轨道切线方向上所发出的高强度电磁辐射。它具有高光强、高准直、波谱宽、线偏振、洁净度高等诸多优点。由于同步辐射光是广谱的，因此需要在光束线中加入单色器，使 EUVL 所需要的 EUV 能通过，而它所不需要的其他光波则被滤掉。 使用同步辐射光源作为 EUVL 光源的优点是技术非常成熟，运行稳定性、功率相当高，小型化程度也很好，对光刻胶的灵敏度要求低， 芯片生产效率高。 目前世界上共有 50 多台同步辐射装置在运行， 中国目前共有 3 台，即北京同步辐射装置（第一代） 、合肥国家同步辐射装置（第二代）和中国台湾新竹同步辐射装置（第三代） ， 上海同步辐射装置（第三代）目前正在拟建中。但是，必须指出的是，采用同步辐射环作为 EUVL 光源的缺点是一旦储存环出了问题，芯片工厂的生产将陷于瘫痪，因此一般不为芯片生产商所看好。EUVL 点源的产生方式主要有激光等离子体、高密度等离子体、球壮箍缩等离子体和非线性光学等四种。其中激光等离子体源产生的 EUV 光源技术成熟，最为人们所看好， 其原理是用准分子激光轰击靶材产生 EUV。 由于 EUVL 是针对70nm 以下的光刻手段，因此它对准分子激光的要求很高， 如带宽、 输出功率、 稳定性、维护难易度、波长、相对波长稳定性、脉冲与脉冲之间的能量稳定性、成第 20 页本、安全性等等。其中最为关键的问题是如何在高重复频率下保持窄带宽和无碎屑。靶材对于 EUVL 光源来说是非常重要的，对于 IC 生产线来说，靶材要求能够承受不间断的全天候的准分子激光器发出的最好 1010 次脉冲冲击，即在 1KHz的激光重复频率下连续使用 3 个月，另外，还要求碎屑的尺寸小于 10nm 和每个脉冲的成本小于 610 美元。靶材有固体靶（如金属锡） 、循环低温气束（如氙）和液滴靶三种。采用激光等离子体源轰击固体靶产生 EUV 光源的技术目前比较成熟，其主要问题是等离子体轰击靶材会产生碎屑，这些碎屑会对聚焦系统的反射镜面造成直接损害。为此人们发展了循环低温氙（ Xe）气高速喷射靶。 Xe 气高速喷射入真空系统，经冷却后形成一定厚