光刻机的技术原理和技术发展趋势

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1、光刻机的技术原理和发展趋势摘要:木文首先简要介绍了光刻技术的基木原理。现代科技瞬息万变，传统的光刻技术已经无法满足集成电路主产的要求。木文乂介绍了提高光刻机性能的关键技术和下一代光刻技术的研究进展情况。关键字：光刻；原理；提高性能；浸没式光刻；下-•代光刻引言：光刻工艺百接决定了大规模集成电路的特征尺寸，是大规模集成电路制造的关键工艺。作为光刻工艺中最重要设备Z—，光刻机一次次革命性的突破，使大模集成电路制造技术飞速向前发展。因此，了解光刻技术的基本原理，了解提高光刻机性能的关键技术以及了解卜一代光刻技术的

2、发展情况是十分重要的。本文就以上几点进行了简要的介绍。光刻技术的基本原理：光刻工艺通过曝光的方法将掩模上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上。1、涂胶要制备光刻图形，首先就得在芯片表面制备一层均匀的光刻胶。截止至2000年5月23E1,已经申请的涂胶方血的美国专利就达118项。在涂胶Z前，对芯片表血进行清洗和T噪是必不可少的。冃前涂胶的主要方法有：甩胶、喷胶和气相沉积，但应用最广泛的还是甩胶。甩胶是利川芯片的高速旋转，将多余的胶甩出去，而在芯片上留下-层均匀的胶层

3、，通常这种方法可以获得优于±2%的均匀性（边缘除外）。胶层的厚度由下式决定：1〜pt式屮：Ft为胶层厚度，3为角速度，I］为平衡时的粘度，p为胶的密度，t为时间。由该式可见，胶层厚度和转速、时间、胶的特性都有关系，此外旋转时产生的气流也会有一定的影响。丿11胶的主要缺陷有：气泡、彗星（胶层上存在的一些颗粒）、条纹、边缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规则片尤为明显。2、紫外光刻冃前占•光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻。按波长可分为紫外、深紫外和极紫外光刻。按曝光方式可分为接触/接近式光刻和投影式光刻。接触/

4、接近式光刻通常采用汞灯产生的365〜436帥的紫外波段，而投影式光刻通常采用准分了激光器产生的深紫外（24&im）和极紫外光（193nm和157nm）。2.1接触/接近式光刻接触/接近式光刻是发展戢早，也是最常见的曝光方式。它采用1：1方式复印掩膜版上的图形，这类光刻机结构简单，价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高可达luin左右。此外由于掩膜版直接和光刻胶接触，会造成掩膜版的沾污。接触％接近式光刻机的分辨率由下式决定：式中：入为曝光的波长，冉为光刻胶的厚度，G为曝光时的接近距离。目前常用的光

5、源为汞％氤灯所产生的紫外光,常用的三个波段为436nm（g线）、405nm（h线）和365nm（i线）。由下图可看出这三个波段的强度最高，冃紫外光成本低，比较容易获得，是接触/接近式光刻的主要光源。图2.2投影式光刻投影式光刻机在现代光刻中占主要地位，据调查显示，投影式光刻机约占整个光刻设备市场份额的70%以上。其主要优点是分辨率高，不沾污掩膜版，重复性好，但结构复杂，价格昂贵。投影式光刻机乂分为扫描式和步进式，扫描式采用1：1光学镜头，由于扫描投影分辨率不高，约luin左右，加之1*掩膜制备困难，因此80

6、年代屮期后就逐步被步进投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，一般有4：1.5,1.10:1等。3、粒子朿光刻由于光学光刻受分辨率限制，要得到分辨率更高的图形只能求助于粒了束光刻，因此有人预言21世纪将是粒子束光刻的世纪。常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻。3.IX射线光刻X射线光刻技术是li前国外研究比饺热门的一种粒子束光刻技术，同光学曝光相比，X射线有着更短的波长，因此有可能获得分辨率更高的图形，目前被认为是lOOnm线条以下半导体器件制造的主要工；它具有以下优点：（1）景深容易

7、控制；（2）视场大（对达50mm*50mm）；（3）:射线对光刻工艺中的尘埃不敏感，因此成晶率较高。由于X射线的波长很短（通常为0.r30nm）,曝光时的衍射和散射儿乎可以忽略不计，因此町得到较高分辨率的图形。X射线穿透力很强，口前多数的光学系统不能対它进行反射或折射，因此多釆用接近式曝光。3.2电子束光刻电了束曝光技术是迄今为I上分辨率最高的一种曝光手段。电了束光刻的优点是（1）分辨率高；（2）不需要掩膜；（3）不受像场尺寸限制；（4）真空内曝光，无污染；（5）由计算机控制，自动化程度高。口前己研制出多种

8、电了束纳米曝光技术，如扫描透射电了显微镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、圆形束、成形朿、投影曝光、微电子光柱等。其中STM的空间分辨率最高,横向可达0.lnm,纵向优于O.Olnm,但由于电子束入射光刻胶和衬底后会产生散射，1人T而限制了实际的分辨率（即邻近效应）。口前电了束曝光技术中的主导加工技术为圆形电了束和成形电了束曝光，成形电子束冃前最小分辨率一般大于lOOnm,圆形电子束的最高分辨率可达几个纳米