光刻技术的进展

基于光刻技术的微细加工技术进展
微光刻技术的发展
贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光 刻技术开始了发展。
1947
1959
世界上第一架晶体管计算机诞生，提出光刻工艺， 仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。
60年代
仙童提出CMOS IC制造工艺，第一台IC计算机IBM360， 并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生产线，美国 GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。
电子束光刻技术
20 世纪 60 年代，电子束光刻技术 ( EPL) 是在显微镜的基础上发展起来的 , 由德意志联邦共和国杜平根大学的 G . M ollenstedt 和R . Speidel 提出 。 1968年，日本电子公司成功研制出第一台扫描电子束光刻机。 20世纪80年代初，IBM公司提出了电子束缩小投影光刻的概念。 20实际90年代以来，美、日的一些研究部门采用电子束曝光技术，相继研制 成功0.1μm的CMOS器件、0.04μm的MOST及0.05μm的HEMT器件。
2007， IBM 宣布通过与美国 JSR Micro 公司合作， 利用 ArF 浸液式曝光完 成了线宽与线间隔为 29.9 nm 的图形成像。 2011之前Nikon 推出S620D 193nm液浸式光刻机（数值孔径1.25），这种光 刻机可供32nm及以上规格节点制程使用，由Intel使用开发其22nm节点制程 逻辑芯片产品.Nikon 又推出S621D 193nm液浸式光刻机（数值孔径1.25）， 其性能是根据14nm制程的要求制定的。
微接触压印技术
微接触压印光刻是由 White sides 等人于 1993 年 提出的。
常用的压印模具材料有 Si、 SiO2、 Ni、 石英玻璃( 硬模材料) 和聚二甲 基硅氧烷 PDMS ( 软模材料) 。
光刻技术的发展趋势
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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。
同步辐射 光源来源 激光等离子体 在13.0~13.5nm范围内，目前最好 的多层膜涂层材料是Mo/Si和Mo/Be。 Mo/Si在EUV波长范围垂直入射反 射率可以达到65.5% 在11.1~11.5nm范围内，Mo/Be多层结 构在垂直入射时的反射率达到68%。
SCALPEL掩模版由低原子系数的薄膜（厚度在 1000~1500μ m）SiNx和高原子系数的Cr/W（厚 度在250~500μ m）组成，SiNx薄膜将电子微弱 地小角度散射，而Cr/W将电子强散射到大角度。
纳米压印光刻技术
纳米压印技术是1995年美国普林斯顿大学的华裔科学周郁提出的 。 国外普林斯顿大学、德克萨斯大学、哈佛大学、密西根大学、林肯实 验室、摩托罗拉、惠普公司及瑞士的 Paul Schemer 研究所、德国亚 琛工业大学等众多知名大学和研究机构都在致力于纳米压印光刻技术 的研究、开发与应用。目前全世界已有五家纳米压印光刻设备提供商: 美 国 的 Molecular Imprints Inc、Nanonex Corp，奥地利的 EV Group，瑞典的 Obducat AB和德国的 Suss Microtec Co． Inc。
光学系统：采用反射式曝光方式
掩膜
光刻胶
分子玻璃(MG)2，具有短酸扩散长度的 光致产酸剂（PAG），高吸收树脂等。
优点： ①光刻分辨率高，至少可以达到30nm以下； ②有一定的产量优势； ③图形缩小掩模技术可以使掩模制作难度下降； ④具有传统光学光刻技术的延伸性；
EUV光刻技术 缺点： 光学系统设计与制造相当复杂，无缺陷反射掩模 的制造也是一个极大的技术挑战。 在设备、掩模、工艺等诸多方面的成本相当高。
SCALPEL技术 • 1964年,电子束投影曝光技术的开始研究。 • 1975年，由美国IBM公司作出实验结果，其原理与普遍光缩小式投影曝光相 似，只是用电磁“透镜”代替光学透镜。SCAPEL系统具有和光学光刻可以 比拟的生产率，且其加工能力优于0.08μm。SCALPEL的极限约为35 nm。
目前国内已有很多单位在研究纳米压印技术，主要研发单位包括西安 交通大学、复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、 上海交通大 学、 苏州大学和中科院等。
热压印技术 纳米压印技术 紫外光固化纳米压压印技术 M．Bender和M．Otto教授提出一种在室温、低压 环境下利用紫外光硬化高分子的压印光刻技术。 1999 年，Austin的Texas大学发明了步进一闪光压印， 它可以达到10nm的分辨率。
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2μm线宽的图形，其缩小倍率为1：8。 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0.5μm 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。 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）。 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。 2015，ASML在今年第四季度批量出货20nm、16nm、14nm工艺的相关制造 设备。推出NXE:3300B光刻机，准备10nm节点上应用极紫外光刻。尼康也 一直在开发自己的商用EUV光刻工具，并将EUV光刻机被命名为EUV1. 目标 11nm节点的光刻机。同时，尼康联合佳能公司共同开发EUV技术。
同步辐射源：可供多台光刻机使用，波长0.6nm—1.0nm X射线光源 点光源：单台使用，波长0.8nm—1.4nm
掩膜
光刻胶
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。IBM 、 Motorola、东芝、NEC、三 菱和NTT 采用的是 SiC/ T a 掩膜标准, 也有用 SiC/ W 系 统的。 X射线光刻胶有聚1，2-二氯丙烯酸、聚丁烯砜 等。
XRL的优点:(1)高分辨力 ;(2)大焦深和大像场等;(3) 分辨力可达 40 nm , 它可用于ULSI 、 纳米加工和 M EM S 等 。 X光刻技术 XRL的缺点:(1)采用大型的 、昂贵的同步加速器 , 巨额耗资 , 对量产IC工艺难以接受； (2)高集成的 1 倍掩模版难制作; (3)与光学光刻机相比 , 生产效 率极低 。
XRL的第一个缺点，JMAR 公司用远紫外线光源替代价格昂贵的同步 加速器 X 射线光源 , 使 XRL 光刻机有了重大突破 , 离实用化走得更近 了 。但到目前为止 , X 射线掩模版的直径最大仅为 20 ～ 30 mm ,故有 人认为 , XRL 成为下一代光刻技术的主流技术是不可能的 , 在已商业 化的 Si 工艺技术中没有立足之地 。
2005 年 TSMC 的制造工厂里安装 ASML 的第二代浸液式曝光设备 XT:1250 i （数值孔径 0.85），并介绍了使用这台设备进行 65 nm 工艺的 研发情况。 2006 年 1 月份Nikon 推出了第一台量产 ArF 浸液式扫描光刻设备 NSRS609B（数值孔径1.07）。用于55 nm 节点的内存产品的量产并用于研发下一 代 45 nm 节点的关键技术。德州仪器 (TI)也发布了 45 nm 半导体制造工艺的 细节，该工艺采用湿法光刻技术
、Ar
掩 膜 板 制 备 工 艺
超微粒干版制备技 术 铬版制备技术 氧化铁版制备技术
193nm光刻技术
2004 年 12 月 TSMC 和 IBM 分别宣布成功利用 193 nm 浸液式光刻技术生 产出全功能的芯片。IBM 制造出了基于功率器件结构的 90 nm 微处理器的 关键层，而 TSMC 则制造出了 90 nm SRAM芯片的关键层。均使用 ASML TwinScan AT:1150i 浸液扫描式光刻机 （ 数值孔径 0.75） 。
2000以来
在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时，NGL 正在研究，包括极紫外线光刻技术，电子束光刻技术， X射线光刻技术，纳米压印技术等。
光学光刻
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等 准分子激光光源。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。
70年代
1978GCA开发出第一台分布重复投影曝光机，集 成电路图形线宽从1.5μm缩小到0.5μm节点。
80年代
美国SVGL公司开发出第一代步进扫描投影曝光机， 集成电路图形线宽从0.5μm缩小到0.35μm节点。
90年代
Canon1995年着手300mm晶圆曝光机，推出EX3L和5 L步进机，ASML推出FPA2500，193nm波长步进扫描 曝光机。光学光刻分辨率到达70nm的“极限”。
电子束直写技术 电子束光刻技术 SCALPEL技术
电子束直写技术 2004年9月，朗讯贝尔实验室联合杜邦掩膜，Lincoln实验室，并与ASML合作， 将无掩膜刻蚀系统特征尺寸缩小到50nm 2005年，奥地利的IMS Nanofabricution与德国的Lecia Microsystems AG推出 PLM—2。PLM—2基于Lecia公司直接写入电子束平台SB350DW。PLM—2， 覆盖精确度为20nm。 直写技术不需要掩膜，直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上。 电子束光刻胶主要为聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、甲基丙烯酸缩水甘油醚 酯-丙烯酸酯共聚物、氯甲基化聚苯乙烯等，电子束胶的研究水平已经达到了 0.07μm的水平，其0.1μm技术用电子束胶已批量生产。