光刻機的基本原理和核心技術(shù)

摘要

隨著工業(yè)智能制造和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路的重要性日益凸顯。光刻技術(shù)作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，已成為國內(nèi)外科研人員研究的重點方向。本文對光刻技術(shù)進行了簡單介紹，并對未來的發(fā)展方向進行了展望。首先，分析了光刻系統(tǒng)的關(guān)鍵指標——分辨率及其與光刻性能的關(guān)系。其次，討論了目前業(yè)界常用的幾種基于紫外和深紫外光源的曝光方法。隨后，介紹了一些具有代表性的光刻設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能。然后，對EUV光刻和高NA光刻的最新進展進行了總結(jié)。最后，分析了當前光刻技術(shù)的局限性，并對光刻技術(shù)的未來進行了展望。本文旨在為大家提供光刻設(shè)備，特別是目前最先進的產(chǎn)品的使用指南。此外，本文還重點介紹了光刻技術(shù)在未來發(fā)展中可能面臨的一些挑戰(zhàn)，并對未來十年光刻技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望，為指導(dǎo)光刻機未來的發(fā)展方向以及如何進一步推動摩爾定律提供了參考。

1. 引言

1965年，摩爾假設(shè)單位面積內(nèi)可容納的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番[1]，這成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要規(guī)律，即摩爾定律。隨著時間的推移，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍然在摩爾定律的指導(dǎo)下發(fā)展。光刻技術(shù)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，決定了摩爾定律是否繼續(xù)有效。在光刻機的發(fā)展中，在曝光方式上，光刻機從接觸式曝光機開始，經(jīng)過接近式曝光機、投影式光刻機、步進式光刻機、步進掃描式光刻機、浸沒式光刻機，到現(xiàn)在的極紫外（EUV）光刻機。在曝光光源上，研究人員不斷探索如何在光刻機上應(yīng)用更短波長的光，以制造更小的片上電路。首先，20世紀80年代，汞燈發(fā)出的波長為436納米（nm）的藍光被用作光刻機的光源，可以實現(xiàn)1微米的臨界尺寸。隨后，光源波長達到 365 nm，被稱為汞 i 線，將特征尺寸推向 220 nm。20 世紀 80 年代中期，激光開始使用，光刻技術(shù)進入深紫外（DUV）時期。深紫外光刻（DUVL）開始在半導(dǎo)體工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

波長為 193 nm 的 ArF 準分子激光器和波長為 248 nm 的 KrF 準分子激光器在工業(yè)上廣泛用作曝光光源 [2]。F2 準分子激光器可以提供波長為 157 nm 的光，但到 2003 年，由于光刻膠和掩模材料的限制，157 nm 被認為是繼 193 nm 之后光學光刻不切實際的下一步 [3]。后來，通過引入折射率 >1 的浸沒液，193 nm 浸沒式光刻取代了 157 nm 光刻浸沒式光刻技術(shù)帶來了數(shù)值孔徑（NA）大于1的投影光學系統(tǒng)。先進半導(dǎo)體材料光刻技術(shù)公司（ASML）生產(chǎn)的NXT:2050i是目前最先進的采用浸沒式光刻技術(shù)的DUV光刻機，NA為1.35，分辨率可達38納米。

雖然DUVL機器可以通過多重曝光技術(shù)將線寬縮小到7-5納米，但如果要獲得更小的線寬，DUVL已經(jīng)達到了極限。采用EUV作為光源的極紫外光刻（EUVL）成為研究的重點，其波長為13.5納米。ASML的EUVL機器NXE:3600D可以達到13納米的分辨率，具有5-3納米邏輯節(jié)點的制造能力。作為下一代光刻技術(shù)，ASML和卡爾蔡司正在開發(fā)NA=0.55的高NA EUV曝光系統(tǒng)[5]。
本文概述了光刻機并介紹了面臨的挑戰(zhàn)。本文的其余部分安排如下。第二部分將簡要介紹光刻機的基本原理，如瑞利準則以及參數(shù)與光刻機性能之間的一些關(guān)系。第三部分將介紹不同類型的光刻機。第四部分將展示先進的EUV光刻機和高NA EUV光刻機，重點關(guān)注光源和光學元件。第五部分將分析光刻機研究的局限性或技術(shù)問題并給出未來的展望。

2. 原理?

2.1 分辨率
自1958年集成電路發(fā)明以來，集成電路的集成密度不斷提高，特征尺寸也不斷減小。到現(xiàn)在，集成電路圖形的線寬已減小了約5個數(shù)量級，28nm～45nm線寬的加工技術(shù)已經(jīng)非常普遍。與此同時，集成密度提高了7個數(shù)量級以上，一個集成電路芯片上可以包含數(shù)千萬甚至數(shù)億個器件。這些成就很大程度上得益于光刻技術(shù)的進步。線寬小于1μm的光刻技術(shù)在技術(shù)上已經(jīng)非常復(fù)雜，在此基礎(chǔ)上進一步減小光刻圖形尺寸將帶來許多技術(shù)甚至理論上的挑戰(zhàn)。目前，首要要解決的問題是如何進一步提高光刻的分辨率。

分辨率描述的是成像系統(tǒng)解析成像物體細節(jié)的能力 [6]。光刻系統(tǒng)能夠區(qū)分和處理的線條的最小尺寸或機器能夠充分打印的區(qū)域稱為微圖像處理的最小分辨率。分辨率是光刻系統(tǒng)最重要的指標之一,分辨率越高，光刻機能實現(xiàn)的最小線寬就越小。瑞利公式如下

其中 lm 是臨界尺寸，即最小可能特征尺寸。λ 是所用光的波長。k1 是一個系數(shù)，它取決于與芯片制造工藝相關(guān)的許多其他因素。k1 通常等于 0.75，而光刻的物理極限為 k1 = 0.25

[7]。NA 是光學元件的數(shù)值孔徑，一般在 0.16 到 0.9 之間。NA 決定了它們可以收集多少光如下公式

n為折射率?θ為光錐在晶圓上匯聚成點像的半角，D為透鏡直徑，f為焦距[8]，如圖1[9]所示。根據(jù)公式（1），可以通過降低波長λ（光刻加工的極限為λ/2，即半波長分辨率）、增加NA、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計（分辨率增強技術(shù)）和降低k1來提高分辨率。

2.2 紫外線曝光

紫外線 (UV) 和深紫外線 (DUV) 光源目前在工業(yè)中被廣泛用作曝光光源。使用 UV 和 DUV 光源的最常見曝光方法是接觸印刷、接近印刷和投影印刷，如圖 2 所示 [10]。

2.2.1 接觸印刷

如圖 2a [10] 所示，在該技術(shù)中，涂有光刻膠的硅晶片與掩模板物理接觸。晶片由真空系統(tǒng)固定。當晶片與掩模板接觸時，系統(tǒng)會從掩模板頂部暴露在紫外線下，曝光過程發(fā)生在光刻膠層中。接觸印刷可以實現(xiàn)高分辨率，并且優(yōu)于鄰近印刷，因為光刻膠和掩模板直接接觸 [11]。它是集成電路研究和生產(chǎn)中使用的第一種曝光方法，但由于灰塵會滯留在光刻膠之間，因此現(xiàn)在已經(jīng)過時。此外，掩模板會損壞掩模板并導(dǎo)致圖案缺陷，從而降低產(chǎn)量。此外，由于掩模板與光刻膠直接接觸，因此它不能重復(fù)使用 [11]。

2.2.2 鄰近印刷

鄰近印刷類似于接觸印刷。圖 3 給出了鄰近印刷系統(tǒng)的示意圖 [11]。它由光源及光學聚焦系統(tǒng)、掩模版、硅片、對準臺四大部分組成。光學聚焦系統(tǒng)將汞燈發(fā)出的紫外光轉(zhuǎn)換成平行光，平行光穿過掩模版在光刻膠上成像。由于掩模版與硅片之間存在很小的間隙s（通常s=5μm），所以這種方法被稱為接近式打印。理論上光刻的分辨率為1/λ，但在接近式打印系統(tǒng)中，掩模版與硅片之間的間隙s很小，因此會因為衍射的原因?qū)Ψ直媛视兴拗?，現(xiàn)實中只能在3μm以上的工藝中使用接近式打印。

2.2.3 投影打印

圖4為投影打印系統(tǒng)示意圖[11]。光學聚焦系統(tǒng)將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為平行光，然后穿過掩模版，由第二光學聚焦系統(tǒng)投射到晶圓上。晶圓支架和掩模版之間有一個對準系統(tǒng)。實際上，為了在投影打印中實現(xiàn)高分辨率，只有一小部分掩模被成像。這個小區(qū)域的圖像場在晶圓表面上掃描。以幾納米的分辨率將掩模圖像步進到晶圓表面上的投影打印機稱為步進重復(fù)系統(tǒng)[11]。投影打印系統(tǒng)的分辨率主要受衍射限制，一般來說，投影打印可以達到亞微米級。

投影印刷有兩個最顯著的優(yōu)點，一是硅片不與掩膜接觸，避免了因接觸而磨損造成的工藝缺陷，二是掩膜不易破損，可以仔細修正以消除缺陷，提高掩膜的利用率，由于這些優(yōu)點，投影印刷已成為小于3μm光刻工藝最重要的方法之一。

3. 光刻設(shè)備

自平面光刻工藝發(fā)明以來，光刻設(shè)備已經(jīng)歷了五代，每代設(shè)備都能夠達到一定的臨界尺寸（CD）和分辨率。五個光刻時代的代表分別是接觸式光刻機、接近式光刻機、掃描投影式光刻機、步進重復(fù)式光刻機和步進掃描系統(tǒng)。

3.1 接觸式光刻機

從SSI時代到20世紀70年代，接觸式光刻機是光刻的主要方法。它用于線寬5μm及以上的制造工藝。雖然也可以實現(xiàn)0.4μm的線寬，但目前接觸式光刻機已不再廣泛使用。圖5是接觸式光刻機系統(tǒng)示意圖[12]。接觸式光刻機的掩模版包含所有將被復(fù)制到硅片表面的陣列圖案。硅片上涂有光刻膠，并被裝載到可以手動控制的平臺上。通過分光顯微鏡同時觀察掩模版和硅片，然后操作員手動定位平臺，使掩模版上的圖案與硅片上的圖案對齊。一旦掩模版和硅片對準，掩模版就會直接接觸硅片表面的光刻膠涂層，這就是該設(shè)備被稱為接觸對準器的原因。然后將掩模版和硅片暴露在紫外線 (UV) 下。紫外線穿過掩模版的透明部分，然后將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。

3.2 接近式對準器

接近式對準器由接觸式對準器發(fā)展而來，在 20 世紀 70 年代的 SSI 和 MSI 早期都得到了廣泛應(yīng)用。然而，這些對準器仍在一些小批量生產(chǎn)的實驗室或生產(chǎn)分立器件的舊晶圓生產(chǎn)線中使用，因為投資用新設(shè)備替換舊設(shè)備并不劃算。在實際制造中，這種類型的設(shè)備適用于線寬為 2 至 4 μm 的工藝。

3.3 掃描投影曝光機

20 世紀 70 年代初，掃描投影曝光機（又稱掃描儀）的開發(fā)試圖解決前面提到的接觸式曝光機和接近式曝光機的問題。20 世紀 70 年代末和 80 年代初，掃描投影曝光機是占主導(dǎo)地位的光刻曝光工具 [13]。這些曝光機仍然在線寬大于 1 μm 的舊晶圓生產(chǎn)線中使用。掃描投影曝光機的理念是使用反射系統(tǒng)將掩模版上的整個圖案以 1:1 的圖像投影到硅片表面上。由于掩模版是 1X 尺寸，因此圖像沒有縮放，掩模版上的圖案與硅片上的圖案大小相同。如圖 6 [14] 所示，紫外光通過狹縫聚焦在硅片上，以獲得更均勻的光線。將掩模版和涂有光刻膠的晶圓放在掃描架上并同步移動，然后通過窄紫外光束對晶圓上的光刻膠進行曝光。最終，掩模版上的圖像通過掃描運動被精確地復(fù)制到晶圓表面。

3.4 步進重復(fù)曝光機（步進機）

步進重復(fù)曝光機又稱步進機，是20世紀90年代硅片制造的主流光刻設(shè)備。步進重復(fù)曝光機之所以得名，是因為這種設(shè)備每次只能投射一個曝光場（可能是硅片上的一個或多個芯片），然后步進到晶圓上的下一個位置進行下一次曝光。20世紀80年代末，步進機在集成電路制造業(yè)占據(jù)了主導(dǎo)地位[15]。它主要用于形成關(guān)鍵尺寸小至0.35μm（傳統(tǒng)i線光刻膠）和0.25μm（深紫外光刻膠）的圖案[16]。步進式光刻機不使用掩模版，而是使用光罩，因為光罩包含與一個或多個芯片相對應(yīng)的單個曝光場中的圖案，而掩模版包含所有芯片陣列。步進式光刻機的光學投影曝光系統(tǒng)使用折射光學元件將光罩圖像投射到硅晶片上。圖 7 顯示了步進式重復(fù)對準器 [12]。

產(chǎn)量是步進式光刻機的主要問題。掃描投影對準器每小時可以生產(chǎn)近 100 片晶圓，而步進式光刻機每小時通常只能生產(chǎn) 20 到 50 片晶圓。公式 (3) 可用于表示系統(tǒng)的輸出

這里，n 表示每片晶圓上的芯片數(shù)量，E 表示曝光時間，M 表示每次曝光時平臺移動的時間，S 表示平臺的穩(wěn)定時間，A 表示逐場對準時間（如果使用），F(xiàn) 表示自動對焦時間（如果使用），O 表示包括裝載/卸載、預(yù)對準、將晶圓移入和移出系統(tǒng)以及執(zhí)行全局對準在內(nèi)的時間。為了減少或消除 O，總時間中的某些項目可以與上一片晶圓的曝光同時完成。由于 n 通常在 50 到 100 之間，因此等式 (3) 中括號內(nèi)的總時間對于步進式光刻機的商業(yè)成功至關(guān)重要。作為一種可以實際使用的工具，它應(yīng)該保持在 2 或更小。

3.5 步進掃描系統(tǒng)

為了解決曝光場大小與鏡頭成本之間的矛盾，隨著光刻曝光設(shè)備的發(fā)展，步進掃描系統(tǒng)這一新技術(shù)應(yīng)運而生。步進掃描系統(tǒng)是一種結(jié)合了掃描投影曝光技術(shù)和步進重復(fù)曝光技術(shù)的混合設(shè)備，它使用縮小的鏡頭將大曝光場的圖像掃描到硅片的一部分上，光罩和硅片都被一束窄帶聚焦光掃過。步進掃描系統(tǒng)的標準曝光場大小為26 mm×33 mm，使用6英寸光罩，如圖8所示[17]。當掃描過程和圖案轉(zhuǎn)移過程完成后，硅片將步進到下一個曝光區(qū)域，并重復(fù)掃描過程。

使用步進掃描系統(tǒng)曝光硅片具有增加曝光場的優(yōu)勢，從而可以實現(xiàn)更大的芯片尺寸。鏡頭的視野可以只是一條細條帶狀，就像全晶圓掃描投影對準器一樣。在步進到下一個位置之前，它會通過一個小型且經(jīng)過良好校正的 26 mm×33 mm 圖像場 [13] 掃描縮小的掩模版（通常為 4 倍），如圖 9 [17] 所示。更寬視野的另一個顯著優(yōu)勢是可以在掩模版上放置更多圖案，從而允許在單次曝光中曝光更多芯片。

此外，步進掃描系統(tǒng)還具有在整個掃描過程中調(diào)整焦點的能力，以補償鏡頭缺陷和晶圓平整度的變化。這提高了掃描過程中對焦點的控制，從而更好地控制了整個曝光場的CD均勻性。步進掃描系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是對機械公差控制的要求增加，因為必須同步控制晶圓臺和掩模版臺的運動。步進機只需快速將晶圓移動到新位置，但步進掃描系統(tǒng)必須同時精確地將晶圓和掩模版沿相反方向移動。在掃描和步進過程中，定位公差不能超過幾十納米。表1總結(jié)了各代光刻設(shè)備所采用的曝光方法及其廣泛使用的時間段。

4.最新產(chǎn)品

4.1 EUV光刻機

EUV光刻機是半導(dǎo)體行業(yè)最先進的光刻機，廣泛應(yīng)用于制造7甚至5納米以下工藝的芯片。整機的核心系統(tǒng)是曝光系統(tǒng)。它產(chǎn)生 EUV 光。為了獲得高效率，必須對系統(tǒng)進行抽真空以防止空氣中的物質(zhì)吸收 EUV。激光產(chǎn)生等離子體 (LPP) 源使用 Sn 液滴和 CO2 激光器產(chǎn)生 13.5 nm EUV 光，如圖 10 所示 [18]。當 Sn 液滴離開發(fā)生器時，它將通過預(yù)脈沖進行“調(diào)節(jié)”。優(yōu)化后的 Sn 靶比液體靶密度低，因此更多的 Sn 離子參與發(fā)射 EUV，從而提高轉(zhuǎn)換效率 [19]。已經(jīng)實現(xiàn)了 250 W 的 EUV 源功率 [20]。EUV 源功率越高，吞吐量就越高。對于鏡頭，曝光系統(tǒng)中使用的高反射率鏡子在穿透鏡頭時會被吸收，這歸因于 EUV 光，這將導(dǎo)致效率下降。為了保證傳輸效率，鏡子上涂有多層涂層，基本上充當布拉格反射器 [21]。ASML 最先進的 EUV 光刻機是 NXE:3600D，使用 13.5nm 波長的 EUV 光，分辨率為 13nm。3600D 可用于制造 5nm 和 3nm 邏輯節(jié)點以及前沿 DRAM 節(jié)點。其投影光學元件為 0.33NA。至于產(chǎn)能，在 30mJ/cm2 的劑量下，每小時可生產(chǎn)大于等于 160 片晶圓。

4.2 高數(shù)值孔徑EUV光刻機

ASML和Carl Zeiss正在開發(fā)NA=0.55的下一代EUV曝光系統(tǒng)[22]。與0.33NA光刻機相比，NA提高了67%，可提供亞8納米半節(jié)距分辨率[23]。對于光源，仍可使用LPP光源，但EUV光刻機上應(yīng)用的光源功率不足以打印較小的圖案。要實現(xiàn)10納米半節(jié)距圖案，劑量應(yīng)大于80mJ/cm2[24]。如果光源功率太低，產(chǎn)量將顯著降低。對于高數(shù)值孔徑EUV光刻機，劑量為80mJ/cm2的500W光源每小時可生產(chǎn)120片晶圓。如果光源功率足夠高，機械考慮的極限是每小時185片晶圓。當光源功率達到1.3 kW或更高，劑量為80 mJ/cm2時，就會出現(xiàn)這種限制[25]。

數(shù)值孔徑的增大意味著偏轉(zhuǎn)角的增大和鏡子的體積的增大。作為高數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)的最后一面鏡子，根據(jù)數(shù)值孔徑=nsinα的關(guān)系，與EUV光刻機相比，光錐角將從19°增大到33°。對于倒數(shù)第二面鏡子，為避免最后一面鏡子被遮擋，應(yīng)增大偏轉(zhuǎn)角，鏡子體積也應(yīng)增大。鏡子上的多層鍍膜起著布拉格反射鏡的作用，必須在偏轉(zhuǎn)角下工作，在角度變化盡可能小的情況下，可獲得最大反射率。為了解決光線如何在較小的偏轉(zhuǎn)角下照射最后一面鏡子的問題，ASML引入了如圖11所示的中央遮擋[26]。在掩模版一側(cè)，隨著系統(tǒng)數(shù)值孔徑的增大，數(shù)值孔徑也會增大。入射光和反射光在傳輸過程中會重疊。決定采用變形4x/8x系統(tǒng)以避免對比度損失。但曝光場將比過去減少一半[27, 28]。圖12展示了與0.33NA光刻機相比高NA光刻機的其他一些改進[29]。

5. 局限性與未來展望

在瑞利準則的指導(dǎo)下，可以找到波長更短的光，增加NA并更接近k1極限?？紤]到EUV光刻光源的波長為13.5nm，幾乎達到了真正的X射線波長范圍。由于X射線對EUV光刻機鏡上的反射材料穿透性太強，導(dǎo)致效率低下，因此X射線的損失會非常高。另一方面，X射線光源意味著更高的功率需求，這將給電力供應(yīng)帶來新的問題。找到另一種波長更短的光比增加NA更困難。增加NA的另一種方法與焦深（DoF）有關(guān)。根據(jù)DoF的公式，

其中k2是與工藝相關(guān)的因素，隨著NA的增加，DoF會減小，當k2=1時，DoF約為45nm，大約是EUV光刻機120nm DoF的1/3。為了掩蓋艾里斑的離焦，DoF控制應(yīng)優(yōu)于35nm[20]。較低的DoF會對晶圓表面的平整度、光刻膠的厚度和系統(tǒng)控制提出新的挑戰(zhàn)。較大的NA會導(dǎo)致反射鏡的口徑更大，使反射鏡更大更重也成為一個不可忽視的問題，給制造和裝配帶來更大的難度。由于中心遮擋，衍射和部分0級甚至1級衍射點會被遮蔽[30]，即丟失一些圖案信息導(dǎo)致模糊。
光刻機是一個極其復(fù)雜和精密的系統(tǒng)。要突破技術(shù)限制，應(yīng)考慮在瑞利判據(jù)的指導(dǎo)下采用更短波長的光源，減少短波長光在傳輸過程中的損失。在光源方面，自由電子激光器（FEL）是一種適用于光刻的光源。FEL具有波長范圍連續(xù)可調(diào)、輸出功率高、光束質(zhì)量高等優(yōu)點，EUV FEL和XFEL在光刻機上具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，用于產(chǎn)生FEL的裝置相當龐大且昂貴。將FEL裝置小型化并應(yīng)用于工業(yè)仍然是研究的熱點。如果FEL能夠應(yīng)用于光刻工業(yè)，更高的功率和更短的波長將帶來生產(chǎn)率的提高和更精細的圖案。除了光源之外，優(yōu)化光學反射系統(tǒng)也是使結(jié)構(gòu)更緊湊并節(jié)省成本的必要條件。盡量增加NA可能比尋找更短波長的光源更容易。如果光的波長和NA有限，調(diào)整k1以發(fā)揮最佳性能是值得考慮的。高數(shù)值孔徑光刻技術(shù)是延續(xù)摩爾定律的有力工具，但隨著光刻機的發(fā)展，我們面臨的挑戰(zhàn)不僅是機械限制，還有物理限制。

6. 結(jié)論

總之，本文從光源和傳輸系統(tǒng)的角度討論了光刻機的特點。具體來說，首先對光刻機進行了總體介紹。然后，討論了光刻系統(tǒng)的關(guān)鍵指標——分辨率，以及在紫外和深紫外光源上開發(fā)的一些常見曝光方法。之后，針對每一代光刻技術(shù)，本文介紹了一種具有代表性的光刻設(shè)備。隨后，我們還總結(jié)了EUV光刻機的特點和高數(shù)值孔徑光刻機的先進發(fā)展。最后，本文分析了當前最先進光刻機的局限性，并概述了未來的前景。光刻技術(shù)是延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵，而高數(shù)值孔徑光刻機則將摩爾定律拓展到了下一個十年。放眼未來，有必要思考下一個光刻時代的可行方法，以解決擺在我們面前的物理限制問題?？傮w而言，這些結(jié)果為光刻機，特別是最先進的產(chǎn)品提供了指導(dǎo)，同時提出了一些觀點，指出了光刻機發(fā)展的一些潛在挑戰(zhàn)并提出了相應(yīng)的解決方案。