提高光刻精度的办法及其他先进光刻技术在线视频

同学们好 今天我们讲光刻的最后一节

提高光刻精度的办法及其它的先进光刻技术

在摩尔定律的推动下集成电路技术

以每18个月一个技术代的速度向前发展

这里面的关键指标就是光刻的精度

可以说集成电路产业不断发展

极大地依赖于光刻技术的发展

以光学原理为指导

不断地提高光刻的分辨率

同时考虑到生产和生产能力

控制好生产成本

成为满足集成电路产业发展的需求

半导体光刻技术经历了巨大的发展

那么如何提高光刻的分辨率呢

也一直是集成电路产业中最为重要的

最为重要的一个追求目标之一

前面我们介绍了光刻过程是一束平行光

通过掩膜板之后

在光刻胶上留下图形的过程

通过前面课程的学习

我们知道光刻分辨率的计算公式

是R=K1×λ／NA

这里的λ是入射光的波长

NA是数值孔径

K1是综合反应了整个光刻系统的参数

一般是在0.6-0.8之间

从这个公式出发

可以看到提高光刻精度的办法

有一 我们可以采用更短的波长减少λ

二 我们提高数值孔径NA

那数值孔径NA又和什么因素有关呢

我们知道NA=N0×sin(alpha)

这里的N0是掩膜板和硅片之间

介质的折射常数 如果说

掩膜板和硅片之间的介质是空气

那N0就等于1 那么改变中间的介质

从空气改变为液体 就可以提高N0

进而提高NA 也就是提高了分辨率

第三种办法还有移相掩膜技术

来提高分辨率

第四还有通过双重图形曝光

叫double patterning的方式 来提高分辨率

下面我们分别介绍不同的技术手段

来提高光刻分辨率

降低光刻中使用光线的波长

是提高光刻分辨率的一条主旋律

我们来看一下卤素灯打出来的

光线的谱线图

从图中可以发现

我们在光刻中经常提到的g线 i线

光刻机的光源从初期的g线

它的波长是436纳米的光刻机

到目前主流的i线365纳米

再到KrF 248纳米 再到ArF 193纳米

我们经常说光刻机是193光刻机

其实它指的是说它的那个波长是193纳米

用的是ArF的激光

甚至还有深紫外（DUV）的这种

等等这个光源的光刻机

光刻的特征尺寸也经历了从微米

亚微米到纳米的发展

这张图显示在1微米阶段

我们使用的是卤素灯的这个光源

到0.35微米技术时代

我们使用的就开始采用KrF激光的光源

它的波长是248纳米

之后在点25 点18 点13微米的工艺

都继续使用了248纳米的激光光源

大约从90纳米和65纳米供应节点开始

产业界开始使用ArF

就是193纳米的光刻机

ArF准分子激光的光波长是193纳米

是目前广泛使用的光源

进一步缩小波长

一方面受到没有足够功率

和稳定性的激光器的限制

另一方面我们从这张图可以看到

也受到光线被大气吸收的限制

我们这张图显示

大气吸收光线的谱线

可以看到如果进一步减少波长

就会全被空气吸收了

目前工业界正在开发这个叫EUV

Extreme Ultraviolet Lithography的光刻机

它的波长是13.5纳米的极紫外光

整个系统必须在真空中进行

因为空气会将这种极紫外光全部吸收了

所以采用的不是透射的方式

而是反射的方式

由于这个EUV的光刻机成本太高

据报告说高达一亿美元一台设备

就是生产能力 throughput很低

就是现在还没有真正地量产

在我们大学科研院所里面

为了研究极小尺度的器件

我们一般采用的是电子束光刻机

电子束也可以产生极小的波长

这方面的内容我们稍后会详细讨论

除了通过降低光波长

来提升光刻的分辨率之外

我们刚才也提过

我们还可以通过提高中间介质的

折射常数N0来提高NA

进而提高光刻的分辨率就是减小R

这就是浸润式的光刻技术

因为我们叫immersion lithography

我们先来这一张对比图

左图是传统的是干法光刻 可以看到

在我们光刻机和硅片之间是空气

右图是浸润式的光刻技术

可以看到在镜头和光刻胶之间

和硅片之间是水或者说 其它的液体

只要它的折射长度大于1 空气的1

就能够起到增加NA

进而提高分辨率的效果

2006年1月份

尼康首台193纳米浸润式光刻机出货

它的NA达到1.07

采用的就是高折射率的液体

所以光学光刻机的光学镜头

与晶圆之间的介质

经历了从空气 它的折射率是1

到水 折射率是1.44

到高折射率浸润的液体

比如折射率大于1.64的发展

大大增加了镜头的NA

提高了光刻机的分辨率

那移相掩膜的英文全称

是叫phase shift mask

随着光刻技术已经达到了光刻

工艺的分辨率极限 分辨率增强技术

已经成为光刻工艺中必不可少的技术

移相掩膜就是一种针对因衍射效应

而导致光刻分辨率受限的技术

其原理就是通过掩膜的相移层

与未经相移层的光束间的相位差

形成一种破坏性干涉

使得电场振幅和向量E为0

从而使光的强度I=0

这样使得两个相邻图像得以解析

各种类型的移相掩膜技术

都是利用这种相移材料

来增加这个铬膜的图案边界的

空间图像对比度

最终改进光刻的分辨率

比如我们看一下这张图

传统的掩膜板中 掩膜板上

不透光区域尽管有铬膜遮掩

但是由于周围区域的光线衍射效应

铬膜边界的图像对比度大大降低

交变形移相掩膜主要是在铬膜图案间

加入相移材料

使得入射光产生180度的相差

相位差不同的两束光

由于在两个开口处的中间点上互相抵消

使得光强度为零

那么这样子就起到在晶圆上

描绘出明确的两个图形 可以看到 对吧

降低了衍射所引起的干涉效应

从而使得铬膜图案边界的对比度提高

那么这种移相掩膜相比传统掩膜

提高了图像的分辨率和对比度

但是同时也带来了一些问题

比如说可能使移相掩膜的图形

被定义在光刻胶上面

移相掩膜也可能影响光的强度和相位等等

而且掩膜板的制备至少需要两步图形处理

这样也增加了对套准能力的要求也更高了

所以说移相掩膜现在这种技术

只是在很少地方应用

不是所有地方都应用

最后我们再来讲一讲双重图形曝光

double patterning技术

双重图形曝光有多种方法 一种方法

叫litho-etch litho-etch (LELE) 的办法

这张图显示了LELE方法的流程图

采用双层硬掩膜 hard mask的方式

第一步光刻定义的是第一层硬掩膜的图形

在第一次硬掩膜图形的基础上

通过光刻进一步定义第二层掩膜的图形

最后在第二层掩膜上

可以得到更好分辨率的图形

LELE的这个办法 需要两次光刻

两次刻蚀来实现更高分辨率

进一步工程师们开发叫Litho Freeze process

这个图显示就是这种办法的流程图

所以巨大区别是将第一层掩膜

采用光刻胶取代

而不是说两层的这个硬掩膜

把第一层硬掩膜用光刻胶取代了

这是两次曝光 一次刻蚀的工艺方法

最近再发展出来一种方法叫什么呢

叫自对准的双重图形曝光

英文叫self-aligned double patterning

SADP技术

它的工艺流程图如我们这个流程图所示

这里它巧妙地使用了侧壁的办法

来提高光刻精度

在这里只有一次关键光刻 就是第一次

之后通过侧壁中掩膜板

其宽度取决于侧壁材料的厚度及刻蚀条件

这个侧壁的宽度

决定了所获得线条的分辨率

由于只有一次关键光刻的步骤

整个工艺是自对准的

所以这种工艺方法得到了广泛的使用

上面提到提高光刻精度的办法

都是针对产业界的

产业界对于光刻机的需求

就是光刻精度高 生产能力高

throughput要高 成本要低

所以这些好的光刻机都是需要

千万美元以上的价格

对于学校和科研院所而言

并不需要很高的生产能力

我们需要好的精度

但不需要很高的生产能力

而且这么高的投资

对学校来讲也很难支付得起

所以在学校科研院所来讲

对于更小尺寸的光刻

我们采用的是电子束光刻的方法

也就是所谓的E-beam lithography

也就是所谓 简称叫EBL

那么光刻技术的精度受到光子

在波长尺度上的散射影响

使用的光波长越短

光刻能够达到的精度越高

根据德布罗意的物质波理论

电子也是一种波长极短的波

那么这个公式就是波长的计算公式

如果电子束加速电压是30千伏的情况下

得到的波长你算一下 只有0.07A

这是一个非常小的波长

一般情况电子束光刻机的NA也非常小

只有0.002-0.005 非常小

所以计算出来的分辨率还是纳米量级

这为制造纳米的器件

提供了一个非常有用的工具

电子束曝光需要的时间它比较长

是它的一个主要缺点

因为它得用这个电子束去不断地写

电子束光刻与传统意义的光刻加工不同

传统意义的光刻是区域曝光

一个区域曝光 啪一次性

像照相一样 把这个区域全曝了

电子束光刻是用这个电子束

刻蚀进行图形加工的

这张图显示电子束光刻机的剖面图

可以看到这边是剖面图

电子束光刻机的原理就是电子束被电磁场

聚焦成一个微细的 一个很细的束

电子束 照到电子抗蚀剂上面

相当于光刻里面的光刻胶

因为电子束可以方便的

由电磁场进行偏转扫描

复杂图形就可以直接写到这个感光胶上

而不需要再使用掩膜板

与 其它光刻技术相比

电子束光刻的优点非常明显

首先电子束光刻分辨率高

可以达到小于10个纳米

用电子束加工制造出来的

几个纳米的单电子器件

已经可以看到 有很多文章了

其次电子束光刻不需要掩膜板

非常灵活

所以电子束光刻特别适合小批量

特殊 这个制备的这种生产

电子束的波长很短

但是我们计算出来的分辨率

和我们实际得到的分辨率

还是比重高很多的 这是为什么呢

让我们来看一看一个高能的电子

入射进电子束光刻胶后

它可能会发生事情

从图中可以看出来 这个

电子进来可能会有离子化的过程

在这个过程中会产生二次电子

叫Secondary electron

入射电子同时也会被散射

那么在继续前进过程中由于各种

碰撞导致各种各样的散射scattering

能量会减少 最后到了界面处

就是电子束光刻胶和基体的这个界面处

一部分电子会反射回来

一部分电子可以穿透进入基体材料

入射电子经过各种散射

电子束斑就会增大

因为它散射是往外散射

不是说直往前散射 它的方向是随机的

要我们来看看采用Monte Carlo的方法

得到的电子束经过散射后的分布情况

我们来看一下这张图

从图中可以看到 这完全是个

越往下走是越来越宽了

但我们可以通过提高这个电子束的能量

比如说这种30keV到75keV 到125keV

可以看到能量越高 电子的穿透能力越强

那它的束斑尺寸就越小

所以我们要达到很高尺度的分辨率的话

我们就需要提高我们电子束的能量

这里我们举一个例子

如果我们采用100A的电子束

进行电子束光刻的时候

就是100A 它是表示

电子束束斑的大小也就是10个纳米

由于电子束光刻胶里面的各种散射

还有反射 二次电子的产生等等原因

最后我们定义的图像尺寸

最小尺寸是0.2微米就是200个纳米

跟你10个纳米相比差了20倍

所以说虽然电子束光刻机有非常小的波长

但得到高分辨率的图形

还是需要选择合适的电子束光刻胶

选择合适的加速电压

还有选择合适的工艺

才能够得到高分辨率的这个图形

最后我们来讲一下两种其它的图形化技术

第一种叫纳米压印技术

英文叫Nanoimprinting

纳米压印技术突破了传统光刻

在特征尺寸减小过程中的难题

它具有分辨率高 有低成本 有高产率的特点

自从1995年提出来以后

纳米压印已经经过20年的发展

演变出了多种压印技术

广泛地应用于mems

生物芯片 生物医学等等领域

纳米压印技术它的基本思想就是通过模板

将图形转移到相应的衬底上

转移的媒介通常是一层很薄的聚合物膜

通过热压或者辐照等方法

使其结构硬化

从而保留下来这种转移的图形

整个过程就是包括压印和图形转移的过程

大家可以看到这是一整套的工艺流程图

首先我们在衬底上涂上一层很薄的

热塑性的高分子材料 比如说PMMA

升温并达到这个热塑性材料的

玻璃化温度Tg之上

热塑性材料在高弹态下黏度降低

流动性增强

然后将具有纳米尺寸的模具压到上面

并适当加压力

热塑性材料会填充模具中的空隙

在这个过程中热塑性材料的厚度

应该跟这个模具的空腔

它最高的高度比它大一点

从而避免说这个模具与衬底之间接触

导致对这个衬底的损伤

那么模压过程结束后 温度降低

使这个热塑性材料固化

因而它就具有与模具重合的图形

就把这个模具图形转移过来了

接下来进行图形转移

图形转移可以采用刻蚀或者剥离的办法

刻蚀技术可以以热塑性材料 这个PMMA

就作为掩膜板掩膜了

对下面的衬底进行各向异性刻蚀

这样我们就可以得到相应的图形

剥离工艺就是先在表面上镀上一层金属

然后用有机的溶剂溶解掉聚合物

随之热塑性材料上面的

PMMA上面金属也被剥离掉

从而在衬底上得到金属图形

这张图显示的研究人员

通过纳米压印技术

可以实现10纳米的分辨率

这是非常高的分辨率了

纳米压印的办法还有一个特点

就是说可以在可弯曲的 flexible

衬底上进行图形化

这一点是一般光刻方法还达不到

所以纳米压印在柔性电子领域

将来会有很好的应用

另外一种办法就是打印的办法

形象一点 就是说有点类似于喷墨打印机

在需要的地方将材料打印上去

现在的3D打印机也是采用类似的原理

目前的技术采用打印的办法

我们很难把尺寸做得太小

分辨率不是那么高

目前最好可以达到几个微米的分辨率

最近打印的办法

开始用在手机的显示屏上面

尤其是这个有机显示屏

叫OLED制备工艺中

大家是否注意到

一般光刻和打印办法的区别吗

大家可以看到 从材料的利用率来看

打印的办法 材料的利用率是很高的

理论上几乎达到100%

它只有需要才打印上去

对于一般的光刻来讲

光刻之后通过刻蚀来得到图形

所以在刻蚀过程中

很多材料都被浪费掉

所以材料利用率经常10%都不到

所以绝大部分是浪费掉

但对于OLED这种技术来讲

它里面所使用的有机材料都是非常昂贵的

这样大规模的浪费极大地增加了成本

采用打印的办法

不仅可以是现在柔性衬底上进行图形化

还可以很好地解决了昂贵材料浪费的问题

好的 同学们

讲到这里就讲完了所有光刻的内容

让我们最后回顾一下

我们在光刻课程里面讲了哪些核心内容

我们讨论了

光刻工艺在集成电路里面的重要地位

并针对光刻的每一步

我们详细地讲了它的工艺细节

我们推导了光刻分辨率的计算办法

讨论了影响分辨率的因素

我们介绍了三种光刻机

接触式的 接近式和投影式的

我们还讨论了套刻 对准

里面的一些注意事项

还有光刻里面的OPC DFM等等

最后我们又讨论了提高光刻精度的办法

介绍了电子束光刻等等 其它的图形化技术

光刻的知识是微纳加工的核心技术

希望同学们能够认真学习

掌握相关的技术 相关的知识

谢谢大家