光刻技术的原理详细说明书_光刻技术的原理详细说明

光刻是集成电路最重要的加工工艺，它的作用就像金工车间的车床。在整个芯片制造过程中，几乎每一道工序都离不开光刻。光刻也是芯片制造中最关键的技术，占芯片制造成本的35%以上。在当今科技和社会发展中，光刻技术的发展直接关系到大型计算机和其他高科技领域的运行。

光刻与我们的生活息息相关。我们用手机、电脑等电子产品，里面的芯片没有光刻是做不出来的。当今世界是一个信息社会，各种信息在世界上流动。而光刻技术是保证信息承载载体的制造。在社会中发挥着不可替代的作用。

光刻技术原理

光刻就是制作芯片制造所需的电路和功能区域。掩模对准器发出的光用于通过具有图案的光掩模曝光涂有光刻胶的薄片。当光刻胶曝光后，其性质会发生变化，从而可以将光掩模上的图案复制到薄片上，从而使薄片具有电子电路图的功能。这就是光刻的作用，类似于相机摄影。相机拍的照片印在底片上，而光刻的不是照片，而是电路图等电子元件。

光刻是一种精密的微加工技术。常规光刻技术是利用波长为2000 ~ 4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光刻胶作为介质(图像记录)，实现图像的变换、转移和处理，最终将图像信息传递到晶片(主要是硅片)或介质层的过程。

从广义上讲，光刻包括两个主要方面：光学复制和蚀刻工艺：

1、影印过程：通过曝光系统将预制在掩膜版上的器件或电路图形按照所需位置准确地转移到预涂在晶片表面或介质层上的光刻胶层上。

2、蚀刻工艺：通过化学或物理方法去除薄抗蚀剂层的未掩蔽的晶片表面或介电层，以获得与晶片表面或介电层上的薄抗蚀剂层的图案完全一致的图案。集成电路的功能层是三维重叠的，因此光刻工艺总是重复多次。比如大规模集成电路需要10次左右的光刻才能完成各层图形的全部转移。

光刻狭义上，光刻仅指光学复制过程。

光刻技术的发展

20世纪70年代，GCA开发出第一台分布式重复投影曝光机，集成电路图形线宽从1.5m降低到0.5m节点。

20世纪80年代，美国SVGL公司研制出第一代步进扫描投影曝光机，将集成电路图形的线宽从0.5m节点缩小到0.35m节点。

90年代，n1995年，卡诺启动300mm晶圆曝光机，推出EX3L和5L步进机。ASML引进FPA2500，193nm波长步进扫描曝光机。光学光刻的分辨率达到70纳米的“极限”。

从2000年开始，在光学光刻技术一直试图突破分辨率“极限”的同时，NGL正在研究，包括极紫外光刻、电子束光刻、X射线光刻、纳米压印光刻等。

光学光刻技术

光学光刻是通过光的照射，在涂有光刻胶的硅片上用投影法在掩膜上绘制大规模集成电路器件的结构图形。通过光照，光刻胶的成分发生化学反应，从而产生电路图。限制成品的最小尺寸直接关系到光刻系统的分辨率，降低照明光源的波长是提高分辨率最有效的方法。为此，开发新的短波长光源光刻机一直是各国的研究热点。

此外，根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高分辨率的重要手段。这些技术是曝光成像b的深入分析的突破

上世纪七八十年代，光刻设备中主要使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。20世纪90年代以来，为了满足IC集成度逐步提高的要求，G线、H线、I线光源，KrF、ArF等准分子激光光源相继出现。目前，光刻技术的发展方向主要表现在缩短曝光光源波长、增大数值孔径和改进曝光方式。

相移掩模

光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图案的空间频率和对比度以及成像系统的数值孔径。相移掩模技术的应用可以使用传统的光刻技术和I-line掩模版在最佳照度下雕刻出尺寸为传统方法一半的图形，并且具有更大的焦深和曝光范围。相移掩模方法可以克服线/间隔图案的传统光刻方法的局限性。

随着相移掩模技术的发展，出现了很多种类，大致可以分为交替相移掩模技术和衰减相移掩模技术；边缘增强相移掩模，包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明相移掩模和复合相移模式(交替相移全透明相移衰减相移二元铬掩模)。尤其是交替式全透明相移掩模在分辨率上的提高最为显著，为亚波长光刻创造了有利条件。

一种全透明相移掩模，其特征在于宽度大于某一宽度的透明相移图形边缘处的光的相位突然发生180度的变化，相移器边缘两侧衍射场的干涉作用产生“刀片”状的光强分布，在相移器的所有边界线上形成光强为零的暗区，具有将细线一分为二的分裂作用，使成像分辨率提高近一倍。

光学曝光技术的潜力在理论和实践上都是惊人的，我们不能不刮目相看。其中，以波前工程为代表的分辨率增强技术通过控制光学曝光过程中的光学相位参数发挥重要作用，产生光的干涉效应，部分抵消限制光学系统分辨率的衍射效应，包括：相移掩模技术、光学邻近效应校正技术、离轴照明技术、光瞳空间滤波技术、驻波效应校正技术、散焦叠加增强曝光技术、表面成像技术和多级胶结构技术。实际应用中最显著的进步是相移掩模技术、光学邻近效应校正技术和离轴照明技术，特别是浸没透镜曝光技术的突破和二次曝光技术的应用，为分辨率增强技术的应用创造了更加有利的条件。

电子束曝光

电子束光刻是微加工技术发展的关键技术，在纳米制造领域发挥着不可替代的作用。电子束光刻主要是描绘微小的电路图，通常以纳微米为单位。电子束光刻技术不需要掩模，直接将会聚的电子束光斑打在涂有光刻胶的基片上。

如果将电子束光刻技术应用于纳米级微结构的加工和集成电路的光刻，必须解决几个关键技术问题：电子束高精度扫描成像的曝光效率低；抗蚀剂和衬底中电子的散射和背散射引起的邻近效应；电子抗蚀剂、电子束曝光、显影、刻蚀等实现纳米级加工的技术难题。

实践证明，应用电子束邻近校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配、混合光刻技术和抗蚀剂曝光工艺优化技术是提高电子束光刻系统实际光刻分辨率的非常有效的途径。电子中最重要的东西是

聚焦离子束系统(FIB)是一种显微切割仪器，通过使用电子透镜将离子束聚焦成非常小的尺寸。其原理类似于电子束光刻，只是电子变成了离子。目前商用系统的离子束是液态金属离子源，金属材料是镓，因为镓熔点低，蒸气压低，抗氧化性好；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子探测器、5-6轴移动样品座、真空系统、防振和磁场装置、电子控制面板、计算机等硬件设备。当电场作用于液相金属离子源时，液态镓可以形成一个细小的尖端，当负电场(提取器)拉动尖端的镓时，引出镓离子束。尖端电流密度约为1埃10-8安培/平方厘米，由电透镜聚焦。经过一系列自动可变孔径(AVA)后，可以确定离子束的大小，然后将离子束两次聚焦到试件表面，通过物理碰撞达到切割的目的。

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电镜的原理是相似的，其中离子束显微镜的试件表面镓离子激发的二次电子和离子是图像的来源，图像的分辨率取决于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子信号的强度、试件的接地情况以及仪器的抗振和磁场。目前商用机型的图像分辨率已经达到了最高的4nm。虽然它的分辨率不如扫描电镜和透射电镜，但对于定点结构的分析，它没有标本制备的问题，在工作时间上更经济。

聚焦离子束投影曝光除了上面提到的极高的曝光灵敏度和无邻近效应外，还包括焦深大于曝光深度，并且可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性。离子束投影透镜的数值孔径仅为0.001，焦深可达100m，也就是说，硅片表面的任何波动都在100微米以内，离子束的分辨率基本不变。而光学曝光的焦深只有1 ~ 2 m，她的主要作用是修复电路，配合生产线做异常分析或者光刻胶切割。

EUV光刻技术

在微电子技术的发展中，人们一直在研究和开发新的集成电路制造技术，以减小线宽和增加芯片容量。我们一般也把软X射线投影光刻称为极紫外投影光刻。在光刻技术领域，我国科学家对极紫外投影光刻的EUV技术进行了最深入的研究，并取得了突破，使得极紫外投影光刻成为未来集成电路生产中最有希望广泛应用的技术。它支持线宽为22纳米及更小的集成电路的生产和使用。

EUV是目前最接近实际应用的深亚微米光刻技术。波长为157nm的准分子激光光刻技术也将在不久的将来投入使用。如果使用波长为13纳米的EUV，可以获得0.1微米的薄带。

1985年前后，前人对EUV技术进行了理论探讨，并进行了许多相关实验。近十年过去了，微电子产业的发展受到了如此大的阻碍，以至于人们有一种紧迫感。而且从微电子技术的发展过程来看，如果不尽快引入极紫外光刻技术来全面改善目前的芯片制造方法，整个芯片产业将岌岌可危。

EUV系统主要由四部分组成：极紫外光源；反射投影系统；光刻掩模；可用于极紫外光抗蚀剂。

极紫外光刻使用的掩模版对准器的对准精度要达到10nm，其研发和制造原理其实和传统光学光刻非常相似。对掩模对准器的研究焦点是要求极其快速和精确的定位以及逐场调平和聚焦技术，因为掩模对准器具有

EUV技术的进步还是比较慢的，而且会消耗很多钱。虽然目前很少有厂商将这项技术应用到生产中，但极紫外光刻技术是近年来的研究热点，各厂商都对这项技术充满期待，希望这项技术能够取得更大的进步，尽快投入大规模使用。

所有制造商都清楚，半导体技术必须采用EUV技术。波长越短，频率越高，光的能量与频率成正比，与波长成反比。然而，由于频率高，传统的光溶胶被直接穿透。现在半导体技术的发展已经从各个方面受到了很多物理学科的制约。

在45nm工艺的刻蚀上，EUV技术已经表现出了一些特点，所以现在EVU技术需要突破，从外部支持上，需要改变光学溶胶，但是还没有找到合适的。从EUV技术本身来说，同时尽量减少输出能量。

当前EUV光刻技术存在的问题：

1、太贵了，高达6500万美元，比193nm ArF浸没式掩模版光刻机还贵；

2、未找到合适的光源；

3、没有无缺陷的掩膜；

没有开发出合适的光致抗蚀剂；

5、人力资源缺乏；

6、可用于22nm工艺的早期开发。

EUV光刻技术展望

在摩尔定律下，在科技飞速发展的信息时代，新一代光刻技术应该被选择和研究，这是目前微电子行业最关心的。在这些高新技术中，极紫外光刻与其他技术相比具有明显的优势。极紫外光刻的分辨率至少可以达到30nm以下，更容易受到集成电路厂商的青睐，因为极紫外光刻是传统光刻技术的延伸，集成电路的设计者更倾向于选择这种完全符合设计规则的光刻技术。极紫外光刻技术掩模制造难度不大，具有一定的成品率优势。

EUV光刻设备的制造成本非常高，包括掩模和工艺。同时，极紫外光刻光学系统的设计和制造极其复杂，存在许多尚未解决的技术问题。然而，正在研究解决这些困难的办法。一旦这些问题得到解决，极紫外光刻技术在大规模集成电路生产中的应用将不再有技术困难。

x射线光刻术

1895年，德国物理学家伦琴首次发现X射线，获得诺贝尔物理学奖。x射线是一种和其他粒子一样具有波粒二象性的电磁波，可以是重原子能级跃迁或电子与电磁场加速耦合辐射的产物。X射线的波长非常短。1972年，X射线首次用于平版印刷术。X射线用于光刻时，其波长通常在0.7-0.12nm之间，其极强的穿透性决定了它在厚材料上也能定义高分辨率的图形。

x射线光刻基础技术

x射线波长极短，所以不会被严重衍射。当我们使用X射线进行曝光时，波长的选择受到某些因素的限制。在曝光过程中，光刻胶会吸收X射线光子，产生光电子，光电子的射程随着X射线波长的变化而变化。这些光电子会降低光刻分辨率。X射线波长越短，光电子射程越远，不利于光刻。因此，增加X射线的波长有助于提高光刻分辨率。然而，长波长的X射线会使图形的线宽变宽。考虑到诸多因素的影响，X射线的波长只能妥协。

今年的研究发现，当图形的线宽小到一定程度(一般在0.01m以下)时，由于波导效应，最终图形的线宽比实际的掩模图形要小，所以X光刻的分辨率也受到掩模和晶片之间距离的影响。

此外，在微加工中，影响X射线光刻图形质量的诸多因素都需要大量的实验研究来解决。

x射线光刻掩模

在后光刻技术中，最重要也是最困难的技术是掩模制造技术，其中1: 1光刻非常困难，是阻碍技术发展的难题之一。因此，我们认为，口罩开发是其应用于工业发展的重要环节，也是决定成败的关键。在过去的发展中，科学家们在这方面取得了很大的进步，一些新材料被发现和应用，其中一些已经在实验室中实践，但在工业发展方面仍然没有重大的成就。

X射线掩模的基本结构包括薄膜、吸收体、框架和衬底，其中Si、sic和金刚石一般用作薄膜的衬底材料。吸收器主要采用金、钨等材料，其结构示意图如图所示：

面罩的性能要求如下：

1、应能有效地透射X射线和其他射线，并保证其具有足够的机械强度、高的X射线吸收率和足够的厚度。

2、保证它的长宽比，要有高分辨率和对比度。

3、为了保证掩膜尺寸的准确性，应该没有缺陷或者缺陷少。

对于Si3N4薄膜这样的衬底，经常使用低压CVD，而蒸发、溅射和电镀经常用于制造吸收体。为了提高X射线掩模的质量，必须正确选择材料和优化工艺。

x射线光刻技术不仅分辨率高，而且具有成品率高的优点。从目前X射线光刻技术的应用现状来看，将其投入量产，使其在大规模或超大规模IC电路的生产中发挥更加重要的作用，指日可待。

纳米压印光刻技术

纳米压印技术是由美国普林斯顿大学的中国科学家周瑜于1995年首先提出的。该技术具有生产效率高、成本低、工艺简单等优点，已被证明是最有希望用于纳米尺度大面积结构复制的下一代光刻技术之一。目前这项技术可以达到5 nm以下的分辨率。纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印和微接触印刷。

纳米压印光刻是加工聚合物结构最常用的方法。它利用高分辨率电子束等方法在印章上制作复杂的纳米结构图案，然后利用预先制作好图案的印章使高分子材料变形，在聚合物上形成结构图案。

1、烫印技术

纳米热压印技术是一种低成本、快速获得微纳尺度平行复制结构的方法。该技术可在高温下按需将印章结构复制到大表面，广泛应用于微纳结构加工。整个烫印过程必须在气压小于1Pa的真空环境下进行，避免因气泡的存在而导致烫印图案失真。烫印印章采用SiC材料，非常坚硬，降低了冲压过程中断裂或变形的可能性。

此外，SiC的化学性质稳定，它不能与大多数化学物质发生反应，所以冲压后使用不同的化学物质清洗印章很方便。在制作密封件的过程中，首先在SiC表面镀上一层具有高选择性(381)的铬膜，作为后续工艺中反应离子刻蚀的刻蚀掩膜。然后，将ZEP抗蚀剂均匀地涂覆在铬膜上，然后通过电子束光刻在ZEP抗蚀剂上蚀刻纳米图案。为了破坏SiC的化学键，必须对SiC施加高电压。最后，在350V的DC电压下，通过反应离子刻蚀在SiC表面获得了刻蚀表面光滑、平面垂直的纳米图形。

整个烫印过程可分为三个步骤：

(1)将聚合物加热到其玻璃化转变温度以上。这样可以降低聚合物的粘度，增加流动性，在一定压力下可以迅速发生变形。但不必将温度升得太高，因为会增加加热和冷却时间，从而影响生产效率，但不会明显改善成型结构，甚至会使聚合物弯曲而导致模具损坏。同时，为了确保聚合物在整个冲压过程中保持相同的粘度，加热温度必须由

(2)在密封上施加机械压力，大约500 ~ 1000千帕。增加密封件和聚合物之间的压力可以填充模具中的空腔。

(3)在冲压过程之后，将整个叠层冷却到低于聚合物的玻璃化转变温度，以便固化图案，提供足够的机械强度，并便于脱模。然后通过反应离子刻蚀去除残留的聚合物(PMMA)，将模板上的纳米图案完全转移到硅衬底表面的聚合物上，再结合刻蚀技术将图案转移到硅衬底上。

紫外压印光刻技术

UV压印工艺是将涂覆有单体的衬底和透明密封件装载到对准器中，并在真空中将它们固定在它们各自的卡盘上。当基底和印模之间的光学对准完成时，接触压花开始。通过密封的紫外线照射促进了印记区域中聚合物的聚合和固化。

与烫印技术相比，紫外线烫印对环境要求较低，且只能在常温低压下进行，因此采用该技术可以大大缩短生产周期，减少密封件磨损。由于工艺流程的需要，要求使用能被紫外线穿透的材料制作紫外压印印章。

过去，密封件是通过在应时基底上涂覆PDMS材料制成的。PDMS是一种杨氏模量很小的弹性体，由PDMS制成的软密封可以达到很高的分辨率。然而，在随后的实验中，发现PDMS由于其物理柔软性，在低外部压力下容易变形。最近，法国国家纳米结构实验室提出使用三层软密封来减少紫外压印密封的变形。

该密封件使用厚度为2mm的应时基底，中间层为厚度为5mm的PDMS缓冲层，顶层由PMMA制成。制作印章的具体步骤如下：首先在离子激活的PDMS材料上均匀涂覆PMMA，在PMMA上镀一层30nm厚的锗膜作为后续工艺的刻蚀掩膜，然后在锗膜上涂覆对电子束高度敏感的抗蚀剂，然后利用电子束光刻和反应离子刻蚀在印章顶层的PMMA上获得高深宽比的图形，最后去除残留的锗膜。这种方法可以在保持高分辨率的同时，大大提高印章的硬度，减少印章的压印变形。