光刻機的發展歷程及工藝流程

?光刻技術的發展及光刻機簡介?

光刻技術作為一項精密的微納加工工藝，通過將設計好的微小圖案轉移到光敏感的材料表面。其核心在于利用光刻機將精準的圖案轉移到基片上，從而實現微小結構的精確制造。

在半導體工業中，光刻技術是制造芯片的基石，決定著芯片的結構和性能。它使得我們能夠在微米甚至納米級別上制造電路結構，成為各種電子設備的核心組成部分。每一代芯片制造都依賴于光刻技術的創新，因為其決定著芯片功能的擴展和性能的提升。

光刻機經歷了5代產品發展，每次改進和創新都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。按照使用光源依次從g-line、i-line發展到KrF、ArF和EUV；按照工作原理依次從接觸接近式光刻機發展到浸沒步進式投影光刻機和極紫外式光刻機。

圖1 光刻機的發展歷程

20世紀60年代接觸式光刻技術出現，是小規模集成電路時期最主要的光刻技術。接觸式光刻技術中掩膜版與晶圓表面的光刻膠直接接觸，一次曝光整個襯底，掩膜版圖形與晶圓圖形的尺寸關系是1:1，分辨率可達亞微米級。特點：接觸式可以減小光的衍射效應，但在接觸過程中晶圓與掩膜版之間的摩擦容易形成劃痕，產生顆粒沾污，降低了晶圓良率及掩膜版的使用壽命，需要經常更換掩膜版，故接近式光刻技術得以引入。

20世紀70年代接近式光刻技術廣泛應用，接近式光刻技術中的掩膜版與晶圓表面光刻膠并未直接接觸，留有被氮氣填充的間隙。特點：最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，分辨率越高。缺點是掩膜版和晶圓之間的間距會導致光產生衍射效應，因此接近式光刻機的空間分辨率極限約為2μm。隨著特征尺寸縮小，出現了投影光刻技術。

20世紀70年代中后期出現投影光刻技術，基于遠場傅里葉光學成像原理，在掩膜版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡，有效提高了分辨率。早期掩膜版與襯底圖形尺寸比為1:1。

圖2 投影光刻示意圖

隨著集成電路尺寸的不斷縮小，出現了縮小倍率的步進重復光刻技術，步進重復光刻時掩膜版固定不動，晶圓步進運動，完成全部曝光工作。隨著集成電路的集成度不斷提高，芯片面積變大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進的步進掃描光刻機問世。目前步進重復光刻主要應用于0.25μm以上工藝及先進封裝領域。步進掃描光刻技術在曝光視場尺寸及曝光均勻性上更有優勢，在0.25μm以下的制造中減少了步進重復光刻機的應用。步進掃描采用動態掃描方式，掩膜版相對晶圓同步完成掃描運動，完成當前曝光后，至下一步掃描場位置，繼續進行重復曝光，直到整個晶圓曝光完畢。從0.18μm節點開始，硅基底CMOS工藝大量采用步進掃描光刻，7nm以下工藝節點使用的EUV采用的也是步進掃描方式。

圖3 步進重復光刻示意圖

圖4 步進掃描光刻示意圖

投影光刻技術根據投影物鏡下方和晶圓間是否有水作為介質可以分為干式光刻和浸潤式光刻。

干式光刻技術無法滿足不斷縮小的線寬：光從投影物鏡射出，由玻璃介質進入空氣介質，會發生衍射，光角度發生變化，最終成像于晶圓表面。隨著線寬不斷縮小，衍射效應不斷增加，需要增大投影物鏡直徑來接受更多的光，這導致物鏡內聚焦的光角度越來越大，再經過折射效應，射出投影物鏡的光角度接近水平，無法成像，因此出現了浸潤式光刻技術。

浸潤式光刻技術使光刻水平進一步提高：投影物鏡下方和晶圓間充滿水，由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波長中,折射率空氣=1，水=1.44，玻璃約為1.5），從投影物鏡射出的光進入水介質后，折射角較小，光可以正常從物鏡中折射出來。ArF光源加浸潤技術實際等效的波長為193nm/1.44=134nm。

圖5 干式、浸潤式系統示意圖

光刻技術利用多重曝光工藝實現更小線寬。三種多重曝光技術：LELE、LFLE、SADP，誤差較小的是SADP。

1）LELE（LITHO-ETCH-LITHO-ETCH 光刻-刻蝕-光刻-刻蝕）：原理是把原來一層光刻圖形拆分到兩個或多個掩膜上，利用多次曝光和刻蝕來實現原來一層設計的圖形。

圖6 LELE工藝流程圖

2）LFLE（LITHO-FREEZE-LITHO-ETCH 光刻-固化-光刻-刻蝕）：原理是將第二層光刻膠加在第一層已被化學凍結但沒去除的光刻膠上，再次進行光刻，形成兩倍結構。LELE和LFLF技術的特點就是流程簡單，缺點是兩次光刻之間存在對準問題，如果工藝不夠嚴謹，每次曝光的線寬偏差和兩次曝光圖形之間套刻誤差將導致圖形局部周期性的起伏。

3）SADP又稱側墻圖案轉移，用沉積、刻蝕技術提高光刻精度：在晶圓上沉積金屬介質層、硬掩膜材料和芯軸材料（犧牲層）旋涂光刻膠，曝光顯影后留下所需圖形并刻蝕核心芯軸在芯軸外圍沉積一層間隔側墻，側墻的大小即互連線的線間距，要精確控制其均勻度保證互連線間距的均一性清除掉芯軸材料，僅留下側壁，再一次刻蝕將側壁圖形轉移到下層掩膜層側墻清除，經過掩膜層修飾后的圖形，經過再一次刻蝕后傳遞給金屬介質層形成最終圖形，線寬僅為原來的1/2，SADP可以兩次達到4倍精度。

多重曝光可實現7nm制程但技術復雜成本高：多次LE或SADP可以實現7nm制程，但多重曝光技術提高了對刻蝕、沉積等工藝的技術要求并且增加了使用次數，使晶圓光刻成本增加了2-3倍。

圖7 SADP工藝流程

隨著微納米加工技術的發展，除了接觸式、投影式、掃描式及步進式等光刻，光刻技術的范疇也在不斷拓展：

電子束光刻系統是產生聚焦電子束和控制電子束按照設計的版圖直寫的設備，在基本原理上，他和掃描電子顯微鏡是類似的。包括光柱（產生聚焦電子束和控制電子束偏轉和有無）、電子束檢測系統（檢測到達樣品表面電子束流大小）、反射電子檢測系統（觀察樣品表面對準標記）、工作臺系統（放置和精確移動樣品）、真空系統（獲得高真空環境）、高壓電壓和計算機圖形發生系統（將設計圖形數據準換成控制偏轉器的電信號）。電子束光刻系統的應用比較豐富，因為他是可控獲得納米級圖形的重要工具，因而被廣泛應用于以新材料（如超材料、表面工程）、前沿物理研究（如超導、量子）、仿生（功能性表面）、光子（微納光學、光波導、光子晶體）、生物（DNA測試、納流控）、微電子等研究領域。隨著近年來科技市場發展，電子束也被應用于3D結構光器件的加工、光子芯片加工、高功率芯片加工領域，還有掩膜版制作這個傳統領域等。

圖8 電子束曝光系統結構簡圖

離子束光刻技術：離子束本質上和電子束是一樣的，都是帶電粒子經過電磁場聚焦形成細束。它們的主要區別在于兩者的質量不同。很顯然，離子的質量要遠大于電子，它能有效地避免電子束散射的問題，離子束光刻能獲得比電子束光刻更髙的分辨率，其最小的分辨率能達到5nm。離子束有非常高的靈敏度，這個特點既是優點，也是缺點。靈敏度太高，需要的離子數目相對較少，就會產生較大的統計噪聲，隨機分布的波動就會越大，這在曝光效果上等效為曝光圖形邊緣的粗糙度增加。而離子束曝光的主要問題在于離子穿透深度太小，即使對于100kev的鎵離子束，其曝光深度也不足0.1um，再加上離子束曝光系統與曝光工藝的復雜性，成本高昂，最終沒有發展起來。

由于聚焦離子束較重的離子質量可以直接將固體表面的原子剝離, 因此其更廣泛地是用來作為一種直接的微細加工工具，如離子濺射、離子束輔助沉積等。尤其是聚焦離子束在半導體集成電路的生產開發中，扮演著非常關鍵的角色，主要的應用表現在審査與修改集成電路芯片、修復光刻掩模缺陷、制作透射電鏡樣品、離子注入摻雜改變半導體材料的導電性以及作為多用途切割工具等。

圖9 聚焦離子束曝光裝置示意圖

激光直寫光刻是利用強度可變的激光束對基片表面的抗蝕材料實施變劑量曝光，顯影后在抗蝕層表面形成所要求的浮雕輪廓。激光直寫系統的基本工作原理是由計算機控制高精度激光束掃描，在光刻膠上直接曝光寫出所設計的任意圖形，從而把設計圖形直接轉移到掩模上。激光直寫系統主要由He-Cd激光器、聲光調制器、投影光刻物鏡、CCD攝像機、顯示器、照明光源、工作臺、調焦裝置、He-Ne激光干涉儀和控制計算機等部分構成。激光直寫的基本工作流程是：用計算機產生設計的微光學元件或待制作的VLSI掩摸結構數據；將數據轉換成直寫系統控制數據，由計算機控制高精度激光束在光刻膠上直接掃描曝光；經顯影和刻蝕將設計圖形傳遞到基片上。激光直寫光刻技術受限于激光波長，在光刻精度上不如電子束、離子束等帶電粒子光刻技術，無法滿足高端半導體器件制造的需求，但在光伏領域較為適用。目前激光直寫的方式在光伏電鍍銅領域更被廣泛關注和應用。

圖10 激光直寫光刻結構示意圖及結果展示

光柵曝光系統是一套低成本的光學曝光系統，能獲得高分辨率的周期性結構。同傳統的紫外曝光機類似，涂覆了光刻膠的基片以非接觸方式放置在掩膜版下面，被紫外光束照射。得益于Displacement Talbot Lithography（DTL）技術，不需要復雜的光路系統，就可以實現高分辨率的圖形曝光。該技術克服了傳統光刻中衍射的限制，使亞微米-納米尺度的周期圖案具有更優異的曝光質量。在曝光過程中光刻版和基片是非接觸的，能夠避免光刻版的污染或損傷。DTL技術利用光學衍射自成像原理，突破傳統曝光精度極限，設備沒有景深限制，在曝光過程中無需聚焦成像，使光刻機在非平面的表面或者較厚的光刻膠上，仍然可以曝光得到高均勻性的圖案。但是，光柵曝光系統不是所有圖形都能做，主要針對周期性或準周期性的圖形。主要應用于XR（AR/VR/MR）、光電子器件、光學器件及生物醫療等領域。

納米壓印（NIL）是一種微納加工技術，將設計并制作在模板上的微小圖形，通過壓印等轉移到涂有高分子材料基板上。壓印的分辨率由所用印模板圖形的結構大小決定，物理上沒有光刻機中投影光學系統中的衍射極限的限制，可復制納米級線寬的圖形和結構。NIL技術不需要復雜的光路系統和昂貴的光源，可以大幅降低制造成本。NIL技術只要預先制作好圖案，即使是復雜結構也能一次性成型。目前納米壓印技術還存在模板缺陷和套準等問題，需要時間才能成熟地進入市場。