集成電路的飛速發展有賴于相關的制造工藝—光刻技術的發展,光刻技術是迄今所能達到的最高精度的加工技術。

集成電路產業是現代信息社會的基石。集成電路的發明使電子產品成本大幅度降低,尺寸奇跡般減小。以計算機為例，1946年誕生的世界第一臺數字計算機重30噸,占地約140平方米。而集成電路將晶體管、電阻、電容等電子元件連接在小塊的硅片上,可使計算機體積更小,功耗更低,速度更快。自1958年世界上第一塊平面集成電路問世,在短短五十多年間,半導體及微電子技術突飛猛進的發展,帶動了現代信息技術的騰飛。集成電路的發展與其制造工藝─——光刻技術的進步密不可分。

光刻技術的發展史

光刻技術是利用光化學反應原理和化學、物理刻蝕方法將掩模板上的圖案傳遞到晶圓的工藝技術。光刻的原理起源于印刷技術中的照相制版,是在一個平面上加工形成微圖形。光刻技術按曝光光源主要分為光學光刻和粒子束光刻(常見的粒子束光刻主要有X射線、電子束和離子束光刻等)。其中光學光刻是目前最主要的光刻技術,在今后幾年內其主流地位仍然不可動搖。

光刻技術的進步使得器件的特征尺寸不斷減小，芯片的集成度和性能不斷提高。在摩爾定律的引領下,光學光刻技術經歷了接觸/接近、等倍投影、縮小步進投影、步進掃描投影等曝光方式的變革。曝光光源的波長由436納米（G線）,365納米(Ⅰ線)，,發展到248納米(KrF)，再到193納米( ArF)。技術節點從1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90納米、45納米，一直到目前的22納米。集成電路的發展始終隨著光學光刻技術的不斷創新向前推進。

光刻機（也稱光刻系統）是光刻技術的關鍵裝備,其構成主要包括光刻光源、均勻照明系統、投影物鏡系統、機械及控制系統(包括工件臺、掩膜臺、硅片傳輸系統等)。其中光刻光源是光刻機的核心部分。隨著集成電路器件尺寸的不斷縮小,芯片集成度和運算速度的不斷提高,對光刻技術曝光分辨率也提出更高的要求。光學分辨率是指能在晶圓上成像的最小特征尺寸。對于光學投影光刻系統而言,其分辨率由瑞利公式決定:
R= k1λ/NA，
式中,k1為工藝因子,對于單次曝光k1為0.25,λ為光波長,NA為投影物鏡的光學數值孔徑。

由此可知,改進光學分辨率的方法有三條途徑:一是降低k1值;二是提高數值孔徑NA;三是降低波長。在這些途徑中，增大數值孔徑和縮短曝光波長是通過改變曝光設備實現的,而k1因子的降低則是通過工藝技術的改進去實現的,如投影曝光系統各階段采用的分辨率增強技術主要包括偏振光照明、相移掩模板、離軸照明等。

降低曝光光源的波長是光刻技術和設備的一個重要發展趨勢。半個世紀以來隨著光刻技術的發展,特征尺寸隨之減小。在196O年代,半導體芯片制造商主要使用可見光作為光源。到了1980年代,光刻主要應用高壓放電汞燈產生的436納米(G線)和365納米(I線)作為光源。汞燈普遍應用于步進曝光機,從而實現0.35微米的特征尺寸。放電汞燈輻射250納米紫外光的應用,首次實現了降低光刻光源波長的需求,但隨著集成電路技術節點向納米級發展,光刻機光源也很快從近紫外波段的汞燈光源發展到深紫外波段的準分子激光。應用的主要光源從KrF準分子激光器248納米激光，ArF準分子激光器193納米激光到F2準分子激光器157納米激光。當光源波長發展到157納米,由于光刻膠和掩膜材料的局限,圖形對比度低等因素,使得157納米光刻技術的發展受到很大限制。

但研究人員發現可以作為浸沒液的水對193納米光波幾乎完全透明,充人浸沒液后，193納米光源等效波長小于 157納米,同時投影透鏡數值孔徑也有很大的提高。另外193納米光刻機技術相對成熟,開發者需要重點解決的是浸沒技術相關的問題,因而采用浸沒技術的193納米光源取代157納米光源繼續成為研究的熱點。到了2003年,采用193納米波長的130納米工藝已 大規模量產,如當時的奔騰4芯片。

隨著雙重圖形曝光技術的發展,以英特爾(Intel)為代表的芯片制造商已經宣布正式放棄157納米的光刻技術,從90納米工藝一直到未來的45納米工藝都依賴于193納米光刻技術。而隨著浸沒式光刻技術和分辨率增強技術的發展,光刻精度和性能不斷提高。2006年國際商業機器公司(IBM)的科學家宣布,他們采用193納米干涉浸沒光刻裝置NEMO,制作出29.9納米的線條，打破了32納米這一光學光刻極限的預言。采用浸沒技術的ArF準分子激光,目前光刻節點已經達到22納米,未來有可能進一步達到16納米節點。通過不斷創新的光刻技術,摩爾定律仍然得到了保持。

由于可選的光刻曝光光源是有限的,且每更換一種曝光波長,光刻機掩模圖樣和光刻膠的材料,投影物鏡等系統的結構和材料都需更新,因而開發一個新波長的光刻機需要高昂的人力和物力成本,需要多個國家和公司的通力合作方能成功。相對于157納米光刻技術,193納米浸沒式光刻技術不需要研發新的掩模、透鏡和光刻膠材料,193納米漫沒式光刻機甚至可以保留現有193納米干式光刻機的大部分組件,僅需改進設計部分分系統即可。世界上三大光刻機生產商阿斯麥(ASML)、尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司的第一代193納米浸沒式樣機都是在原有193納米干式光刻機的基礎上改進研制而成的,大大降低了研發成本和風險。

用于光刻的193納米準分子激光光源

高端光刻機具有高數值孔徑、高吞吐量、高臨界尺寸控制性能和低運行成本等特點,這些特點要求光刻光源具有相應的激光性能。優質光刻光源要求窄激光譜寬、高波長和能量穩定性、高平均功率和激光重頻。目前193納米的ArF準分子激光采用浸沒技術,可以達到22納米的光刻節點,并向16納米節點延伸。成為高端光刻機的主流光源。

準分子激光器是紫外波段最強大的激光光源,是一種輻射幾十納秒脈寬的紫外放電氣體激光器。準分子是激發態結合而基態離解的受激二聚體,其特點是基態不穩定,一般在振動弛豫時間內便分解為自由的粒子,而其激發態以結合的形式出現并相對穩定,以輻射的形式衰減,因而準分子激光具有高增益的特點。

準分子激光已經在國外有比較成熟的商用產品，美國的西盟（Cymer)和相干（Coherent)公司,日本的Gigaphoton公司是光刻用準分子激光的主要供應商,目前預電離放電泵浦準分子激光可以實現高重頻、高功率、窄線寬的激光輸出。基于 ArF準分子激光器，ASML、Nikon、Canon USA等公司已經開發出商用的光刻系統。自1972年美國勞倫斯·利弗莫爾(LawrenceLivermore)國家實驗室發現波長為170納米的Xe2準分子激光以來,已經相繼獲得17種準分子激光振蕩，其光譜覆蓋126～675納米之間的多個波長。

單個準分子激光腔作為光刻光源難以實現窄譜線和高穩定、高能量脈沖的輸出。一方面要求同一臺激光器同時工作在窄線寬和高輸出能量的極限條件下,另一方面高脈沖能量下紫外光學元件的退化會造成窄線寬工作的壽命下降。經研究發現雙腔結構是一個很好的解決方案。其中一個放電腔產生 窄線寬但低能量的種子脈沖光源,另一個放電腔實現對種子光源的功率放大。典型的雙腔結構有主振蕩功率放大腔(master oscillator power amplifier,MOPA)與種子光注入鎖定系統(injection locking system,ILS)。MoPA結構中,線寬壓窄光學元件工作在較低的重復頻率,因降低了光致熱效應而延長光學元件的壽命。其次，主振蕩器內僅要求產生較低能量的脈沖,更易于獲得極窄線寬光譜,并有助于延長元件壽命。以 Cymer 公司的xLA、xLR系列為代表,種子光注入鎖定系統的特點是種子光在放大腔往返多次放大,其主要優點是性能穩定和運行成本低。以ILS技術為代表的有Gigaphoton公司于2004年開始進入市場的GT40A系列ArF浸沒光刻機。

譜線寬度技術

由放電腔發出的原始光譜寬度達幾百皮米,這樣寬的光譜帶寬無法滿足光刻等應用的要求。以目前主流的光刻光源ArF準分子激光器為例,需要把自由振蕩的500皮米左右的寬帶光譜壓窄至亞皮米量級。光譜帶寬是影響成像能力和特征尺寸的重要因素。由于光學材料在深紫外波長區的限制，ArF光刻系統的投影棱鏡將不可避免地產生色差現象。亞皮米的光譜線展寬所產生的影響也不可忽略,然而,可以通過壓窄光源光譜線寬來減小色差效應。為了實現90納米技術節點的集成電路光刻,必須使激光脈沖的線寬達到亞皮米的量級。其次,采用浸沒式光刻增加數值孔徑的同時,需要更窄的譜寬相匹配。第三,窄線寬可降低光源對臨界尺寸的靈敏度,從而改善由于光源不穩定造成的光刻圖樣的不均勻。第四,較低的k，要求較窄的光譜線寬相匹配。因此,為了減小光刻的特征尺寸,提高拉曼散射效率和熒光光譜分析精度,有必要對較寬的自然光譜進行線寬壓窄。

光刻光源一般采用多棱鏡擴束器和大尺寸光柵組合的線寬壓窄方案閃。棱鏡擴束器用于分離波長并保持較小的發散角,通常使用2~4塊棱鏡可以實現20~40倍的光學擴束。棱鏡材料為紫外波段高透過率的融石英或氟化鈣,在棱鏡的激光人射和出射面通常都鍍有增透膜層。擴束后的光斑投射到大尺寸光柵上,棱鏡組與光柵的光路組成利特羅（Littrow）結構。綜合考慮棱鏡的擴束率、透過率和棱鏡增透的要求,棱鏡的人射角通常設在68~71度之間。大尺寸光柵通常為中階梯光柵,其較大的閃耀角有利于光譜的高階色散和線寬壓縮。擴束后的光束也可以先入射到高反平面鏡再反射到光柵上，轉動高反鏡可改變入射到光柵的角度,從而實現激光中心波長的調諧和穩定控制。

為避免大氣中氧原子對紫外激光強烈吸收造成的能量損耗,同時隔絕外界對光學元件的污染,通常把棱鏡擴束器、反射鏡和大尺寸光柵等光學元件裝配在一個封閉的腔體內。在光刻光源中這樣的腔體被稱為線寬壓窄模塊。在光刻機工作時,線寬壓窄模塊內一般通有特定流量的高純氮氣或氦氣。

激光的光譜寬度除了用峰值的半高全寬（FwHM)表示,同時要可以顯示光譜能量95%的積分寬度（E95)。E95指標的大小及穩定性是光刻機的重要參數之一,它影響曝光系統成像能力和臨界尺寸（cD）控制。Cymer和Gigaphoton最新機型的E95都小于O.35皮米。

光譜穩定技術

高重頻脈沖的波長抖動和短時間內波長的漂移都會引起光譜的增寬。為減少光譜變化引起的曝光像差，光刻光源的波長測量必須要實現較高的精度(相對波長)和準確度(絕對波長)。相對波長的測量可以通過一個或多個標準具來實現。這是因為激光通過標準具形成的干涉環條紋的寬度、間距與激光的波長和線寬相關。另一方面,絕對波長的確定（波長校準）則可以將測得的相對波長與原子吸收線進行比較來實現。穩定的光譜帶寬對低節點光刻應用尤為重要。由于投影鏡頭的色差,光譜帶寬的變化將導致散焦誤差，引起對比度損失和產生光學鄰近誤差。此外,激光腔工作氣體中氟氣的濃度也會影響激光的光譜寬度。在主振蕩-放大結構中光譜寬度會隨兩腔體放電間隔時間呈近線性變化。利用這一特性,可以通過在線檢測激光光譜參數,采用閉環控制系統動態調節放電間隔時間,從而實現對光譜進行短期的穩定控制。線寬壓窄模塊中,同樣利用實時檢測窄線寬激光的光譜,并動態微調光柵的衍射角,以控制中心波長和線寬的穩定性。光束均勻性技術光刻機照明系統的作用是為整個掩模面提供高均勻性照明,通過控制曝光劑量和實現離軸照明模式以提高光刻系統分辨率,增大焦深。高分辨率投影光刻的照明系統對輸出光的波長、均勻性、光強等都有很高的要求,其中照明的均勻性要求為1.5%~1%。照明系統的質量直接影響到投影光刻的質量,高均勻照明技術是照明系統的主要關鍵技術。在對照明均勻性要求不是很高的系統中,可以通過增加補償器來改善光照均勻度,補償器原理是通過控制通光表面各處的透過率來提高光能分布的均勻性。為了更進一步提高輸出光能分布的均勻性,照明系統中通常都采用了光學均勻器(或稱光學積分器)。通常采用復眼透鏡或棒狀導光棒作為光學均勻器。提高均勻性的原理為將光束分割成許多細小的光束,使得每一子光束的均勻性比原有光柬的均勻性都有所提高,然后將所有的子光束在空間疊加,使各子光束的光能分布進一步得到補償,從而較大地提高光能分布的均勻性。

在設計照明系統的光路時,首先應進行擴束的準直系統設計。由于準分子激光的光束截面呈矩形,需要將準分子激光原始的矩形光斑改變成正方形分布,需要一組柱面擴束鏡進行擴束,然后由一組球面擴束鏡擴束為大小較為合適的正方形的光斑,再利用徵透鏡陣列器獲得好的照明均勻性M。這是因為微透鏡陣列分割了能量分布不均勻的激光束,利用數學的積分原理可知,許多細光束疊加就得到了能量分布較為均勻的照明。最后微透鏡陣列組要與聚光鏡組配合才會得到較好的照明均勻性,通常采用柯勒照明(Kohler illumination)方式,微透鏡陣列組的前透鏡陣列被它后面的光學系統在掩模上成像時,其后透鏡陣列應該被聚光鏡組在投影物鏡的入瞳處成像,這樣既保證了像面均勻性,又保證了與投影物鏡之間的匹配。同時為了使投影系統的入瞳與照明系統的出瞳相匹配,照明系統的出瞳要在無窮遠處,此時掩模應位于聚光鏡組的后焦面處。微透鏡陣列后組應位于聚光鏡組的前焦面處,只有這樣才可以保證微透鏡陣列前組被它后面的光學系統成像在掩模上。另外,對于聚光鏡組,因為視場與孔徑角都相對較小,所以只用兩片球面透鏡像差就可以得到較好的校正。

對曝光系統光束能量利用率的問題和通過投影系統后激光光束整體均勻性要求,都需要一些定量的評價指標兇,如準分子激光光束均勻性評價指標主要有加工窗口、能量分數、平頂因子等。

液體浸沒技術

根據瑞利公式,增大數值孔徑（numericalaperture,NA)是一個提高光刻精度的有效技術途徑s。漫沒式光刻技術的原理是在光刻機投影物鏡和晶圓上的光刻膠之間充滿高折射率的液體,從而使數值孔徑大于1。

對于193納米光刻而言,傳統的干式光刻機在投影物鏡和晶圓之間是空氣,其有效數值孔徑最大僅為0.93。而水在193納米處的折射率為1.44,并且具有較高的透過率。在曝光過程中,由于水中溶解的物質有可能沉積到投影物鏡最后一個透鏡的下表面或者光刻膠上,引起成像缺陷,而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡,使光線發生散射和折射。因此,目前業界普遍使用價格便宜、簡單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機的浸沒液體。采用水作浸沒液體,可實現1.35數值孔徑,光刻節點達到了32納米。為了將浸 沒式光刻技術延伸到32納米甚至22納米節點,應用折射率更高的液體取代水作為浸沒液體。許多公司正致力于第二代浸沒液體的研究,已經找到多種折射率在1.65 左有的液體。在引人第二代浸沒液體后,尋找高折射率 （>1.65）的投影物鏡底部透鏡材料將成為進一步提高數值孔徑的關鍵。

浸沒式光刻技術已經展現出巨大的優勢和發展潛力,浸沒帶來的一系列難題也找到了相應的對策。如液體溫度的控制,壓力的測量和控制,氣泡的消除,光刻膠 被液體浸沒產生的污染,光學系統的重新優化。浸沒式光刻機將繼續朝著更大數值孔徑的方向發展。今后各公司將使用各種第二代浸沒液體和高折射率底部透鏡材料搭建實驗平臺進行曝光測試,分析曝光缺陷、線寬均勻性、液體的循環以及液體對成像質量的影響,找到最佳的材料,在此基礎上設計更高數值孔徑的浸沒式光刻機，以應對更小光刻線寬的挑戰。

新一代極紫外光刻光源

目前半導體公司已經進軍10納米工藝,但面臨的物理限制越來越高,半導體工藝提升需要全新的設備。極紫外（EUv)光刻機是特征尺寸突破10納米及之后的7納米、5納米.工藝的關鍵,而波長13.5納米的極紫外光極可能成為下一代光刻光源。激光等離子體極紫外（LPP-EUv)光源由于具有較好的功率擴展能力,目前被認為是最有希望的高功率EUV光刻光源。

由于波長為10～14納米的極紫外光在材料中被強烈吸收,其光學系統必須采用反射形式。LPP-EUv通常是采用高功率的coz激光束照射到液滴靶材（一般為 金屬Sn)上,產生等離子體并輻射出紫外線。再用反射式聚光系統收集EUV輻射并投射到母版上,母版反射的EUv輻射使掩模圖形再經過一個反射的成像系統,縮小投影成像到涂有抗蝕劑的硅片上。限制EU v光源功率提升的個重要難題是去除聚光鏡上靶材殘留物，這些殘留中的Sn會導致鏡面的反射率降低。除了光源外,EUv的技術難題還包括掩膜、精密光學系統及元件的制造等。

在2016年國際光學工程學會(SPIE)的先進光刻技術研討會上,與會者認為:雖然目前EUv技術已經取得了巨大進展,但仍不適合半導體大批量生產制造。荷蘭ASML公司和日本的Gigaphoton公司在EUv光源領域占據領先地位,均已具有250瓦 EUv光源的研發 能力。其中ASML公司開發了NXE:33xOB商業光刻光源，20i6年功率達到250瓦,每小時可量產125片 晶圓。而Gigaphoton公司在2016年7月展示了功率250瓦、效率4%的LPP-EUv原型樣機]。但EUv作為新--代半導體工藝突破的關鍵,進展還是低于預期。現在三星、臺灣積體電路制造公司(臺積電）和英特爾的說法基本統一,預計2020年左右可實現5~7納米節點。EUv光刻機每臺價值1.1億美元,價格昂貴但仍然受到芯片制造廠商的青睞。三星和臺積電公司積極采購EUV光刻機,以謀求在7~10納米節點采用EUV工藝來提高密度并降低成本。

光刻技術是促進集成電路及相關產業發展的關鍵技術。10年前一根512兆字節的內存條價格為幾百元，目前同樣價格買到的內存條可存儲16~32吉字節。今天一個中檔手機的計算性能,超過了10年前的個人微機，并以摩爾定律預計的速度在增長。光刻技術的發展大大提高了芯片的計算速度和存儲量,也在改變著人們的生活。

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關鍵詞: 激光光刻 大規模集成電路 短波長激光器

來源 | 光刻人的世界

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責任編輯：PSY

原文標題：深度：光刻技術的歷史與現狀

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