石英玻璃在光刻技术中的应用

王佳佳 王友军 王 鑫（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

半导体产业飞速发展的一个重要原因是集成电路性能的不断提高，而这又依赖于光刻技术的不断进步。微电子有两个著名定律：器件等比例缩小定律和摩尔定律。器件等比例缩小定律指MOS 器件的横向纵向尺寸按一定比例 K 缩小，单位面积上的功耗可保持不变，这时器件所占的面积(因而成本)可随之缩小K2 倍，器件性能可提高K3 倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，还降低了器件相对成本，这也是摩尔定律的物理基础。摩尔定律指出，芯片集成度每l8—24个月增长一倍价格不变，或者说器件尺寸每3年缩小 K 倍，技术整体更新一代。现在这个规律已经成为全球半导体技术的发展指南(Roadmap)。3O年来，集成电路制造技术经历了lO 代。从近几年来看，光刻技术的发展前景尚不明朗，传统光学光刻与几种下一代光刻技术(NGL)——接近式x 射线光刻技术(XRL)、散射角限制电子束投影光刻技术(SCALPEL)、电子束直写光刻技术(EBDW)、极紫外线即软x 射线投影光刻技术 (EUVL)、离子束投影光刻技术(IPL)——没有哪一种能够为产业界完全采纳；另一方面，尽管光学光刻还有着强大的生命力，但它确实已经显示出越来越多的问题和局限性：随着图形分辨力的不断提高，对成像光学器件的要求越来越高，光学透镜系统在成本和研发难度上将成为传统光学光刻的严重阻碍。另外，为提高分辨力而增加的大数值孔径透镜系统将导致掩模的移相容限被耗尽，引起焦深变短从而带来诸多工艺困难，实际上如果整平技术得不到完善的发展，那么日益缩小的焦深也将会是光学光刻终结的原因[1]。从上述各种因素和发展趋势判断：主流光刻技术将从目前的光学光刻转移到下一代光刻技术。

1 传统光学光刻技术

由于光的衍射，光学系统的分辨力在物理上将受到衍射的限制，通常人们引用瑞利准则来描述分辨力：理论上极限分辨力Rth 和相关的焦深Dth 分 别 为：Rth=K1λ/AN；Dth=k2λ ／ AN2传统光学光刻技术提高分辨力主要通过三种途径来实现：

(1)增大光学系统数值孔径：随着光学镜头加工技术的发展，数值孔径NA=0.8的物镜已经研制成功，光刻分辨力可以提高到等于甚至小于曝光波长，但是大数值孔径的光刻物镜使焦深迅速缩短，而在集成电路的实际生产中，必须保证一定的焦深以满足实际生产要求，在这一前提下，通过增大物镜的数值孔径来提高分辨力的方法受到很大限制。

(2)减小曝光光源波长：在增大物镜数值孔径的同时，曝光波长从365nm 一直缩短到目前的193nm，157nm的深紫外光源及透光材料也正在研究之中[2、3]，但存在的问题是：首先难以获得高能强的深紫外光源；其次透深紫外光的光学材料很难获得，在193nm 曝光波长下，熔石英是首选的透光材料，但是，随着曝光时间的增加，熔石英的透光性能也会受到损害，导致系统像差增大，而在157nm 以下的透光材料如CaF2 制备很难，同时与深紫外曝光光源相匹配的光致抗蚀剂也是一个大问题。

(3)降低工艺影响系数K1：影响Kl的因素主要有离轴照明OAI、移相掩模PSM、光学邻近效应校正等。对于180nm的光刻分辨力来说K1 下降到0.5 是必要的，但当K1≤0.5 后，常规的某些光学特征 (如密度线空间图形)就开始消失，这3 种提高分辨力的方法之间的关系是相辅相成、互相平衡的。

2 现代光刻技术

近年来，随着器件尺寸的不断缩小，浸没式光刻因其能实现更高的分辨率为业界所青睐。30多年以来，集成电路技术的发展始终是随着光学光刻技术的不断创新所推进的。在摩尔定律的驱动下，光学光刻技术经历了接触/接近(Aligner)、等倍投影、缩小步进投影(Stepper)、步进扫描投影 (Scanner)曝光方式的变革，曝光波长由436nm的h 线向365nm的i 线、继而到248nm的KrF 到193 nm的ArF 准分子光源，技术上跨 越 了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等节点。光刻技术始终为摩尔定律的不断向前推进而孜孜不懈地努力着，目前已迈向了32nm 节点的开发阶段。在接触／接近式光刻中，由于掩模的损伤和分辨率的限制，难于克服掩模缺陷和分辨率的进一步缩小，迫使人们进一步寻求新的光刻方法来满足批量生产和IC 微缩化的要求。

在这些途径中，增大数值孔径和缩短曝光波长是通过曝光设备来实现的，而K1 因子的降低则是通过工艺技术的改进去实现。第一台商用浸入式扫描光刻机是2003年由ASML 提出的，同年该公司展示了世界上第一个浸入扫描图像。数值孔径为0.7的AT：1150i 只是厂商开始浸入技术研究的概念证明设备。其中，通过使用高折射率浸没液和光学材料进一步提高NA的方法吸引了业界极大的关注，因为采用这种方法现有的许多193nm 光刻基础设施可以继续使用，包括掩模和准分子激光光源。目前，数值孔径为1.35、工作波长为193nm的超NA(hyper NA)水浸扫描光刻机使得以0.27的K1 值进行低至40nm 半节距的生产成为可能。

3 特征尺寸与光刻技术的发展

光刻技术是利用光学复制的方法把超微细图形刻印到半导体衬底上来制作复杂电路的技术，光刻技术的开发是围绕光的波长进行的[4]。光刻设备的发展和进步的历程实质上是一部各类波长应用的历史，光刻技术的发展方向是曝光波长越来越短，多年来的研究工作和技术突破都是沿着436nm (g 线)—365nm (i 线)—248nm (KrF)—193nm (ArF)—157nm—NGL (下一代光刻术)的路线进行的。

1）0.18μm、0.13μm 和90nm 节点下的主流光刻技术

从1990年至2005年，特征尺寸从0.18μm发展到0.13μm，甚至到90nm 时，一般采用的主要光刻技术为深紫外光刻(DUV)。0.13μm 工艺的光刻技术主要采用248nm的KrF Scanner(准分子激光扫描分布投影光刻机)[5]，数值孔径NA 达到0.6，工艺系数K1 小于0.45，曝光面积大于26mm×33mm。为了进一步提高分辨率和光刻工艺宽容度，还可以采用光学波前工程措施，如利用移相掩模(PSM)、光学邻近效应校正(OPC)和离轴照明(OAI)等技术。

2）90nm 和65nm 节点下的主流光刻技术

2003年，193nm ArF Scanne 成 为90nm工艺的主流光刻技术，并开始向70nm 工艺延伸，全球的光学光刻机巨头都推出193nm ArFScanner。几乎与此同时，65 nm 工艺成为全球半导体生产的热门话题，关于9O/65/45nm光刻工艺制作路线，业内大多数人士认为，采用193nm ArFScanner 完成90nm 光刻工艺；采用157nm F2 光刻机完成65 nm 光刻工艺；采用13.4 nm EUV 光刻机完成45nm 光刻工艺。如英特尔光刻工艺原制程路线为：2003年采用193nm ArF 光刻机解决90nm 光刻工艺；2005年采用157nm F2 光刻机解决65nm 光刻工艺；2007年采用EUV 光刻机解决45nm 光刻工艺。可是，2003年5 月英特尔宣布重新调整光刻工艺制作路线，放弃157nm F2 光刻机，试图扩展193nm ArF光刻技术，应用于65/45 nm光刻工艺，并希望193nm ArF 光刻机是干法曝光。因此，完成65nm 光刻工艺有两条途径：一是采用193nm ArF 光刻机；二是采用193nm 浸入式光刻机。

3）45nm 和32nm 节点下的主流光刻技术[1-5]

实现量产45nm 芯片的关键光刻技术有两种：193nm ArF 干法光刻技术和193 nm ArF 浸没式光刻技术(193i)。英特尔凭借着超强财力，坚持使用193nm ArF 干法光刻技术量产45nm 芯片。193nm 浸没式光刻技术主要以增大孔径NA来提高R。由于NA=nsinθ，其中n 为透镜折射系数，θ 指平行激光通过透镜后聚焦成一直径有限的光点时最外光线与光轴间的夹角，可以通过增大n 提高NA。当浸没液为水时，n=1.44，sinθ=0.90，从而可以设计制造出NA>1.0的镜头。除英特尔外，各大IC 公司均采用该光刻技术来研发和量产45nm 芯片。

实现32nm 节点的光刻工艺包含极紫外光刻技术 (EUV)、ArF 浸没式光刻二次成像与二次曝光技术、无掩模光刻技术以及纳米压印光刻技术(NIL)。光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、加工和形成过程。

4 石英玻璃在光刻路线中的应用

根据光刻技术的发展方向：曝光波长越来越短即从436nm(g 线)—365nm(i 线)—248nm(KrF)—193nm(ArF)—157nm（F2）—NGL(下 一 代光刻术)，特征尺寸从技术上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等节点的路线图，对传统和主流的光刻技术中用的光掩膜基础材料—玻璃基片的要求也越来越苛刻，436nm —365nm 波长范围用普通玻璃或JGS2 型石英玻璃即可达到要求，对248nm(KrF)—193nm (ArF) 波长范围的DUV 光刻不能用普通玻璃作掩模基板，只能用对DUV 吸收少的高纯合成石英玻璃（JGS1 型）方能达到曝光波长的要求，对193nm (ArF)—157nm（F2）波长范围得用超高纯合成石英玻璃，目前在157nm 波长下透过率能达到75%以上的石英玻璃几乎是不可能得到的，因为此波长已接近了理想石英玻璃的截止波长，因此特征尺寸在65nm 以下，当暴光波长短到157nm 时，大多数光学镜头材料都是高吸收态，吸收激光能量后受热膨胀，造成球面像差。目前只有氟化钙为低吸收材料，可供157nm 使用，但现无法解决氟化钙镜头结构的双折射等技术问题，而且投入大、成本昂贵，因此目前或未来采用无掩膜光刻技术将成为趋势。

[1]httFI：//www.intel/the intel lithography roadmap/htm；

[2]French R H.Dupont Photomagk,1999.1-33；

[3]Smith HIJ Vac SciTechnol，1995，B13，2323-2328；

[4]CAMPBELL S A.微电子制造科学原理与工程技术，曹莹译.北京电子工业出版社，2003.

[5]翁寿松.0.13 m 工艺与248nm KrF 光刻机.电子工业专用设备，2003，43(3)；