光学光刻设备发展和展望

李立文



光学光刻设备发展和展望

李立文

（杭州士兰集成电路有限公司，浙江杭州，310000）

摘要：在半导体技术和制造的发展中，半导体加工技术中最为关键的光刻技术和光刻工艺设备， 必将发生显著的变化，本文将对光刻技术和光刻设备的发展历史进行简述，并展望未来光刻技术的趋势。

关键词：光学光刻；设备；发展

1 光刻机的发展概况

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（Mask Aligner）、扫描等倍投影、步进投影、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1 μm、0.5 μm、0.18μm、90 nm、65 nm、45 nm 等节点。

2 光刻机的发展历史

2.1 接触/接近（Mask Aligner）

初期的光刻机，其原理：对准部分用是用一个晶圆尺寸大小的掩膜版放置在一个正空晶圆载片盘上，晶圆被放置到再片盘上后，通过一个拼合视场的物体显微镜进行观看（图一），显微镜可以让操作员同时看到掩膜版的和晶圆的的对准标记和图形的重合情况，通过手动控制，可以左右、上下甚至转动载片盘，直到图形对准。对准完成后，活塞控制晶圆和掩膜版接触，然后由反射和透镜系统得到平行紫外光穿过掩膜版照在光刻胶上。接触式光刻机被其他光刻机取代的主要原因是：（1）接触会破坏较软的光刻胶层或掩膜版，光刻胶和掩膜版的缺陷带来的良率问题。（2）无法解决更大直径的晶圆对准时的光强均匀性问题，造成图形尺寸的变异和对准问题。

图一 接触/接近式光刻机原理

接近式光刻机就是在解决接触式光刻机的接触问题而自然演变出来的，其本质仍然是一个接触式光刻机，但增加了使晶圆和可以近距离或软接触掩膜版的机械装置。接近式光刻机虽然大大减少了接触导致的光刻胶和掩膜版损坏，而提升良率。但分辨率和光强均匀性的问题仍然限制了其在更高集成度要求和更小特征图形尺寸上的使用。

2.2 扫描等倍投影

图二 扫描等倍投影式光刻机原理

接触式光刻机的末期，一直以来有一个替代方案再被研究，就是试图将掩膜版上的图形像幻灯片一样投影到晶圆表面。但这一技术需要需要一个极佳的光学系统，直到20世纪70年代中期，扫描投影光刻机才将这一想法成功实现。

投影扫描式光刻机为了解决全局掩膜投影曝光产生的问题，采用了一个带有狭缝的反射镜系统，狭缝使使更加均匀的一部分光刻照射在反射镜系统上，又投影到晶圆上（图二）。由于狭缝尺寸比晶圆小，因此光束需要在整个晶圆上进行均匀扫描。

2.3 缩小步进投影（Stepper）

扫描投影式的光刻机虽然比接触式光刻机在技术上有很大的飞跃，但随着亚微米级工艺的发展，其全局掩膜，图形失真和对准问题，越来越突出。因此步进投影式光刻机应运而生。

缩小步进投影光刻机，设备复杂度开始大幅提升，其原理是将掩膜版的投影，经过缩相处理（通常为4X或5X），投影到晶圆表面成为一个单元，然后承载晶圆的平台不断移动重复，直至完成整个晶圆的曝光。缩小步进投影光刻机成功的克服了全局掩膜版带来的一系列问题，并且通过缩相原理，可以大幅提升掩膜版制造的精度，因此很快就取代了前一代光刻机。缩小步进投影光刻机成熟后，由于其技术先进性，当时全球有20多家公司投入了步进光刻机的制造和研究。

2.4 缩小步进扫描投影（Scanner）

伴随着0.35μm以下的工艺开发，缩小步进投影式光刻机也开始不能满足技术要求，即使在过渡时期，在最好的缩小步进投影式光刻机上使用了248nm的KrF准分子激光光源，也只能勉强做到0.35μm的技术节点要求。另外为了降低成本，晶圆尺寸从5英寸、6英寸扩大到8英寸和12英寸，此时缩小步进投影式光刻机的每个单元的尺寸越小，需要在晶圆上重复的次数越多，越影响光刻机的效率。而增大单元尺寸对于投影镜头的均匀性很难保证。为了解决这些问题，1991 年美国SVG 公司推出了步进扫描曝光机，它集缩小步进投影光刻机的高分辨率和扫描投影光刻机的大视场、高效率于一身，更适合0.18μm线条的大规模生产曝光。其在原本缩小步进投影光刻机的基础上，增加了掩膜版同步扫描功能，因此只使用了投影镜头的中心很窄的一部分，可以在增大单元尺寸的同时，很好的保证投影图形转移的均匀性。

3 光刻机技术的展望

当紫外光刻技术达到极限后，各大厂商和研究机构对下一代的光刻机进行研究，初期的研究方向有几个：（1）极紫外光刻技术（EUV），这种曝光光源的波长在11 ～14 nm 。波长在1 ～50 nm的光波覆盖紫外线和X 射线区域。所以使用这一波长范围的曝光技术也被称

为极紫外曝光或者软X 射线曝光。其主要的研发难点在于仍然要依托于光学系统，但能作为EUV光刻机的镜头的材料非常少，另外就是掩膜版需要多层金属涂覆才能使用。（2）X-射线技术。当曝光波长降低到5 nm以下时， 属于X 射线范围， X 射线范围的波长比UV 的波长要短， 因而在光刻工艺中可以得到更高的光刻分辨率。但是由于X 射线不能像普通光源那样通过透镜和反射镜等光学系统进行聚焦，因此使用该技术，所有的工艺流程需要重新设计。另外一个应用难点在于掩膜版的制作，X射线会穿透畅通的玻璃和铬制作的掩膜版，必须用金一类的金属来做阻挡层，造价昂贵，工艺复杂。（3）电子束曝光技术（E-BEAM）。

广泛应用于掩模版制造电子束曝光技术，其的波长依赖于电子能量，能量越高，曝光的波长越短。因此具有传统光学曝光技术所达不到的分辨率。但由于其低下的生产效率，很难大规模应用于半导体晶圆生产。（4）离子束曝光技术（IPL）。同电子束曝光技术一样， 离子束曝光技术的分辨率也远远超过了传统的光学曝光技术。由于离子质量比电子大， 所以散射比电子少得多， 因为不存在邻近效应。离子束刻蚀固有地比电子束刻蚀具有更高的分辨力。但其也有效率低下和系统的稳定性等问题，因此其发展还要落后于电子束曝光技术。

4 结语

从90nm工艺时，就有很多人开始一次次质疑，摩尔定律是否还能继续延续，但不论是否能够延续，其就是半导体行业一直追寻且为之不断努力的准则，光刻技术也是因为摩尔定律一次又一次进行着技术革新。

Development and Prospect of optical lithography equipment

Li Liwen
（Hangzhou Silan integrated circuit Co. Ltd.Zhejiang Hangzhou，310000）

Abstract：In the development of semiconductor technology and manufacturing，semiconductor processing technology in the most critical lithography and lithography process equipment，will have significant change，this article will for lithography and briefly describes the development history of lithography equipment，and looking forward to the future trend of lithography.

Keywords：optical lithography；Equipment；The development of