石英玻璃在光刻技術(shù)中的應(yīng)用

王佳佳 王友軍 王 鑫（中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的一個(gè)重要原因是集成電路性能的不斷提高，而這又依賴于光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步。微電子有兩個(gè)著名定律：器件等比例縮小定律和摩爾定律。器件等比例縮小定律指MOS 器件的橫向縱向尺寸按一定比例 K 縮小，單位面積上的功耗可保持不變，這時(shí)器件所占的面積(因而成本)可隨之縮小K2 倍，器件性能可提高K3 倍。所以器件越小，同樣面積芯片可集成更多、更好的器件，還降低了器件相對成本，這也是摩爾定律的物理基礎(chǔ)。摩爾定律指出，芯片集成度每l8—24個(gè)月增長一倍價(jià)格不變，或者說器件尺寸每3年縮小 K 倍，技術(shù)整體更新一代。現(xiàn)在這個(gè)規(guī)律已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展指南(Roadmap)。3O年來，集成電路制造技術(shù)經(jīng)歷了lO 代。從近幾年來看，光刻技術(shù)的發(fā)展前景尚不明朗，傳統(tǒng)光學(xué)光刻與幾種下一代光刻技術(shù)(NGL)——接近式x 射線光刻技術(shù)(XRL)、散射角限制電子束投影光刻技術(shù)(SCALPEL)、電子束直寫光刻技術(shù)(EBDW)、極紫外線即軟x 射線投影光刻技術(shù) (EUVL)、離子束投影光刻技術(shù)(IPL)——沒有哪一種能夠?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界完全采納；另一方面，盡管光學(xué)光刻還有著強(qiáng)大的生命力，但它確實(shí)已經(jīng)顯示出越來越多的問題和局限性：隨著圖形分辨力的不斷提高，對成像光學(xué)器件的要求越來越高，光學(xué)透鏡系統(tǒng)在成本和研發(fā)難度上將成為傳統(tǒng)光學(xué)光刻的嚴(yán)重阻礙。另外，為提高分辨力而增加的大數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)將導(dǎo)致掩模的移相容限被耗盡，引起焦深變短從而帶來諸多工藝?yán)щy，實(shí)際上如果整平技術(shù)得不到完善的發(fā)展，那么日益縮小的焦深也將會是光學(xué)光刻終結(jié)的原因[1]。從上述各種因素和發(fā)展趨勢判斷：主流光刻技術(shù)將從目前的光學(xué)光刻轉(zhuǎn)移到下一代光刻技術(shù)。

1 傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)

由于光的衍射，光學(xué)系統(tǒng)的分辨力在物理上將受到衍射的限制，通常人們引用瑞利準(zhǔn)則來描述分辨力：理論上極限分辨力Rth 和相關(guān)的焦深Dth 分 別 為：Rth=K1λ/AN；Dth=k2λ ／ AN2傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)提高分辨力主要通過三種途徑來實(shí)現(xiàn)：

(1)增大光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑：隨著光學(xué)鏡頭加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值孔徑NA=0.8的物鏡已經(jīng)研制成功，光刻分辨力可以提高到等于甚至小于曝光波長，但是大數(shù)值孔徑的光刻物鏡使焦深迅速縮短，而在集成電路的實(shí)際生產(chǎn)中，必須保證一定的焦深以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，在這一前提下，通過增大物鏡的數(shù)值孔徑來提高分辨力的方法受到很大限制。

(2)減小曝光光源波長：在增大物鏡數(shù)值孔徑的同時(shí)，曝光波長從365nm 一直縮短到目前的193nm，157nm的深紫外光源及透光材料也正在研究之中[2、3]，但存在的問題是：首先難以獲得高能強(qiáng)的深紫外光源；其次透深紫外光的光學(xué)材料很難獲得，在193nm 曝光波長下，熔石英是首選的透光材料，但是，隨著曝光時(shí)間的增加，熔石英的透光性能也會受到損害，導(dǎo)致系統(tǒng)像差增大，而在157nm 以下的透光材料如CaF2 制備很難，同時(shí)與深紫外曝光光源相匹配的光致抗蝕劑也是一個(gè)大問題。

(3)降低工藝影響系數(shù)K1：影響Kl的因素主要有離軸照明OAI、移相掩模PSM、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正等。對于180nm的光刻分辨力來說K1 下降到0.5 是必要的，但當(dāng)K1≤0.5 后，常規(guī)的某些光學(xué)特征 (如密度線空間圖形)就開始消失，這3 種提高分辨力的方法之間的關(guān)系是相輔相成、互相平衡的。

2 現(xiàn)代光刻技術(shù)

近年來，隨著器件尺寸的不斷縮小，浸沒式光刻因其能實(shí)現(xiàn)更高的分辨率為業(yè)界所青睞。30多年以來，集成電路技術(shù)的發(fā)展始終是隨著光學(xué)光刻技術(shù)的不斷創(chuàng)新所推進(jìn)的。在摩爾定律的驅(qū)動下，光學(xué)光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸/接近(Aligner)、等倍投影、縮小步進(jìn)投影(Stepper)、步進(jìn)掃描投影 (Scanner)曝光方式的變革，曝光波長由436nm的h 線向365nm的i 線、繼而到248nm的KrF 到193 nm的ArF 準(zhǔn)分子光源，技術(shù)上跨 越 了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等節(jié)點(diǎn)。光刻技術(shù)始終為摩爾定律的不斷向前推進(jìn)而孜孜不懈地努力著，目前已邁向了32nm 節(jié)點(diǎn)的開發(fā)階段。在接觸／接近式光刻中，由于掩模的損傷和分辨率的限制，難于克服掩模缺陷和分辨率的進(jìn)一步縮小，迫使人們進(jìn)一步尋求新的光刻方法來滿足批量生產(chǎn)和IC 微縮化的要求。

在這些途徑中，增大數(shù)值孔徑和縮短曝光波長是通過曝光設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，而K1 因子的降低則是通過工藝技術(shù)的改進(jìn)去實(shí)現(xiàn)。第一臺商用浸入式掃描光刻機(jī)是2003年由ASML 提出的，同年該公司展示了世界上第一個(gè)浸入掃描圖像。數(shù)值孔徑為0.7的AT：1150i 只是廠商開始浸入技術(shù)研究的概念證明設(shè)備。其中，通過使用高折射率浸沒液和光學(xué)材料進(jìn)一步提高NA的方法吸引了業(yè)界極大的關(guān)注，因?yàn)椴捎眠@種方法現(xiàn)有的許多193nm 光刻基礎(chǔ)設(shè)施可以繼續(xù)使用，包括掩模和準(zhǔn)分子激光光源。目前，數(shù)值孔徑為1.35、工作波長為193nm的超NA(hyper NA)水浸掃描光刻機(jī)使得以0.27的K1 值進(jìn)行低至40nm 半節(jié)距的生產(chǎn)成為可能。

3 特征尺寸與光刻技術(shù)的發(fā)展

光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超微細(xì)圖形刻印到半導(dǎo)體襯底上來制作復(fù)雜電路的技術(shù)，光刻技術(shù)的開發(fā)是圍繞光的波長進(jìn)行的[4]。光刻設(shè)備的發(fā)展和進(jìn)步的歷程實(shí)質(zhì)上是一部各類波長應(yīng)用的歷史，光刻技術(shù)的發(fā)展方向是曝光波長越來越短，多年來的研究工作和技術(shù)突破都是沿著436nm (g 線)—365nm (i 線)—248nm (KrF)—193nm (ArF)—157nm—NGL (下一代光刻術(shù))的路線進(jìn)行的。

1）0.18μm、0.13μm 和90nm 節(jié)點(diǎn)下的主流光刻技術(shù)

從1990年至2005年，特征尺寸從0.18μm發(fā)展到0.13μm，甚至到90nm 時(shí)，一般采用的主要光刻技術(shù)為深紫外光刻(DUV)。0.13μm 工藝的光刻技術(shù)主要采用248nm的KrF Scanner(準(zhǔn)分子激光掃描分布投影光刻機(jī))[5]，數(shù)值孔徑NA 達(dá)到0.6，工藝系數(shù)K1 小于0.45，曝光面積大于26mm×33mm。為了進(jìn)一步提高分辨率和光刻工藝寬容度，還可以采用光學(xué)波前工程措施，如利用移相掩模(PSM)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(OPC)和離軸照明(OAI)等技術(shù)。

2）90nm 和65nm 節(jié)點(diǎn)下的主流光刻技術(shù)

2003年，193nm ArF Scanne 成 為90nm工藝的主流光刻技術(shù)，并開始向70nm 工藝延伸，全球的光學(xué)光刻機(jī)巨頭都推出193nm ArFScanner。幾乎與此同時(shí)，65 nm 工藝成為全球半導(dǎo)體生產(chǎn)的熱門話題，關(guān)于9O/65/45nm光刻工藝制作路線，業(yè)內(nèi)大多數(shù)人士認(rèn)為，采用193nm ArFScanner 完成90nm 光刻工藝；采用157nm F2 光刻機(jī)完成65 nm 光刻工藝；采用13.4 nm EUV 光刻機(jī)完成45nm 光刻工藝。如英特爾光刻工藝原制程路線為：2003年采用193nm ArF 光刻機(jī)解決90nm 光刻工藝；2005年采用157nm F2 光刻機(jī)解決65nm 光刻工藝；2007年采用EUV 光刻機(jī)解決45nm 光刻工藝?？墒?，2003年5 月英特爾宣布重新調(diào)整光刻工藝制作路線，放棄157nm F2 光刻機(jī)，試圖擴(kuò)展193nm ArF光刻技術(shù)，應(yīng)用于65/45 nm光刻工藝，并希望193nm ArF 光刻機(jī)是干法曝光。因此，完成65nm 光刻工藝有兩條途徑：一是采用193nm ArF 光刻機(jī)；二是采用193nm 浸入式光刻機(jī)。

3）45nm 和32nm 節(jié)點(diǎn)下的主流光刻技術(shù)[1-5]

實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)45nm 芯片的關(guān)鍵光刻技術(shù)有兩種：193nm ArF 干法光刻技術(shù)和193 nm ArF 浸沒式光刻技術(shù)(193i)。英特爾憑借著超強(qiáng)財(cái)力，堅(jiān)持使用193nm ArF 干法光刻技術(shù)量產(chǎn)45nm 芯片。193nm 浸沒式光刻技術(shù)主要以增大孔徑NA來提高R。由于NA=nsinθ，其中n 為透鏡折射系數(shù)，θ 指平行激光通過透鏡后聚焦成一直徑有限的光點(diǎn)時(shí)最外光線與光軸間的夾角，可以通過增大n 提高NA。當(dāng)浸沒液為水時(shí)，n=1.44，sinθ=0.90，從而可以設(shè)計(jì)制造出NA>1.0的鏡頭。除英特爾外，各大IC 公司均采用該光刻技術(shù)來研發(fā)和量產(chǎn)45nm 芯片。

實(shí)現(xiàn)32nm 節(jié)點(diǎn)的光刻工藝包含極紫外光刻技術(shù) (EUV)、ArF 浸沒式光刻二次成像與二次曝光技術(shù)、無掩模光刻技術(shù)以及納米壓印光刻技術(shù)(NIL)。光刻技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)意義上的范疇，它幾乎包括和覆蓋了所有微細(xì)圖形的傳遞、加工和形成過程。

4 石英玻璃在光刻路線中的應(yīng)用

根據(jù)光刻技術(shù)的發(fā)展方向：曝光波長越來越短即從436nm(g 線)—365nm(i 線)—248nm(KrF)—193nm(ArF)—157nm（F2）—NGL(下 一 代光刻術(shù))，特征尺寸從技術(shù)上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等節(jié)點(diǎn)的路線圖，對傳統(tǒng)和主流的光刻技術(shù)中用的光掩膜基礎(chǔ)材料—玻璃基片的要求也越來越苛刻，436nm —365nm 波長范圍用普通玻璃或JGS2 型石英玻璃即可達(dá)到要求，對248nm(KrF)—193nm (ArF) 波長范圍的DUV 光刻不能用普通玻璃作掩?；?，只能用對DUV 吸收少的高純合成石英玻璃（JGS1 型）方能達(dá)到曝光波長的要求，對193nm (ArF)—157nm（F2）波長范圍得用超高純合成石英玻璃，目前在157nm 波長下透過率能達(dá)到75%以上的石英玻璃幾乎是不可能得到的，因?yàn)榇瞬ㄩL已接近了理想石英玻璃的截止波長，因此特征尺寸在65nm 以下，當(dāng)暴光波長短到157nm 時(shí)，大多數(shù)光學(xué)鏡頭材料都是高吸收態(tài)，吸收激光能量后受熱膨脹，造成球面像差。目前只有氟化鈣為低吸收材料，可供157nm 使用，但現(xiàn)無法解決氟化鈣鏡頭結(jié)構(gòu)的雙折射等技術(shù)問題，而且投入大、成本昂貴，因此目前或未來采用無掩膜光刻技術(shù)將成為趨勢。

[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.微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)，曹瑩譯.北京電子工業(yè)出版社，2003.

[5]翁壽松.0.13 m 工藝與248nm KrF 光刻機(jī).電子工業(yè)專用設(shè)備，2003，43(3)；