“光刻機(jī)”的概念、技術(shù)及其在專利文獻(xiàn)中的分布

摘 要：光刻機(jī)技術(shù)是大規(guī)模集成電路制造領(lǐng)域中的核心技術(shù)。文章介紹了光刻機(jī)的概念、結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)要技術(shù)發(fā)展歷程，并列舉和解釋了光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，此外，針對(duì)光刻機(jī)技術(shù)的專利文獻(xiàn)查新檢索，總結(jié)了光刻機(jī)技術(shù)在專利文獻(xiàn)分類中的分布情況。

關(guān)鍵詞：光刻，光刻機(jī)，專利，IPC分類

中圖分類號(hào)：N04；TN4；TN30S 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0075-03

Technology of Lithography Tool and its Distribution in Patent Literatures

WANG Xiaodong

Abstract： Lithography tool is a core device used in the manufacture of integrated circuits. The concept， construction and development of lithography tool are introduced in this paper. Several important technical terms are commentated. The distribution of patent literatures concerning the stepper in the IPC classification is proposed for scitech novelty retrieval.

Keywords： lithography，lithography tool，patent，IPC

收稿日期：2014-06-28

作者簡(jiǎn)介：王曉東（1977—），男，江蘇蘇州人，專利審查助理研究員，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)及激光技術(shù)。通信方式：wangxiaodong_2@sipo.gov.cn。

一 光刻機(jī)的概念

光刻是通過曝光將掩膜圖案轉(zhuǎn)移到涂覆于硅片表面的光刻膠上，再經(jīng)顯影、刻蝕等步驟將圖案轉(zhuǎn)移到硅片上的工藝過程[1]。光刻機(jī)（lithography tool）是實(shí)施光刻工藝的核心步驟，即“掩膜對(duì)準(zhǔn)—圖案曝光”的集成設(shè)備系統(tǒng)，光刻機(jī)的分辨率和精度直接決定了晶元上半導(dǎo)體元件的特征尺寸，從而決定了大規(guī)模集成電路的集成度。這使得光刻機(jī)成為大規(guī)模集成電路制造的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。

光刻機(jī)主要分為光學(xué)光刻式和非光學(xué)光刻式。前者如接觸式光刻、接近式光刻、干涉式光刻、光學(xué)投影光刻；后者如非光學(xué)光刻式，如電子束光刻、X射線光刻、離子束光刻、原子力光刻、等離子體光刻。光學(xué)投影式光刻機(jī)是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中使用最為普遍的光刻機(jī)類型。

光學(xué)投影式光刻機(jī)系統(tǒng)一般包括照明、投影光學(xué)系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)焦、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)，掩膜、硅片傳輸系統(tǒng)，工作臺(tái)系統(tǒng)，環(huán)境控制、框架減震、整機(jī)控制等多個(gè)子系統(tǒng)。從光刻機(jī)的系統(tǒng)組成可以發(fā)現(xiàn)，其涉及光學(xué)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制、圖像處理、真空技術(shù)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，光刻機(jī)本身是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，更是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究共同發(fā)展的產(chǎn)物。

二 光刻機(jī)技術(shù)的發(fā)展

半導(dǎo)體芯片在向高集成度和低成本方向發(fā)展的過程中遵循著摩爾定律：即集成電路的集成度每三年增長(zhǎng)4倍，特征尺寸每三年縮小2倍。光刻機(jī)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最核心的技術(shù)，其演變與發(fā)展充分體現(xiàn)了集成電路制造的發(fā)展歷程。自20世紀(jì)70年代至今，光刻機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了10余代的技術(shù)發(fā)展。工藝節(jié)點(diǎn)由微米級(jí)1500nm發(fā)展到目前的納米級(jí)65nm、45nm、22nm水平，光源波長(zhǎng)從436nm發(fā)展到193nm，直至目前的極紫外（EUV）光刻技術(shù)，投影物鏡的數(shù)值孔徑由0.35增長(zhǎng)到1.65，晶圓硅片尺寸由150mm擴(kuò)大到450mm，除此之外，光刻機(jī)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，從早期的接觸式、接近式到目前的步進(jìn)掃描投影式，其性能與產(chǎn)率都得到了大幅提升[2]。

三 光刻機(jī)領(lǐng)域重要技術(shù)術(shù)語(yǔ)

光刻機(jī)技術(shù)的多學(xué)科交叉特征，使得光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中存在多個(gè)特有，或來源于其他領(lǐng)域但具有特殊含義的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，擇其重點(diǎn)介紹如下。

1.紫外、深紫外、極紫外光刻

光刻機(jī)的常見光源分為紫外（UV）、深紫外（DUV）和極紫外（EUV）光源，其中，紫外光通常指波長(zhǎng)為436nm的g線、405nm的h線和365nm的i線；深紫外光通常指準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的248nm和193nm光；而極紫外又被稱為遠(yuǎn)紫外、極遠(yuǎn)紫外或軟X射線，波長(zhǎng)一般在10nm～15nm[3]。曝光光源波長(zhǎng)的縮短提高了曝光分辨率，但也導(dǎo)致對(duì)使用極紫外光源的照明、投影物鏡系統(tǒng)中光學(xué)元件產(chǎn)生特殊的要求。

2.特征尺寸、關(guān)鍵尺寸和分辨率

硅片上形成圖形的實(shí)際尺寸就是特征尺寸（feature size），最小的特征尺寸就是關(guān)鍵尺寸（critical dimension），分辨率（resolution）是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力。

3.投影掩膜版

投影掩膜版（reticle）為石英材質(zhì)，包含了要在硅片上重復(fù)生成的管芯陣列圖形，作用如同投影用的電影膠片。可與投影掩膜版交換使用的術(shù)語(yǔ)還有光掩膜版（photomask）和掩膜版（mask）。

4.投影式曝光

投影式曝光（projection printing）是在掩膜版與光刻膠之間使用投影光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)曝光。投影式曝光可分為掃描投影曝光、步進(jìn)重復(fù)投影曝光和掃描步進(jìn)投影曝光。用于光刻機(jī)的投影光學(xué)系統(tǒng)可包括全折射投影光學(xué)系統(tǒng)、折反射投影光學(xué)系統(tǒng)和全反射投影光學(xué)系統(tǒng)等。

5.對(duì)準(zhǔn)和套刻

對(duì)準(zhǔn)（alignment）是將硅片和掩膜之間的相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)。復(fù)雜的集成電路芯片需要進(jìn)行多次曝光，每曝光一層圖形需要用一塊掩膜版，而每一塊掩膜版在曝光前都需要和已曝光的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，這稱為套刻（overlay）。套刻精度是光刻機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，而對(duì)準(zhǔn)精度是影響套準(zhǔn)精度的關(guān)鍵因素。

6.調(diào)焦和調(diào)平

調(diào)焦（focusing）是把曝光場(chǎng)設(shè)定在投影物鏡焦深范圍內(nèi)的某個(gè)位置或最佳焦面的過程，調(diào)平（leveling）是調(diào)節(jié)硅片表面與光刻機(jī)投影物鏡的軸線相垂直的過程，調(diào)焦調(diào)平是將被曝光面準(zhǔn)確地設(shè)定在有限的焦深范圍之內(nèi)。焦深隨著波長(zhǎng)不斷減小，對(duì)曝光面位置精度要求更高，因此，調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)是高端光刻機(jī)中一個(gè)重要組成部分。

四 光刻機(jī)技術(shù)在專利文獻(xiàn)中的分布

專利文獻(xiàn)的分類規(guī)則并不是按照日常生活中的行業(yè)類型進(jìn)行劃分，因此，當(dāng)需要針對(duì)光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利文獻(xiàn)的查新檢索時(shí)，無法使用“光刻機(jī)”這樣的檢索詞進(jìn)行檢索，而是需要借助專利文獻(xiàn)的分類號(hào)進(jìn)行檢索。

專利文獻(xiàn)的分類有多種劃分方式，包括國(guó)際專利分類（International Patent Classification，IPC）、歐洲專利分類（European Classification，EC）、美國(guó)專利分類（the U.S. Patent Classification， UC）以及日本專利分類（FI/F—term）等。其中，使用最普遍的為國(guó)際專利分類（IPC）。IPC的目的是為了使專利文獻(xiàn)獲得統(tǒng)一的國(guó)際分類，為各知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和其他使用者建立一套用于專利文獻(xiàn)的高效檢索工具。

在IPC分類體系中，涉及光刻機(jī)技術(shù)的專利文獻(xiàn)按照其功能或應(yīng)用分類被拆分在多個(gè)分類號(hào)下。首先，分類號(hào)G03F7/20（曝光及其設(shè)備）及其細(xì)分下的大部分文獻(xiàn)均涉及光刻機(jī)或光刻方法。分類號(hào)G03F9/00（原稿、蒙片、片框、照片、圖文表面對(duì)準(zhǔn)或定位）及其細(xì)分下也涉及較多光刻技術(shù)文獻(xiàn)，側(cè)重于光刻機(jī)中的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)以及調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)。而涉及光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)（包括照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)等）的文獻(xiàn)，則主要分布在G02B（光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器）這一小類中，特別是投影系統(tǒng)，主要分在G02B13/14、G02B13/22、G02B13/24、G02B17/08、G02B17/06等IPC分類號(hào)下。需要注意的是，G02B分類號(hào)下的光學(xué)系統(tǒng)并不都應(yīng)用于光刻機(jī)，當(dāng)僅檢索應(yīng)用于光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)文獻(xiàn)時(shí)，可在上述分類號(hào)的基礎(chǔ)上輔助使用關(guān)鍵詞，以提高檢索效率。

五 結(jié) 語(yǔ)

光刻機(jī)作為微電子裝備中系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)難度最大、單系統(tǒng)價(jià)值最高的關(guān)鍵設(shè)備，是推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。極紫外光刻的出現(xiàn)雖然使光刻系統(tǒng)的材料、工藝接近極限，但隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步發(fā)展，光刻機(jī)技術(shù)必將取得更大突破。

參考文獻(xiàn)

[1] Michael Q.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生，等譯，北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 袁瓊雁，王向朝.國(guó)際主流光刻機(jī)研發(fā)的最新進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44（1）：57-64.

[3] 占平平，劉衛(wèi)國(guó).EUV光刻技術(shù)進(jìn)展[J].科技信息，2011（21）：44，418.