摘 要：闡述了可實(shí)現(xiàn)0.1μm線寬器件加工的幾種候選光刻技術(shù)，對(duì)193nm(ArF)準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)作了較為詳細(xì)的論述，指出其在0.1μm技術(shù)段的重要作用，并提出了研制193nm(ArF)光刻設(shè)備的一些設(shè)想。 關(guān)鍵詞：光學(xué)光刻；光刻設(shè)備；193nm光刻 引言 微電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和其它電子信息技術(shù)的更新?lián)Q代，在信息產(chǎn)業(yè)革命中起著重要的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用。生產(chǎn)設(shè)備在整個(gè)微電子行業(yè)中扮演著舉足輕重的角色，而在微電子器件的制造設(shè)備中，投資最大、作用最關(guān)鍵的是光刻設(shè)備。隨著集成電路集成度的不斷提高，所需光刻機(jī)的價(jià)格及其在生產(chǎn)線總投資中的比例也不斷上升。 根據(jù)2001年國(guó)際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(ITRS)的藍(lán)圖(見(jiàn)表1)，世界集成電路的生產(chǎn)在2004年左右將達(dá)到0.1μm線寬水平，2011年可望達(dá)到0.05 μm線寬水平。微電子技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，光刻機(jī)一直是生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備。由于光刻領(lǐng)域的科研人員的不懈努力及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，光學(xué)光刻一次又一次地沖破其加工極限，幾年以后必然會(huì)將其加工線寬拓展到0.1μm水平。 1 0.1μm線寬的主流光刻技術(shù)將屬于193nm(ArF)準(zhǔn)分子激光光刻 就目前光刻技術(shù)現(xiàn)狀而言，可實(shí)現(xiàn)0.1μm線寬器件加工的主要候選光刻技術(shù)有：電子束投影光刻(SCALPEL)、EUV(11～14 nm軟X射線投影光刻)、X射線光刻(0.7～1.4 nmX射線接近接觸式光刻)、193nm(ArF)步進(jìn)掃描投影光刻、157 nm(F2)步進(jìn)掃描投影光刻。這幾種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，但也都存在不足之處。 1.1 電子束縮小投影光刻(SCALPEL) 電子束曝光(EB)具有波長(zhǎng)短、焦深長(zhǎng)、分辨力高等優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用縮小投影曝光，其生產(chǎn)效率也比電子束直寫(xiě)(EBDW)有明顯提高。但其缺點(diǎn)在于：難以克服空間電荷效應(yīng)、難以實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)準(zhǔn)與套刻、并且其生產(chǎn)效率及工藝?yán)^承性都無(wú)法與光學(xué)光刻相媲美。因此SCALPLE技術(shù)不可能成為0.1μm線寬器件生產(chǎn)的主流光刻技術(shù)。 1.2 EUV(11～14 nm軟X射線投影光刻) EUV技術(shù)相對(duì)于光學(xué)投影光刻技術(shù)而言，因其曝光波長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)相同的光刻分辨力(據(jù)公式 R＝k1λ／NA)可采用很小的數(shù)值孔徑(NA)，焦深(DOF＝k2λ／NA2)將明顯增加。因此一直被認(rèn)為是光學(xué)光刻技術(shù)未來(lái)的理想替代者。但其缺陷在于：光學(xué)系統(tǒng)必須采用較為復(fù)雜的反射式，設(shè)計(jì)和加工很困難，鏡片鍍膜也很困難。EUV技術(shù)的光源一般采用兩種方式，對(duì)同步輻射光源而言：其光功率強(qiáng)、準(zhǔn)直性好，但成本高、占地面積大、使用不便、不適宜用作大生產(chǎn)設(shè)備；對(duì)激光轟擊靶的點(diǎn)光源而言，其占地相對(duì)較? ⑹褂靡卜獎(jiǎng)悖夤β實(shí)汀⒆賈斃圓睢⒊殺疽哺摺Ｍ盓UV技術(shù)要求采用反射式掩模，不僅制作困難、成本高、而且易損壞。此外，EUV技術(shù)在抗蝕劑、高精度對(duì)準(zhǔn)方面還有許多問(wèn)題尚未解決，生產(chǎn)效率也比光學(xué)光刻低很多。因此，EUV技術(shù)在0.1μm甚至更小線寬器件的生產(chǎn)中還難以取代光學(xué)光刻技術(shù)的主流地位。 1.3 X射線光刻XRL(0.7～1.4 nmX射線接近接觸式光刻) XRL技術(shù)不采用投影系統(tǒng)，故其光學(xué)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。國(guó)內(nèi)有報(bào)道稱已用這種技術(shù)做出了幾十納米的圖形，中科院光電技術(shù)研究所和微電子中心研制的采用同步輻射光源的光刻對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)可以做出0.15 μm線寬的GaAsPHEMT器件和0.25 μm線寬的GaAs實(shí)驗(yàn)電路。可以肯定地說(shuō)隨著XRL技術(shù)的不斷完善，它必將成為加工0.1μm線寬器件的一種生產(chǎn)型設(shè)備。但XRL技術(shù)由于受其掩模制作、反射鏡加工鍍膜、精密對(duì)準(zhǔn)、曝光視場(chǎng)小等因素的限制。加之生產(chǎn)率和加工工藝也遠(yuǎn)不如光學(xué)光刻。因此XRL技術(shù)在0.1μm線寬器件的生產(chǎn)中可用于小批量生產(chǎn)，但無(wú)法成為主流光刻技術(shù)。 1.4 157 nm(F2)準(zhǔn)分子激光光刻 曾有人預(yù)言這種光刻技術(shù)的極限分辨力可以達(dá)到50 nm。國(guó)外已有多家公司開(kāi)始研究這種新技術(shù)，瞄準(zhǔn)的目標(biāo)主要是70 nm線寬的芯片。但目前F2光刻技術(shù)所需激光器還不成熟，光學(xué)系統(tǒng)可能采用復(fù)雜的折射式設(shè)計(jì)，透鏡材料可能只有選擇昂貴的CaF2材料(僅透鏡材料就可能達(dá)50萬(wàn)美元)，而CaF2的提純、拋光很困難。另外，其所需的抗蝕劑技術(shù)還有待進(jìn)一步解決。總之，在0.1μm線寬技術(shù)段，157 nm(F2)光刻將難以成為主流技術(shù)。不過(guò)，隨著其技術(shù)難點(diǎn)的攻克及設(shè)備制造成本的降低，它很可能在亞0.1μm光刻技術(shù)中扮演重要角色。 1.5 193nm(ArF)準(zhǔn)分子激光光刻 目前國(guó)際上微細(xì)加工主要處于0.18 μm線寬的水平，其主流的光刻技術(shù)是248 nm(KrF)的準(zhǔn)分子激 光光刻。其機(jī)型主要有：ASML公司的PAS5500／550B，Nikon公司的NSR-S202A，Canon公司的FPA-4000ESI等，這些光刻機(jī)的售價(jià)一般在500～600萬(wàn)美元之間。隨著掩模、抗蝕劑及光刻工藝的提高，248 nm(KrF)技術(shù)也能達(dá)到0.13 μm線寬的要求。但要成為0.1μm線寬器件生產(chǎn)的主流技術(shù)無(wú)疑困難重重，為此國(guó)際上普遍的設(shè)想是在0.13 μm技術(shù)段引入193nm(ArF)光刻，并使之在0.1μm技術(shù)段成為主流光刻技術(shù)，進(jìn)而向0.07 μm技術(shù)段延伸。目前，國(guó)外已有幾種商業(yè)化的193nm(ArF)激光光刻機(jī)研制成功(如表2所示)。雖然這些機(jī)型目前還不能達(dá)到生產(chǎn)0.1μm線寬器件的要求，但其應(yīng)用前景相當(dāng)樂(lè)觀。2 193nm準(zhǔn)分子激光投影光刻的技術(shù)難點(diǎn) 就193nm(ArF)激光光刻技術(shù)目前狀況而言，制約其快速發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面： 2.1 透鏡材料 隨著曝光光源波長(zhǎng)的不斷縮小，光學(xué)透鏡材料的選擇變得越來(lái)越困難。硼硅玻璃對(duì)193nm(ArF)光波的傳輸性能很差，基本上不能用作193nm(ArF)光學(xué)光刻的透鏡材料；而石英玻璃和CaF2材料對(duì)193nm波段的吸收較強(qiáng)，CaF2材料難拋光且成本昂貴；對(duì)石英材料而言，193nm(ArF)的高功率照射會(huì)使其致密或收縮，導(dǎo)致折射率改變，最終使透鏡不能使用，估計(jì)透鏡壽命只有幾個(gè)月或幾年，這取決于透鏡設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量和所使用的脈沖能量密度。熔石英具有較低的熱膨脹系數(shù)，并且在193nm波段有較高的透過(guò)率，其制造技術(shù)也相對(duì)成熟，可作為193nm(ArF)光學(xué)光刻透鏡的首選材料。但在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一些環(huán)節(jié)上也可能必須選擇CaF2材料來(lái)制作鏡頭。 2.2 光學(xué)投影系統(tǒng) 光學(xué)投影系統(tǒng)是光刻設(shè)備研制中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)和制造都非常復(fù)雜，目前研制出的193nm(ArF)光刻機(jī)的投影系統(tǒng)一般都由二三十塊光學(xué)透鏡組成。為此需要解決投影系統(tǒng)的精確理論計(jì)算、光學(xué)透鏡的純度和同質(zhì)性、光學(xué)透鏡的拋光光滑度、透鏡的定位精度等一系列問(wèn)題。對(duì)193nm(ArF)光刻而言，其投影系統(tǒng)一般采用折射式或反射折射式。兩者的差異表現(xiàn)在：①折射透鏡實(shí)現(xiàn)圖形縮小的途徑是通過(guò)圖形的光線穿越一系列鏡片和這些鏡片周圍的氣體(一般是純氮以減少可能的污染)時(shí)光線的折射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。折射量主要取決于鏡片材料，同時(shí)也要受鏡片周圍氮?dú)鉁囟群蛪毫Φ挠绊憽．?dāng)溫度和壓力變化時(shí)，必須對(duì)由此產(chǎn)生的光學(xué)鏡片或鏡片組的實(shí)時(shí)軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。而反射折射鏡頭是通過(guò)在光瞳平面上引入一個(gè)反射鏡，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)大量圖形的縮? Ｓ捎諂浞瓷涔飴凡皇芪露群脫沽Φ撓跋歟圓揮媒懈叢擁鬧嵯蛟碩鉤ァ＂謖凵渚低沸枰枚喔齟籩本兜腃aF2鏡片來(lái)進(jìn)行彩色校正和減少收縮影響。CaF2鏡片價(jià)格昂貴，每千克CaF2的價(jià)格約為1萬(wàn)美元。而反射折射式只使用很少的小直徑CaF2鏡片，因此成本相對(duì)較低。③折射式鏡頭的共軛空間比反射折射式鏡頭大兩倍。④反射折射光學(xué)系統(tǒng)所需的鏡片數(shù)比折射光學(xué)系統(tǒng)要少，因此其成本要低一些，并且其設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜程度也有所降低。最近SVGL公司已在其最新生產(chǎn)的光刻機(jī)中采用了含反射折射透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，使分辨力有所提高。綜上所述，反射折射式系統(tǒng)在兩者的比較中占有較大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑將會(huì)成為193nm(ArF)光刻設(shè)備的主角。但反射折射系統(tǒng)還有一些問(wèn)題需要解決，比如：反射折射光路需要一種立方體的分束器，要確定這種立方體材料和制作這種分束器還有一定的難度。 2.3 掩模—硅片同步掃描 隨著光刻設(shè)備的曝光光源波長(zhǎng)逐漸縮短，數(shù)值孔徑不斷增加，其曝光場(chǎng)的大小必然要受到限制。而要提高生產(chǎn)率，又要求晶片尺寸必須不斷擴(kuò)大，要解決這一難題，只能采用掩模和硅片同步掃描技術(shù)。掃描系統(tǒng)的成像性能主要由掩模臺(tái)和硅片臺(tái)在曝光時(shí)的運(yùn)動(dòng)同步性決定。工作臺(tái)的同步性，是指在限定的時(shí)間內(nèi)，每個(gè)像點(diǎn)穿越照明光狹縫時(shí)，掩模臺(tái)和硅片臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和運(yùn)動(dòng)平均偏差。使用掃描系統(tǒng)后，掃描方向上的光學(xué)像差被平均了，有助于關(guān)鍵尺寸(CD)的控制和減少畸變，而且可以避免使用昂貴的投影系統(tǒng)。目前這項(xiàng)技術(shù)已較為成熟，基本可以滿足生產(chǎn)0.1μm線寬器件的要求。 2.4 激光器 光源是光刻設(shè)備的重要組成部分。準(zhǔn)分子激光器內(nèi)充有兩種按一定比例混合的惰性氣體和鹵素氣體，這種被稱為“受激聚物”的混合氣體可以在遠(yuǎn)紫外光譜區(qū)產(chǎn)生激射脈沖。準(zhǔn)分子激光器輸出的光波波長(zhǎng)取決于“受激聚物”的元素組成狀況，ArF輸出的波長(zhǎng)為193nm。用準(zhǔn)分子激光作為光刻光源的優(yōu)點(diǎn)很多，主要表現(xiàn)在：輸出光波波長(zhǎng)短、強(qiáng)度高、曝光時(shí)間短(幾個(gè)脈沖就可完成曝光)、譜線寬度窄、色差? ⑹涑瞿Ｊ蕉唷⑹奔浜涂占浠靜幌喔?jìng)恽癸嶏w杓粕峽梢允∪ヂ瞬ú糠值鵲取Ｔ?.1μm技術(shù)段光學(xué)光刻對(duì)準(zhǔn)分子激光的要求非常高，其中最為關(guān)鍵的問(wèn)題是如何在高重復(fù)頻率下保持窄帶寬和穩(wěn)定性。而且要求帶寬必須盡可能壓縮，一般帶寬值應(yīng)＜1 pm，通常在光學(xué)諧振腔中插入一個(gè)可實(shí)現(xiàn)帶寬變窄和相位延遲的模塊來(lái)使193nm(ArF)激光器的帶寬變窄。ArF譜線變窄能夠減少用于校正色差的高成本CaF2材料的使用量。目前國(guó)際上193nm(ArF)激光器的技術(shù)開(kāi)發(fā)已基本成熟，正處于向商業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的階段，已有幾家公司的產(chǎn)品投放市? Ｕ廡┘す餛韉鬧饕閱馨ǎ杭す廡試?.5%、頻率約2 000 Hz、輸出功率最大達(dá)20 W，壽命已經(jīng)達(dá)到20億次、轉(zhuǎn)換效率約10%。隨著193nm(ArF)激光器的發(fā)展和成熟，它必將成為0.1μm線寬器件大生產(chǎn)的首選曝光光源。 2.5 光致抗蝕劑材料 目前國(guó)外對(duì)193nm(ArF)抗蝕劑材料的研究主要集中在丙烯酸交替聚合物、環(huán)狀烯族聚合物上。這些抗蝕劑的主要性質(zhì)由透過(guò)率、成像能力和刻蝕性來(lái)體現(xiàn)。由于要滿足分辨力和工藝窗口的要求，需要采用更薄的抗蝕劑層，193nm(ArF)光刻技術(shù)的成功引入要求必須有高性能單層抗蝕劑與之相匹配。由Willson小組研制的193nm(ArF)抗蝕劑表明了單層抗蝕劑能產(chǎn)生亞100 nm特征線寬。這種新的抗蝕劑由聚合物組成，采用了化學(xué)放大技術(shù)。他們使用的脂環(huán)族聚合物很好地把丙烯酸鹽的優(yōu)良透過(guò)率特性和苯乙烯的抗蝕性能結(jié)合起來(lái)，得到非常好的效果。 由于抗蝕劑在激光的照射下會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)和放氣現(xiàn)象，必然會(huì)引起光學(xué)元件的污染。對(duì)193nm(ArF)技術(shù)而言，其CaF2光學(xué)投影系統(tǒng)的公差要求極為嚴(yán)格，即使幾納米的積聚物也可能引起光散射、像閃爍、像差，導(dǎo)致最終降低分辨力，光學(xué)元件的清洗也可能引起質(zhì)地較軟的CaF2透鏡公差發(fā)生變化。為此必須研究新的抗蝕劑，清洗CaF2元件的工序及采用保護(hù)窗口等來(lái)減輕這些影響。 衡量一種設(shè)備能否進(jìn)入生產(chǎn)線的決定性因素在于技術(shù)上的成熟與否和加工成本經(jīng)濟(jì)性(即設(shè)備占用成本COO)的高低，即使一種技術(shù)再成熟，如果其COO高得讓人難以接受，也不可能被用于大批量生產(chǎn)線。目前已開(kāi)發(fā)193nm(ArF)光刻設(shè)備的COO非常高，是248 nm(KrF)光刻設(shè)備在0.18 μm圖形加工中的2.5～3倍。不過(guò)隨著193nm(ArF)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，及193nm(ArF)光刻設(shè)備幾年以后發(fā)展到批量生產(chǎn)階段，其COO必將降低。如果能達(dá)到248 nm(KrF)光刻設(shè)備的1.5倍左右，將會(huì)被器件生產(chǎn)商接受，成為0.1μm線寬器件生產(chǎn)的主流光刻設(shè)備。 3 關(guān)于193nm(ArF)準(zhǔn)分子激光步進(jìn)掃描式投影光刻機(jī)的一些設(shè)想 目前，國(guó)內(nèi)的微電子生產(chǎn)線上絕大部分光刻機(jī)都是價(jià)格昂貴的國(guó)外進(jìn)口設(shè)備。而對(duì)最先進(jìn)的、技術(shù)含量高的設(shè)備，國(guó)外往往對(duì)中國(guó)采取禁運(yùn)、限運(yùn)政策。為了擺脫微電子設(shè)備總是受制于人的難堪局面，國(guó)內(nèi)應(yīng)該在這方面加大研究力度，努力縮小與國(guó)外同行的差距。而且我們研究的出發(fā)點(diǎn)不能只顧眼前，應(yīng)該有一定的前瞻性。目前，248 nm(KrF)光刻設(shè)備是微電子生產(chǎn)線上的主要設(shè)備，而幾年之后將是193nm(ArF)光刻設(shè)備的天下。為此，我們應(yīng)該從現(xiàn)在就著手193nm(ArF)光刻設(shè)備的研究，以便在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī)。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀及中科院光電所二十余年的光刻機(jī)研究歷史，首先用3年左右時(shí)間研制出0.18 μm線寬193nm(ArF)光刻機(jī)，再用2年左右時(shí)間進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，將其線寬拓展到0.1μm。 3.1 整機(jī)系統(tǒng)組成 193nm(ArF)準(zhǔn)分子激光掃描步進(jìn)投影光刻機(jī)由光刻物鏡、掩模—硅片同步掃描系統(tǒng)、掩模—硅片同軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、五軸激光工件臺(tái)定位系統(tǒng)、逐場(chǎng)調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)、高均勻高強(qiáng) 度深紫外照明系統(tǒng)(含波前工程技術(shù))、硅片自動(dòng)傳輸及硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、掩模傳輸及掩模預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、整機(jī)機(jī)架及減振系統(tǒng)等組成。 3.2 關(guān)鍵單元技術(shù) 3.2.1 光刻物鏡 光學(xué)投影式光刻的光刻分辨力R＝k1λ／NA，提高光刻分辨力可以通過(guò)進(jìn)一步增大物鏡數(shù)值孔徑、縮短曝光波長(zhǎng)及減小工藝系數(shù)k1來(lái)實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)0.1μm的光刻分辨力，