浅析光刻技术演变

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2022-07-22 17:14:46 22

以ASML的光刻机为例，其主要由光源模组(Source)、光罩模组（Reticle）、聚光镜(Optics)和晶圆模组（Wafer）四大模组组成。

图1：ASML High NA光刻机

紫外光从光源模组(Source)生成之后，被导入到照明模组(illumination module，该系统要对光的能量、均匀度、形状进行检测和控制)，光穿过光罩后，聚光镜模组(Optics)将影像聚焦成像在晶圆表面的光阻层上。

其中，光罩模组可分为光罩传送模组(Reticle Handler)及光罩平台模组(Reticle Stage)。光罩传送模组负责将光罩由光罩盒一路传送到光罩平台模组，而光罩平台模组负责承载及快速来回移动光罩；晶圆模组分为晶圆传送模组(Wafer Handler)及晶圆平台模组(Wafer Stage)。晶圆传送模组负责将晶圆由光阻涂布机一路传送到晶圆平台模组，而晶圆平台模组（一般是双平台）负责承载晶圆及*定位晶圆来曝光。

光刻工艺的基本原理是，利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用，记录掩模版上的电路图形，从而实现将集成电路图形从设计转印到衬底的目的。如下图所示：首先，使用涂胶机在衬底表面涂敷光刻胶；其次，使用光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光，利用光化学反应作用的机制，记录光刻机传输的掩模版图形信息，完成掩模版图形到衬底的保真传输、转印；然后使用显影机对曝光衬底进行显影，再刻蚀；最后去除受到残留的光刻胶。

图2：光刻工艺流程

集成电路经过几十年的发展，随着工艺节点不断缩小至7nm以下，曝光波长逐渐缩短至13.5nm，光刻技术也在逐步完善成熟，从接触/接近式光刻、光学投影光刻、步进重复光刻、扫描光刻、到浸润式光刻和最先进的EUV光刻。

接触/接近式光刻

接触式光刻技术出现于20世纪60年代，它是小规模集成电路(SSI)时代的主要光刻手段，主要用于生产特征尺寸大于5μm的集成电路。其工作原理为近场菲涅尔衍射(Fresnel Diffraction)成像，其最高分辨率可以达到亚微米级，掩模版上的图形与曝光在衬底上的图形在尺寸上基本是1:1的关系，即掩模版与衬底的尺寸一样大，可以一次曝光整个衬底。在接触/接近式光刻机中，掩模版与衬底表面的光刻胶直接接触，减小了光的衍射效应，但在接触过程中衬底与掩模版之间的摩擦会在二者表面形成划痕，与此同时很容易产生颗粒沾污。这会降低衬底成品率以及掩模版的使用寿命，故接近式光刻技术得以引入。

图3：接触式光刻示意图

接近式光刻技术于20世纪70年代被广泛应用，与接触式光刻相比，接近式光刻中的掩模版与衬底上的光刻胶并未直接接触，而是留有被氮气填充的间隙。掩模版浮在氮气之上，掩模版与衬底之间的间隙大小由氮气的气压来决定。在接近式光刻中，最小分辨尺寸与间隙成正比，间隙越小，最小分辨尺寸越小，也即分辨率越高。一般来说，衬底的平整度在1~2μm，要使掩模版悬空在衬底上方而不碰到衬底，掩模版与衬底的最小间隙需控制在2~3μm，这使得接近式曝光机的空间分辨率极限约为2μm。随着特征尺寸缩小，出现了投影光刻技术。

图4：接近式光刻示意图

投影光刻技术

投影光刻技术自20世纪70年代中后期开始替代接触/接近式光刻，基于远场傅里叶光学成像原理，在掩模版和光刻胶之间采用了具有缩小倍率的投影成像物镜，可以有效提高分辨率。

图5：投影光刻示意图

投影光刻的基本分辨率计算公式为：

图6：投影光刻的基本分辨率计算公式

式中，k₁为工艺因子，其理论极限值是0.25；NA为成像物镜的数值孔径；λ为所使用的光源的波长。可见要想提高分辨率，就要增大数值孔径NA，缩减波长以及减小工艺因子k₁。目前主流的曝光波长从g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)，一直缩减到EUV(13.5nm)。EUV光源波长是光刻机能够使用的*波长，最短可以达到6.8nm。在ASML最*的第二代High－NA光刻机，其孔径也由0.33增大至0.55。

图7：光刻工艺的光源的变化

早期，投影光刻技术中掩模版与衬底图形尺寸比例为1：1，然而随着集成电路特征尺寸的不断缩小以及衬底尺寸的增大，缩小倍率的步进重复光刻技术问世，替代了图形比例为1:1的扫描光刻方式。

步进重复光刻技术

步进重复光刻利用22mmx22mm的典型静态曝光视场(FOV)和缩小比为5:1或4:1的光学投影物镜，将掩模版上的图形缩小转印到衬底上。下图是步进重复光刻原理图。在光刻过程中，掩模版固定不动，衬底晶圆步进运动，以完成一片晶圆全部曝光工作。目前步进重复光刻主要应用于0.25μm以上工艺，以及先进封装领域。当IC工艺来到0.25μm以下时，由于步进扫描光刻机在扫描曝光视场尺寸及曝光均匀性上均具有优势，使得步进重复光刻机的应用开始缩减。

图8：步进重复光刻示意图

步进扫描光刻技术

在步进扫描光刻中，单场曝光采用动态扫描方式，即掩模板相对衬底晶圆同步完成扫描运动；完成当前曝光后，晶圆由工作台承载步进至下一步扫描场位置，继续进行重复曝光；重复步进并扫描曝光多次，直至整个晶圆所有场曝光完毕。步进扫描光刻的投影物镜倍率通常为4：1，即掩模板图形尺寸为晶圆图形尺寸的四倍，掩模台扫描速度也为工作台的4倍（在光刻中要时刻、严格保持掩模台相对工作台的高速、高精度同步运动。例如在浸润式光刻机中，工作台扫描速度达0.8m/s，对应掩模台速度达到3.2m/s,同时相对运动控制精度达到nm量级），且扫描方向相反，下图是步进扫描光刻示意图。

图9：步进扫描光刻示意图

通过配置不同种类的光源(如i线、KrF、ArF)，步进扫描光刻或者基于步进扫描光刻改进的光刻技术可支撑半导体前道工艺所有的技术节点。对于典型的硅基底CMOS工艺，从0.18μm节点开始便大量采用步进扫描光刻；目前在7nm以下工艺节点使用的极紫外光刻机(EUV)也采用步进扫描方式。

浸润式光刻技术

根据上面的公式，随着线宽越来越小，要想得到更小的光刻成像分辨率，可以选择更短的波长，或者提高数值孔径（NA），简单来说，数值孔径和投影物镜直径大小正相关，可以通过增加投影物镜的直径来提高数值孔径。同时，单个透镜本身的光学特性会导致原始图像的失真（像差），因此需要靠不同透镜的组合来修正图像的形变。在ASML DUV光刻机中的先进机种，投影物镜的高度超过1米，直径大于40厘米，物镜内各种镜片的数量超过15片。

在干式光刻机中，当光从投影物镜射出时，由玻璃介质进入空气介质，会产生折射效应，射出投影物镜的光角度会产生变化，最终在晶圆表面聚焦成像。当我们缩小线宽，为了仍可收到1阶衍射光而加大投影物镜的直径时，从投影物镜内聚焦的光角度也会愈来愈大，再经过折射效应，射出投影物镜的光角度会愈来愈接近水平。最后，由于角度太大加上折射效应，投影物镜内的光产生全反射而返回物镜内，无法成像。如下图所示。

图10：干式光刻示意图

采用ArF的光源的扫描光刻机的极限就在于65nm的线宽，小于65nm的线宽，光射无法从物镜中出来，即使再增大物镜直径也是徒劳。

浸润式光刻技术就出现了，其在投影物镜的下方和晶圆之间充满了水。由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波长的雷射中,折射率空气=1，水=1.44，玻璃约为1.5），从投影物镜射出的光进入水介质后，折射角较小，由此折射光就可以正常从物镜中折射出来。

图11：光线在玻璃、空气、水中的折射

目前主流采用的纯净水的折射率为1.44，所以ArF光源加浸润技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。采用ArF的光源浸润式光刻的最小分辨率可以达到38nm。为了实现更小工艺线宽的要求，通过采用多重图形技术（多重曝光），可使光刻水平进一步提高，可支撑7nm节点工艺。

值得一提的是，在未出现浸润式光刻技术之前，业界半导体研发团队都在专注于157nm波长技术的研发，来自我国台湾地区林本坚教授，创造性地提出“浸润式微影技术”后，ASML开始与台积电合作开发浸润式光刻机，并在 2007年成功推出*台浸润式光刻机TWINSCANXT:1900i，并一举垄断市场。当时的另两大光刻巨头尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻机被市场抛弃，这也是尼康、佳能由盛转衰，ASML一家独大的重要转折点。

浸润式光刻技术加上多重曝光技术虽然能最小支撑7nm工艺，但在集成电路实际大规模生产中，其工艺复杂、同时成本又很高，伴随着工艺节点来到5nm，在业界又引入了EUV光刻技术。

EUV光刻技术

相对于浸润式光刻，引入波长10-14nm的极紫外光作为曝光光源，形成的EUV光刻工艺，不光可以减小掩模版数目，节约成本，同时可以提高光刻的精度与可靠性。引入极紫外光，设备对光源功率以及光学系统地要求极高。据了解，ASML 从1999年开始EUV光刻机的研发工作，原计划在2004年推出产品。但直到2010年ASML才研发出*台EUV原型机， 2016年才实现下游客户的供货，比预计时间晚了十几年。

图12：ASML下一代High NA的工艺路线

ASML*代EUV NXE3400B型号的光刻机，其数值孔径为0.33、光源波长为13.5nm、扫描视场为26mm×33mm、光学分辨率可以达到13nm半周期。据了解，台积电已使用该设备实现了5nm逻辑芯片的量产。未来，对于更先进的节点，ASML计划2024量产高数值孔径（NA=0.55）极紫外光刻技术，其分辨率为8nm半周期，可以更快更好地曝光更复杂的集成电路图案，同时密度增加2.9倍，*支持3nm以下乃至埃米级工艺节点。台积电于今年6月份的技术论坛上曾表示，新一代High NA光刻设备将于2024年用于生产纳米片晶体管（GAAFET）架构的2nm（N2）芯片，预计在2025年量产。

图13：各个工艺节点和光刻技术的关系图

无掩模光刻技术

无掩模光刻也称直写光刻，是指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的衬底上，无需掩膜直接进行扫描曝光。主要有电子束直写光刻、离子束直写光刻、激光直写光刻等，其特点是灵活性高，可柔性制作集成电路，但生产效率很低，在集成电路大规模生产中运用较少，一般用于集成电路器件原型的研制验证制作、光刻掩模版的制作等。

光刻技术的演变势必也要带来相关材料的更替，其中就包括了半导体材料皇冠上的明珠——光刻胶。作为集成电路电子化学品中技术壁垒最高的材料，其纯度要求高、生产工艺复杂，同时还需要较长的技术积累。下期我们将对光刻胶材料相关技术与市场现状进行梳理，敬请关注。

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