摘 要：闡述了可實現0.1μm線寬器件加工的幾種候選光刻技術，對193nm(ArF)準分子激光光刻技術作了較為詳細的論述，指出其在0.1μm技術段的重要作用，并提出了研制193nm(ArF)光刻設備的一些設想。 關鍵詞：光學光刻；光刻設備；193nm光刻 引言 微電子技術的發展促進了計算機技術、通信技術和其它電子信息技術的更新換代，在信息產業革命中起著重要的先導和基礎作用。生產設備在整個微電子行業中扮演著舉足輕重的角色，而在微電子器件的制造設備中，投資最大、作用最關鍵的是光刻設備。隨著集成電路集成度的不斷提高，所需光刻機的價格及其在生產線總投資中的比例也不斷上升。 根據2001年國際半導體協會(ITRS)的藍圖(見表1)，世界集成電路的生產在2004年左右將達到0.1μm線寬水平，2011年可望達到0.05 μm線寬水平。微電子技術發展過程中，光刻機一直是生產中最關鍵的設備。由于光刻領域的科研人員的不懈努力及相關學科的發展，光學光刻一次又一次地沖破其加工極限，幾年以后必然會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將屬于193nm(ArF)準分子激光光刻 就目前光刻技術現狀而言，可實現0.1μm線寬器件加工的主要候選光刻技術有：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)步進掃描投影光刻、157 nm(F2)步進掃描投影光刻。這幾種技術各有優勢，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)具有波長短、焦深長、分辨力高等優點，而且由于采用縮小投影曝光，其生產效率也比電子束直寫(EBDW)有明顯提高。但其缺點在于：難以克服空間電荷效應、難以實現高精度的對準與套刻、并且其生產效率及工藝繼承性都無法與光學光刻相媲美。因此SCALPLE技術不可能成為0.1μm線寬器件生產的主流光刻技術。 1.2 EUV(11～14 nm軟X射線投影光刻) EUV技術相對于光學投影光刻技術而言，因其曝光波長短，實現相同的光刻分辨力(據公式 R＝k1λ／NA)可采用很小的數值孔徑(NA)，焦深(DOF＝k2λ／NA2)將明顯增加。因此一直被認為是光學光刻技術未來的理想替代者。但其缺陷在于：光學系統必須采用較為復雜的反射式，設計和加工很困難，鏡片鍍膜也很困難。EUV技術的光源一般采用兩種方式，對同步輻射光源而言：其光功率強、準直性好，但成本高、占地面積大、使用不便、不適宜用作大生產設備；對激光轟擊靶的點光源而言，其占地相對較? ⑹褂靡卜獎悖夤β實汀⒆賈斃圓睢⒊殺疽哺摺Ｍ盓UV技術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技術在抗蝕劑、高精度對準方面還有許多問題尚未解決，生產效率也比光學光刻低很多。因此，EUV技術在0.1μm甚至更小線寬器件的生產中還難以取代光學光刻技術的主流地位。 1.3 X射線光刻XRL(0.7～1.4 nmX射線接近接觸式光刻) XRL技術不采用投影系統，故其光學系統較為簡單。國內有報道稱已用這種技術做出了幾十納米的圖形，中科院光電技術研究所和微電子中心研制的采用同步輻射光源的光刻對準系統可以做出0.15 μm線寬的GaAsPHEMT器件和0.25 μm線寬的GaAs實驗電路。可以肯定地說隨著XRL技術的不斷完善，它必將成為加工0.1μm線寬器件的一種生產型設備。但XRL技術由于受其掩模制作、反射鏡加工鍍膜、精密對準、曝光視場小等因素的限制。加之生產率和加工工藝也遠不如光學光刻。因此XRL技術在0.1μm線寬器件的生產中可用于小批量生產，但無法成為主流光刻技術。 1.4 157 nm(F2)準分子激光光刻 曾有人預言這種光刻技術的極限分辨力可以達到50 nm。國外已有多家公司開始研究這種新技術，瞄準的目標主要是70 nm線寬的芯片。但目前F2光刻技術所需激光器還不成熟，光學系統可能采用復雜的折射式設計，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50萬美元)，而CaF2的提純、拋光很困難。另外，其所需的抗蝕劑技術還有待進一步解決。總之，在0.1μm線寬技術段，157 nm(F2)光刻將難以成為主流技術。不過，隨著其技術難點的攻克及設備制造成本的降低，它很可能在亞0.1μm光刻技術中扮演重要角色。 1.5 193nm(ArF)準分子激光光刻 目前國際上微細加工主要處于0.18 μm線寬的水平，其主流的光刻技術是248 nm(KrF)的準分子激 光光刻。其機型主要有：ASML公司的PAS5500／550B，Nikon公司的NSR-S202A，Canon公司的FPA-4000ESI等，這些光刻機的售價一般在500～600萬美元之間。隨著掩模、抗蝕劑及光刻工藝的提高，248 nm(KrF)技術也能達到0.13 μm線寬的要求。但要成為0.1μm線寬器件生產的主流技術無疑困難重重，為此國際上普遍的設想是在0.13 μm技術段引入193nm(ArF)光刻，并使之在0.1μm技術段成為主流光刻技術，進而向0.07 μm技術段延伸。目前，國外已有幾種商業化的193nm(ArF)激光光刻機研制成功(如表2所示)。雖然這些機型目前還不能達到生產0.1μm線寬器件的要求，但其應用前景相當樂觀。2 193nm準分子激光投影光刻的技術難點 就193nm(ArF)激光光刻技術目前狀況而言，制約其快速發展的主要技術難點在于以下幾個方面： 2.1 透鏡材料 隨著曝光光源波長的不斷縮小，光學透鏡材料的選擇變得越來越困難。硼硅玻璃對193nm(ArF)光波的傳輸性能很差，基本上不能用作193nm(ArF)光學光刻的透鏡材料；而石英玻璃和CaF2材料對193nm波段的吸收較強，CaF2材料難拋光且成本昂貴；對石英材料而言，193nm(ArF)的高功率照射會使其致密或收縮，導致折射率改變，最終使透鏡不能使用，估計透鏡壽命只有幾個月或幾年，這取決于透鏡設計、材料質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，并且在193nm波段有較高的透過率，其制造技術也相對成熟，可作為193nm(ArF)光學光刻透鏡的首選材料。但在整個光學系統的一些環節上也可能必須選擇CaF2材料來制作鏡頭。 2.2 光學投影系統 光學投影系統是光刻設備研制中最為關鍵的環節，其設計和制造都非常復雜，目前研制出的193nm(ArF)光刻機的投影系統一般都由二三十塊光學透鏡組成。為此需要解決投影系統的精確理論計算、光學透鏡的純度和同質性、光學透鏡的拋光光滑度、透鏡的定位精度等一系列問題。對193nm(ArF)光刻而言，其投影系統一般采用折射式或反射折射式。兩者的差異表現在：①折射透鏡實現圖形縮小的途徑是通過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)時光線的折射來實現的。折射量主要取決于鏡片材料，同時也要受鏡片周圍氮氣溫度和壓力的影響。當溫度和壓力變化時，必須對由此產生的光學鏡片或鏡片組的實時軸向運動進行補償。而反射折射鏡頭是通過在光瞳平面上引入一個反射鏡，由它來實現大量圖形的縮? 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鏡片來進行彩色校正和減少收縮影響。CaF2鏡片價格昂貴，每千克CaF2的價格約為1萬美元。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反射折射光學系統所需的鏡片數比折射光學系統要少，因此其成本要低一些，并且其設計和制造的復雜程度也有所降低。最近SVGL公司已在其最新生產的光刻機中采用了含反射折射透鏡的光學系統，使分辨力有所提高。綜上所述，反射折射式系統在兩者的比較中占有較大的優勢，無疑將會成為193nm(ArF)光刻設備的主角。但反射折射系統還有一些問題需要解決，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 隨著光刻設備的曝光光源波長逐漸縮短，數值孔徑不斷增加，其曝光場的大小必然要受到限制。而要提高生產率，又要求晶片尺寸必須不斷擴大，要解決這一難題，只能采用掩模和硅片同步掃描技術。掃描系統的成像性能主要由掩模臺和硅片臺在曝光時的運動同步性決定。工作臺的同步性，是指在限定的時間內，每個像點穿越照明光狹縫時，掩模臺和硅片臺相對運動的標準偏差和運動平均偏差。使用掃描系統后，掃描方向上的光學像差被平均了，有助于關鍵尺寸(CD)的控制和減少畸變，而且可以避免使用昂貴的投影系統。目前這項技術已較為成熟，基本可以滿足生產0.1μm線寬器件的要求。 2.4 激光器 光源是光刻設備的重要組成部分。準分子激光器內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紫外光譜區產生激射脈沖。準分子激光器輸出的光波波長取決于“受激聚物”的元素組成狀況，ArF輸出的波長為193nm。用準分子激光作為光刻光源的優點很多，主要表現在：輸出光波波長短、強度高、曝光時間短(幾個脈沖就可完成曝光)、譜線寬度窄、色差? ⑹涑瞿Ｊ蕉唷⑹奔浜涂占浠靜幌喔傘⒐飴飛杓粕峽梢允∪ヂ瞬ú糠值鵲取Ｔ?.1μm技術段光學光刻對準分子激光的要求非常高，其中最為關鍵的問題是如何在高重復頻率下保持窄帶寬和穩定性。而且要求帶寬必須盡可能壓縮，一般帶寬值應＜1 pm，通常在光學諧振腔中插入一個可實現帶寬變窄和相位延遲的模塊來使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。目前國際上193nm(ArF)激光器的技術開發已基本成熟，正處于向商業化生產轉化的階段，已有幾家公司的產品投放市? 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20 W，壽命已經達到20億次、轉換效率約10%。隨著193nm(ArF)激光器的發展和成熟，它必將成為0.1μm線寬器件大生產的首選曝光光源。 2.5 光致抗蝕劑材料 目前國外對193nm(ArF)抗蝕劑材料的研究主要集中在丙烯酸交替聚合物、環狀烯族聚合物上。這些抗蝕劑的主要性質由透過率、成像能力和刻蝕性來體現。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，采用了化學放大技術。他們使用的脂環族聚合物很好地把丙烯酸鹽的優良透過率特性和苯乙烯的抗蝕性能結合起來，得到非常好的效果。 由于抗蝕劑在激光的照射下會產生蒸發和放氣現象，必然會引起光學元件的污染。對193nm(ArF)技術而言，其CaF2光學投影系統的公差要求極為嚴格，即使幾納米的積聚物也可能引起光散射、像閃爍、像差，導致最終降低分辨力，光學元件的清洗也可能引起質地較軟的CaF2透鏡公差發生變化。為此必須研究新的抗蝕劑，清洗CaF2元件的工序及采用保護窗口等來減輕這些影響。 衡量一種設備能否進入生產線的決定性因素在于技術上的成熟與否和加工成本經濟性(即設備占用成本COO)的高低，即使一種技術再成熟，如果其COO高得讓人難以接受，也不可能被用于大批量生產線。目前已開發193nm(ArF)光刻設備的COO非常高，是248 nm(KrF)光刻設備在0.18 μm圖形加工中的2.5～3倍。不過隨著193nm(ArF)技術的不斷發展和成熟，及193nm(ArF)光刻設備幾年以后發展到批量生產階段，其COO必將降低。如果能達到248 nm(KrF)光刻設備的1.5倍左右，將會被器件生產商接受，成為0.1μm線寬器件生產的主流光刻設備。 3 關于193nm(ArF)準分子激光步進掃描式投影光刻機的一些設想 目前，國內的微電子生產線上絕大部分光刻機都是價格昂貴的國外進口設備。而對最先進的、技術含量高的設備，國外往往對中國采取禁運、限運政策。為了擺脫微電子設備總是受制于人的難堪局面，國內應該在這方面加大研究力度，努力縮小與國外同行的差距。而且我們研究的出發點不能只顧眼前，應該有一定的前瞻性。目前，248 nm(KrF)光刻設備是微電子生產線上的主要設備，而幾年之后將是193nm(ArF)光刻設備的天下。為此，我們應該從現在就著手193nm(ArF)光刻設備的研究，以便在未來的競爭中搶得先機。結合我國現狀及中科院光電所二十余年的光刻機研究歷史，首先用3年左右時間研制出0.18 μm線寬193nm(ArF)光刻機，再用2年左右時間進行技術升級，將其線寬拓展到0.1μm。 3.1 整機系統組成 193nm(ArF)準分子激光掃描步進投影光刻機由光刻物鏡、掩模—硅片同步掃描系統、掩模—硅片同軸對準系統、五軸激光工件臺定位系統、逐場調平調焦系統、高均勻高強 度深紫外照明系統(含波前工程技術)、硅片自動傳輸及硅片預對準系統、掩模傳輸及掩模預對準系統、整機機架及減振系統等組成。 3.2 關鍵單元技術 3.2.1 光刻物鏡 光學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進一步增大物鏡數值孔徑、縮短曝光波長及減小工藝系數k1來實現。要實現0.1μm的光刻分辨力，