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Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。MACBOOK商务谈判-光刻技术的现状及未来发展Lithographytechnologystatusandfuturedevelopment作者：岳雯莹（VivienneYue）单位：西安电子科技大学微电子学院学号：14091106邮箱:yuewenying2003摘要:光刻技术作为集成电路制造最重要的工艺之一，备受瞩目地发展了30年，已达到了一定的水平，也面临了一些问题。那么，今后的若干年后，它会有着什么样的发展呢？关键词：光刻技术（Lithographytechnology）；分辨率增强技术（Resolution-enhancement）；X射线光刻（X-rayLithography），极紫外光刻（ExtremeUltravioletLithography），电子束投影光刻（E-beamLithography）。引言：光刻技术作为IC制造中最重要的工艺，它不仅决定着芯片的最小特征尺寸，还占据着制造成本的30，可见在IC制造中，光刻技术有着弥足轻重的地位，在半个世纪以来，光刻技术不断进步为整个产业的发展提供了最为有力的技术支撑。历经50年，集成电路已经从上世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件。在摩尔定律的指引下，半导体技术的集成度每3年提高4倍。光刻技术作为半导体及其相关产业发展和进步的关键技术之一，一方面在过去的几十年中发挥了重大作用；另一方面，随着光刻技术在应用中技术问题的增多、用户对应用本身需求的提高和光刻技术进步滞后于其他技术的进步凸显等等，寻找解决技术障碍的新方案，去支持产业的进步显得非常紧迫。一光刻技术的重要地位所谓光刻技术指的是集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术,其基本的原理为:光经过光学系统照射到设计好的掩膜(Mask)上,将掩膜图形投影到涂在硅片上的抗蚀剂层(Resist)使得抗蚀剂曝光(Exposure),通过显影(Development)可在抗蚀剂上获得与掩膜相同或者互补的图片,最后经过刻蚀(Etching)可将图形传递到硅片上,从而实现掩膜图形向硅片的转换。光刻技术是集成电路制造技术中最复杂和最关键的工艺步骤之一，人们统称它为半导体工业的“领头羊”。在芯片制造中，会多次反复使用光刻技术，光刻也是决定了集成电路按照摩尔定律发展的一个重要原因，如果没有光刻技术的进步，集成电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。据Sematech的最新报告指出，全球光学光刻设备产业在研发157nm光刻技术中，己投入50亿美元，而在下一代光刻EUV设备的研发中，也己超过74亿美元，足见其高投入及高风险。二光刻技术面临的现状随着集成电路产品技术需求的提升，光刻技术也不断地提高分辨率，以制作更小更细微的器件尺寸。就像ITRS对未来技术路径的修订一样，上世纪基本上35年修正一次，而进入本世纪后，基本上每年都有修正和新的版本出现，这充分说明了光刻技术的重要性和对产业进步的影响。也正是基于这一点，新一轮技术和市场的竞争正在如火如荼的展开，大量的研发和开发资金投入到了这场竞赛中。下我先来了解一下光刻成像系统相质评价有几个重要指标：光刻技术主要指标：（1）分辨率(Resolution)R=/NA，表示能分辨的最小线宽，能分辨的线宽越小，分辨率越高。（2）焦深(Depthoffocus)DOF=/（NA）2，表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想脚面的范围。（3）对比度CON=(Imax-Imin)/(Imax+Imin),是评价成像图形质量的重要指标。(4)特征线宽（Criticaldimension,CD）控制、对准和套刻精度（Alignmentandoverlay）、产率以及价格尺寸控制的要求是以高准度和高精度在完整的硅片表面产生器件特征尺寸。传统上提高光刻技术的分辨率无非是缩短曝光波长及增大镜头的数值孔径NA，通常缩短波长是最有效的方法之一。但是目前光波长缩短的速度跟不上集成电路规模缩小速度，这是一个很大的难题。   了解了这些指标，我们就可以从这些指标来了解光刻技术自1990年到现在的发展进程:年代NA/nmR/m曝光面积/nm*nmDOF/m19900.500.7036550020*201.5.19950.600.6024825020*221.019990.700.5024818026*34#0.620020.700.45248/193150/13026*34#0.520050.750.40248/193130/10026*34#0.420080.800.35193/15780/7026*34#0.320120.800.35157500.3三下一代光刻技术   世界各大公司根据这一现状都采取了新的“分辨率增强（Resolution-enhancement）技术，比如光学邻近校正、相移光刻掩模和沉浸式光刻技术，在32nm节点得到了采用。但即使采用了这些增强技术，布线约束，比如单向性特性，删格布线和约束线加上空间整合也不得不被逐渐的采用。”     为了让摩尔定律的神话继续书写下去，为了解决光刻技术目前遇到的瓶颈，下一代光刻技术正在备受关注的研制中，这其中包括X射线光刻，极紫外光刻，电子束投影光刻，纳米印制光刻等，就这几种技术我们来从下图中详细了解：下一代光刻技术EUVLXRL纳米压印技术EBL基本原理4倍缩小扫描投影，约80层Mo-Si结构多层膜，激光等立体光源1倍X射线接近式投影光刻，1X掩模加热聚合物/自外曝光，印章压印，合物固化电子束曝光光刻，热致发射源和场致发射源前景分辨率：100nm延伸至30nm以下应用领域：ULSI分辨率：100nm掩膜至40nm应用领域：ULSI，GaAsIC，MEMS。分辨率：100nm延伸至5nm以下应用领域：ULSI，纳米加工，MEMS分辨率:小于100nm应用领域：MEMS，纳米加工，单电子器件重大课题无缺陷反射式掩模，多层膜，光源功率，真空环境。大面积平行电子束，1X掩模大面积压印模版的制作，压印过程平整度光刻速率电子束光刻（EBL）电子束光刻具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级，由电子束光束曝光制作的最小尺寸可以达到10-20nm，当电压高达100KV时，电子束曝光计制作出1-2nm的单电子器件。电子束曝光机是无膜直写型，但是由于电子束是扫描成像型的，因此它的生产率极低，现在的发展前途就是与光学光刻的混合匹配曝光技术，即电路的大部分工艺有光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成，结合两者的优势，弥补不足，正由于这些特性，目前电子束光刻一般用于制作高精度掩模。电子束光刻虽然分辨率高，但产量低，加工成本高，只能用在加工关键层，例如接触孔和微通孔。X射线光刻（XRL）XRL光源波长约为1纳米。由于易于实现高分辨率曝光，自从XRL技术在70年代被发明以来，就受到人们广泛的重视。欧洲、美国、曰本和中国等拥有同步辐射装置的国家相继开展了有关研究，是所有下一代光刻技术中最为成熟的技术。XRL的主要困难是获得具有良好机械物理特性的掩膜衬底。近年来掩膜技术研究取得较大进展。SiC目前被认为是最合适的衬底材料。由于与XRL相关的问题的研究已经比较深入，加之光学光刻技术的发展和其它光刻技术的新突破，XRL不再是未来“惟一”的候选技术，美国最近对XRL的投入有所减小。尽管如此，XRL技术仍然是不可忽视的候选技术之一。极紫外光刻（EUL）（ExtremeUltravioletLithography）早在80年代就开始了理论研究和初步进入试验的阶段，1997年由Intel,AMD,Micron,Motorola,SVGL,USAL,AML组成极紫外有限公司和在加州的三的国家实验室参加，共同研发末常委13nm的极紫外光刻机样机。2001年4月在加州Livermore的Sandia国家实验室推出的样机被视为光刻的一个重要里程碑。极紫外光刻技术是以波长10*14nm的极紫外光作为光源。虽然该技术最初被称为软X射线光刻，但本质上与光学光刻十分相似，只是在材料的强烈吸收中存在差异，极紫外光刻技术的光学系统必须采用反射形式。由于不能跟目前的光学光刻及兼容，所以无论哪个部分，传统的光刻工艺都要重新设计。由于及紫外线光源非常难设计，所发出的13m的波长太短，她几乎会被绝大多数的材料吸收，包括空气，传统的设备等，EUV采取新的环境控制，来控制污染，例如采用纳米级精度无摩擦的悬浮工作台。到2001年为止，深度紫外线光刻技术使用的是240纳米的波长。随着工艺降至100纳米波长，芯片制造商也就需要新的芯片制造技术了。使用深度紫外线光刻技术的问题在于，随着光的波长变小，光会被用来聚光的玻璃透镜吸收。结果是光到达不了硅，也就无法在晶圆上生成任何电路图案。这也正是极紫外光刻技术将取代它的原因。在极紫外光刻技术中，玻璃透镜将被反射镜取代以用于聚光。纳米压印光刻技术纳米压印技术是美国普林斯顿大学“尼苏达大学纳米结构实验室”华裔科学家周郁在1995年首选提出的，这项技术具有极高的生产效率，低成本，工艺工程简单等优点，已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能分辨率达5nm以下的水平。纳米压印技术主要包括热压印（HEL）,紫外压印（UV-NIL）以及微接触印刷（CP）。纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章是聚合物材料变形而在聚合物上形成结构团。在压印方法中，除了利用热循环方式和光硬化方式外，还有许多其他的方法，但是无论如何，怎样使图形重合都是一个课题，图形的重合，就是形成的图形要与下层的图形位置重合，这与分辨率是同样重要的，只要图形重合的偏差小，那么即使图形没有细微化，也能够高密地形成图形，能够实现IC的高集成化和高密度化。五未来光刻技术的展望随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，如上所述，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的，应用领域的不同会有所不同，但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言，实现其纳米水平产业化的光刻技术将分成两个阶段，即9032nm阶段将仍然由深紫外和极紫外光刻结合一些新的技术手段去完成，同时纳米压印和扫描探针光刻技术在45nm技术节点将会介入进行过渡；32nm以下的规模生产光刻技术将在纳米压印和扫描探针光刻技术之间选择。总之，未来光刻技术的发展将会更快，技术上将会更加集中，一些没有市场前景和应用的技术将会淘汰。参考文献：1纳米光刻技术现状与进展耿磊陈勇发表于世界科技研究与发展2005.062纳米光刻技术的现状和未来陈献忠姚汉明陈旭南李展罗先刚3图解半导体基础水野文夫鹰野致和4微电子材料与器件制备技术王秀峰伍媛婷5芯片制造-半导体工艺制程使用教程PeterVanZant-