光刻技術論文(2)
光刻技術論文
光刻技術論文篇二
下一代光刻技術
【摘要】本文從多方面對下一代光刻技術做了介紹和分析，重點描述了納米壓印光刻技術、極紫外光刻技術、無掩模光刻技術、原子光刻技術、電子束光刻技術等的原理、現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，并展望了未來數(shù)十年的主流光刻技術。
【關鍵詞】下一代光刻技術;納米壓印光刻技術;極紫外光刻技術;無掩模光刻技術;原子光刻技術;電子束光刻技術
一、引言
隨著特征尺寸越變越小，傳統(tǒng)的光學光刻已經(jīng)逼近了物理上的極限，需要付出相當高昂的資金及技術代價來研發(fā)相應光刻設備，所以科研單位和廠商都投入巨大的精力和資金來研發(fā)下一代的能兼具低成本和高分辨力的光刻技術[1]。國內(nèi)山東大學、四川大學、中科院微電子所和光電所等研究單位紛紛加大了對研究新光刻技術的投入;佳能、尼康、ASML等世界三大光刻機巨頭以及其他一些公司為了搶占光刻設備的市場份額，亦投入了大量的資金做研發(fā)[2]。下面將從原理、現(xiàn)狀、優(yōu)缺點等多方面對幾種新光刻技術作簡要的介紹。
二、納米壓印光刻技術
1995年，美國Princeton大學的華裔科學家――周郁，提出了納米壓印光刻技術，由于其與傳統(tǒng)光學投影光刻技術不一樣，所以自發(fā)明后就一直受到人們的關注。這種技術將納米結(jié)構(gòu)的圖案制在模具上面，然后將模具壓入阻蝕材料，將變形之后的液態(tài)阻蝕材料圖形化，然后利用反應等離子刻蝕工藝技術，將圖形轉(zhuǎn)移至襯底。該技術通過使阻蝕膠受到力的作用后變形這種方式來實現(xiàn)阻蝕膠的圖形化，而不是通過改變阻蝕膠化學性質(zhì)來實現(xiàn)，所以可以突破傳統(tǒng)光學光刻在分辨力上面的極限[3]。納米壓印光刻技術有諸多優(yōu)點：(1)不需OPC掩模版，所以成本低;(2)可以一次性圖形轉(zhuǎn)印，所以方便批量生產(chǎn);(3)不受瑞利定律的約束，所以分辨力高。當然，該技術也存在著一些缺點，比如無法同時轉(zhuǎn)印納米尺寸與大尺寸的圖形。納米壓印光刻技術的分辨力已經(jīng)可以達到5nm以下，成為下一代主流光刻技術的可能性非常大。
三、極紫外光刻技術
極紫外光刻技術的全稱為極端遠紫外光刻技術。波長在11到14nm之間的極紫外通過周期性多層薄膜反射鏡輻射至反射掩模，通過縮小投影反射系統(tǒng)，反射出來的極紫外將反射掩模上的圖形在硅片抗蝕劑里投影成像，形成光刻圖形[4]。極紫外光刻技術主要采用同步輻射極紫外光源和極紫外點光源這兩種光源，因為波長短，會被絕大部分材料甚至氣體強烈地吸收，所以無法使用常規(guī)折射光學系統(tǒng)，而只能在真空中利用反射式光學系統(tǒng)進行。極紫外光刻技術的優(yōu)點有：(1)高分辨力，能達到30nm以下;(2)相比之下具有一定量產(chǎn)優(yōu)勢;(3)在原理上，與157nm光學光刻相類似，更易被廠商接受;(4)工藝相對簡單。該技術的缺點有：(1)反射鏡的制造很難;(2)光源設計有較大的難度;(3)需要采用更繁瑣的反射式投影系統(tǒng)。極紫外光刻技術在經(jīng)過最近幾年的研究之后已經(jīng)有了比較大的進展，受到了許多廠商及科研機構(gòu)的關注。該技術的優(yōu)勢很明顯，高分辨力、高生產(chǎn)率、工藝相對比較簡單，雖然設計制造光學系統(tǒng)較困難的缺點也同樣明顯，但其非常有可能成為下一代主流光刻技術。
四、無掩模光刻技術
掩模成本隨器件特征尺寸的不斷減小而迅速上升，為此，人們開始對無掩模光刻技術研究投入巨大的熱情。無掩模光刻技術有基于光學的(OML)，也有基于帶電粒子的(CPML)。其中CPML可以采用原子光刻、離子束光刻、電子束光刻等，離實用化還有很長的距離。顯而易見，無掩模光刻技術的最大優(yōu)勢就是降低成本，無需專門針對每種芯片都制造一套掩模。其缺點有：(1)OML與CMPL均存在和光刻工藝的兼容性問題，對于影響套準與線寬的誤差修正也比較難;(2)OML選擇何種光束仍是難題;(3)CPML帶電離子束存在污染問題。無掩模光刻技術目前還存在許多問題，可能應用于特殊領域，但是在近期內(nèi)成為主流光刻技術的可能性微乎其微。
五、原子光刻技術
原子光刻技術最早是由美國貝爾實驗室提出，激光的梯度場會對原子產(chǎn)生作用力，而該技術就算利用這種作用力使傳播過程中的原子束流密度分布改變，從而使原子有規(guī)律地在基板上沉積，形成納米級的特定圖案。利用原子光刻技術來制作納米圖案，一般有兩種方案可以用：(1)用光抽運作用，使亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子束形成空間強度分布，原子束將基板上面的特殊膜層破壞，并在基板上面利用化學腐蝕的方法刻蝕成形。(2)金屬原子束利用共振光壓高度準直化，然后形成空間強度分布并直接在基板上面沉積。原子光刻技術的優(yōu)點有：(1)原子的衍射極限大大小于常規(guī)光刻紫外光的衍射極限，這是由于原子德布羅意波長相當短;(2)分辨力極高，這是由于呈中性的原子不易受電荷影響。該技術的缺點有：(1)成像質(zhì)量會受到梯度場和原子作用時間的影響;(2)聚焦時，會有一部分原子偏離理想的聚焦點，從而造成像差。原子光刻技術雖然被提出的時間還不長，但是許多大學都對其展開了各項研究，并且取得了一些重要成果，不過，該技術離實用化還有相當?shù)木嚯x。
六、電子束光刻技術
20世紀60年代，德國杜平跟大學的斯派德爾與默倫施泰特提出了電子束光刻技術，該技術是基于顯微鏡而發(fā)展起來的。其原理是：電子束被電磁場聚焦變成微細束后，可以方便地偏轉(zhuǎn)掃描，所以電子束照到電子抗蝕劑上面，不需要掩模版而能夠直接把圖形寫到硅片上。同時，可通過增加電子束輻射波能量來使其波長縮短，所以電子束光刻分辨力非常高，能達到10nm。電子束光刻技術的優(yōu)點有：分辨力非常高。其缺點有：(1)高精度地對準套刻難以實現(xiàn);(2)生產(chǎn)效率不高;(3)曝光速度不快。這些缺點決定了在0.1ηm的特征尺寸器件生產(chǎn)中，電子書光刻很難起到主流作用。能通過采用限角散射電子束投影、成形光斑和單元投影等技術，或者通過把電子束改成多電子束或者變形電子束，來提高電子束曝光速度。另外，在實際的集成電路生產(chǎn)中，尤其是超大規(guī)模的集成電路，能通過結(jié)合光學投影光刻與電子束光刻，精度要求比較高的部分用電子束曝光來制作，精度要求比較一般的部分用光學投影來制作，來兼顧到經(jīng)濟與高效。在制作光學投影光刻模版、設計驗證新光刻技術以及實驗研究等方面，電子束光刻也是非常適合使用的。
七、結(jié)束語
物理極限使得傳統(tǒng)光學光刻會隨著特征尺寸的不斷減小而面臨價格與技術的挑戰(zhàn)。為此，研究人員紛紛開始研究新的光刻技術。本文對下一代光刻技術做了簡要介紹，并分析了各技術的優(yōu)點與缺點。由于還無法批量生產(chǎn)或者其他一些原因，無掩模光刻技術、原子光刻技術、電子束光刻技術等雖然也有諸多優(yōu)點，但仍不太可能成為下一代主流光刻技術。而納米壓印光刻技術、極紫外光刻技術等會被應用到集成電路批量生產(chǎn)之中，成為主流技術。另外在分辨力要求非常高的時候，電子束光刻技術可以與主流技術進行配合使用。在生產(chǎn)超大規(guī)模集成電路的過程中，可以結(jié)合傳統(tǒng)光刻技術與下一代光刻技術一起使用，精度要求不高的部分可以采用傳統(tǒng)光學光刻的方法，而精度要求比較高的部分可以采用下一代光刻技術，從而兼顧經(jīng)濟與高效。
參考文獻
[1]張登英.毛細力光刻技術極其應用研究[D].中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)博士學位論文， 2013.
[2]王友旺，鹿凱.激光干涉光刻技術的分析[J].電子技術與軟件工程，2013，(21)： 149.
[3]任杰.光刻技術在微電子設備上的應用及展望[J].電子技術與軟件工程，2015，(4)： 126.
[4]李金超.紫外LED光纖光刻系統(tǒng)關鍵技術研究[D].重慶大學碩士學位論文，2009.
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