石英玻璃在光刻技術中的應用

王佳佳 王友軍 王 鑫（中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

半導體產業飛速發展的一個重要原因是集成電路性能的不斷提高，而這又依賴于光刻技術的不斷進步。微電子有兩個著名定律：器件等比例縮小定律和摩爾定律。器件等比例縮小定律指MOS 器件的橫向縱向尺寸按一定比例 K 縮小，單位面積上的功耗可保持不變，這時器件所占的面積(因而成本)可隨之縮小K2 倍，器件性能可提高K3 倍。所以器件越小，同樣面積芯片可集成更多、更好的器件，還降低了器件相對成本，這也是摩爾定律的物理基礎。摩爾定律指出，芯片集成度每l8—24個月增長一倍價格不變，或者說器件尺寸每3年縮小 K 倍，技術整體更新一代?，F在這個規律已經成為全球半導體技術的發展指南(Roadmap)。3O年來，集成電路制造技術經歷了lO 代。從近幾年來看，光刻技術的發展前景尚不明朗，傳統光學光刻與幾種下一代光刻技術(NGL)——接近式x 射線光刻技術(XRL)、散射角限制電子束投影光刻技術(SCALPEL)、電子束直寫光刻技術(EBDW)、極紫外線即軟x 射線投影光刻技術 (EUVL)、離子束投影光刻技術(IPL)——沒有哪一種能夠為產業界完全采納；另一方面，盡管光學光刻還有著強大的生命力，但它確實已經顯示出越來越多的問題和局限性：隨著圖形分辨力的不斷提高，對成像光學器件的要求越來越高，光學透鏡系統在成本和研發難度上將成為傳統光學光刻的嚴重阻礙。另外，為提高分辨力而增加的大數值孔徑透鏡系統將導致掩模的移相容限被耗盡，引起焦深變短從而帶來諸多工藝困難，實際上如果整平技術得不到完善的發展，那么日益縮小的焦深也將會是光學光刻終結的原因[1]。從上述各種因素和發展趨勢判斷：主流光刻技術將從目前的光學光刻轉移到下一代光刻技術。

1 傳統光學光刻技術

由于光的衍射，光學系統的分辨力在物理上將受到衍射的限制，通常人們引用瑞利準則來描述分辨力：理論上極限分辨力Rth 和相關的焦深Dth 分 別 為：Rth=K1λ/AN；Dth=k2λ ／ AN2傳統光學光刻技術提高分辨力主要通過三種途徑來實現：

(1)增大光學系統數值孔徑：隨著光學鏡頭加工技術的發展，數值孔徑NA=0.8的物鏡已經研制成功，光刻分辨力可以提高到等于甚至小于曝光波長，但是大數值孔徑的光刻物鏡使焦深迅速縮短，而在集成電路的實際生產中，必須保證一定的焦深以滿足實際生產要求，在這一前提下，通過增大物鏡的數值孔徑來提高分辨力的方法受到很大限制。

(2)減小曝光光源波長：在增大物鏡數值孔徑的同時，曝光波長從365nm 一直縮短到目前的193nm，157nm的深紫外光源及透光材料也正在研究之中[2、3]，但存在的問題是：首先難以獲得高能強的深紫外光源；其次透深紫外光的光學材料很難獲得，在193nm 曝光波長下，熔石英是首選的透光材料，但是，隨著曝光時間的增加，熔石英的透光性能也會受到損害，導致系統像差增大，而在157nm 以下的透光材料如CaF2 制備很難，同時與深紫外曝光光源相匹配的光致抗蝕劑也是一個大問題。

(3)降低工藝影響系數K1：影響Kl的因素主要有離軸照明OAI、移相掩模PSM、光學鄰近效應校正等。對于180nm的光刻分辨力來說K1 下降到0.5 是必要的，但當K1≤0.5 后，常規的某些光學特征 (如密度線空間圖形)就開始消失，這3 種提高分辨力的方法之間的關系是相輔相成、互相平衡的。

2 現代光刻技術

近年來，隨著器件尺寸的不斷縮小，浸沒式光刻因其能實現更高的分辨率為業界所青睞。30多年以來，集成電路技術的發展始終是隨著光學光刻技術的不斷創新所推進的。在摩爾定律的驅動下，光學光刻技術經歷了接觸/接近(Aligner)、等倍投影、縮小步進投影(Stepper)、步進掃描投影 (Scanner)曝光方式的變革，曝光波長由436nm的h 線向365nm的i 線、繼而到248nm的KrF 到193 nm的ArF 準分子光源，技術上跨 越 了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等節點。光刻技術始終為摩爾定律的不斷向前推進而孜孜不懈地努力著，目前已邁向了32nm 節點的開發階段。在接觸／接近式光刻中，由于掩模的損傷和分辨率的限制，難于克服掩模缺陷和分辨率的進一步縮小，迫使人們進一步尋求新的光刻方法來滿足批量生產和IC 微縮化的要求。

在這些途徑中，增大數值孔徑和縮短曝光波長是通過曝光設備來實現的，而K1 因子的降低則是通過工藝技術的改進去實現。第一臺商用浸入式掃描光刻機是2003年由ASML 提出的，同年該公司展示了世界上第一個浸入掃描圖像。數值孔徑為0.7的AT：1150i 只是廠商開始浸入技術研究的概念證明設備。其中，通過使用高折射率浸沒液和光學材料進一步提高NA的方法吸引了業界極大的關注，因為采用這種方法現有的許多193nm 光刻基礎設施可以繼續使用，包括掩模和準分子激光光源。目前，數值孔徑為1.35、工作波長為193nm的超NA(hyper NA)水浸掃描光刻機使得以0.27的K1 值進行低至40nm 半節距的生產成為可能。

3 特征尺寸與光刻技術的發展

光刻技術是利用光學復制的方法把超微細圖形刻印到半導體襯底上來制作復雜電路的技術，光刻技術的開發是圍繞光的波長進行的[4]。光刻設備的發展和進步的歷程實質上是一部各類波長應用的歷史，光刻技術的發展方向是曝光波長越來越短，多年來的研究工作和技術突破都是沿著436nm (g 線)—365nm (i 線)—248nm (KrF)—193nm (ArF)—157nm—NGL (下一代光刻術)的路線進行的。

1）0.18μm、0.13μm 和90nm 節點下的主流光刻技術

從1990年至2005年，特征尺寸從0.18μm發展到0.13μm，甚至到90nm 時，一般采用的主要光刻技術為深紫外光刻(DUV)。0.13μm 工藝的光刻技術主要采用248nm的KrF Scanner(準分子激光掃描分布投影光刻機)[5]，數值孔徑NA 達到0.6，工藝系數K1 小于0.45，曝光面積大于26mm×33mm。為了進一步提高分辨率和光刻工藝寬容度，還可以采用光學波前工程措施，如利用移相掩模(PSM)、光學鄰近效應校正(OPC)和離軸照明(OAI)等技術。

2）90nm 和65nm 節點下的主流光刻技術

2003年，193nm ArF Scanne 成 為90nm工藝的主流光刻技術，并開始向70nm 工藝延伸，全球的光學光刻機巨頭都推出193nm ArFScanner。幾乎與此同時，65 nm 工藝成為全球半導體生產的熱門話題，關于9O/65/45nm光刻工藝制作路線，業內大多數人士認為，采用193nm ArFScanner 完成90nm 光刻工藝；采用157nm F2 光刻機完成65 nm 光刻工藝；采用13.4 nm EUV 光刻機完成45nm 光刻工藝。如英特爾光刻工藝原制程路線為：2003年采用193nm ArF 光刻機解決90nm 光刻工藝；2005年采用157nm F2 光刻機解決65nm 光刻工藝；2007年采用EUV 光刻機解決45nm 光刻工藝?？墒?，2003年5 月英特爾宣布重新調整光刻工藝制作路線，放棄157nm F2 光刻機，試圖擴展193nm ArF光刻技術，應用于65/45 nm光刻工藝，并希望193nm ArF 光刻機是干法曝光。因此，完成65nm 光刻工藝有兩條途徑：一是采用193nm ArF 光刻機；二是采用193nm 浸入式光刻機。

3）45nm 和32nm 節點下的主流光刻技術[1-5]

實現量產45nm 芯片的關鍵光刻技術有兩種：193nm ArF 干法光刻技術和193 nm ArF 浸沒式光刻技術(193i)。英特爾憑借著超強財力，堅持使用193nm ArF 干法光刻技術量產45nm 芯片。193nm 浸沒式光刻技術主要以增大孔徑NA來提高R。由于NA=nsinθ，其中n 為透鏡折射系數，θ 指平行激光通過透鏡后聚焦成一直徑有限的光點時最外光線與光軸間的夾角，可以通過增大n 提高NA。當浸沒液為水時，n=1.44，sinθ=0.90，從而可以設計制造出NA>1.0的鏡頭。除英特爾外，各大IC 公司均采用該光刻技術來研發和量產45nm 芯片。

實現32nm 節點的光刻工藝包含極紫外光刻技術 (EUV)、ArF 浸沒式光刻二次成像與二次曝光技術、無掩模光刻技術以及納米壓印光刻技術(NIL)。光刻技術及其應用已經遠遠超出了傳統意義上的范疇，它幾乎包括和覆蓋了所有微細圖形的傳遞、加工和形成過程。

4 石英玻璃在光刻路線中的應用

根據光刻技術的發展方向：曝光波長越來越短即從436nm(g 線)—365nm(i 線)—248nm(KrF)—193nm(ArF)—157nm（F2）—NGL(下 一 代光刻術)，特征尺寸從技術上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm 等節點的路線圖，對傳統和主流的光刻技術中用的光掩膜基礎材料—玻璃基片的要求也越來越苛刻，436nm —365nm 波長范圍用普通玻璃或JGS2 型石英玻璃即可達到要求，對248nm(KrF)—193nm (ArF) 波長范圍的DUV 光刻不能用普通玻璃作掩?；?，只能用對DUV 吸收少的高純合成石英玻璃（JGS1 型）方能達到曝光波長的要求，對193nm (ArF)—157nm（F2）波長范圍得用超高純合成石英玻璃，目前在157nm 波長下透過率能達到75%以上的石英玻璃幾乎是不可能得到的，因為此波長已接近了理想石英玻璃的截止波長，因此特征尺寸在65nm 以下，當暴光波長短到157nm 時，大多數光學鏡頭材料都是高吸收態，吸收激光能量后受熱膨脹，造成球面像差。目前只有氟化鈣為低吸收材料，可供157nm 使用，但現無法解決氟化鈣鏡頭結構的雙折射等技術問題，而且投入大、成本昂貴，因此目前或未來采用無掩膜光刻技術將成為趨勢。

[1]httFI：//www.intel/the intel lithography roadmap/htm；

[2]French R H.Dupont Photomagk,1999.1-33；

[3]Smith HIJ Vac SciTechnol，1995，B13，2323-2328；

[4]CAMPBELL S A.微電子制造科學原理與工程技術，曹瑩譯.北京電子工業出版社，2003.

[5]翁壽松.0.13 m 工藝與248nm KrF 光刻機.電子工業專用設備，2003，43(3)；