本文從技術(shù)角度對(duì)光刻機(jī)技術(shù)的發(fā)展，和主要光刻技術(shù)的應(yīng)用做一些簡(jiǎn)單陳述。 ?

首先，光刻不是什么新的技術(shù)，早在1960年代就已經(jīng)出現(xiàn)。早期光刻技術(shù)不是特別難的東西，畢竟那時(shí)需要光刻的線(xiàn)寬，是幾微米。所以光刻機(jī)也非常簡(jiǎn)陋，甚至當(dāng)年英特爾直接把16毫米攝像機(jī)鏡頭拆了裝上就用。只有GCA，K&S和Kasper等很少幾家公司有做過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備，那會(huì)兒光刻機(jī)壓根算不上高科技設(shè)備，并不比照相機(jī)復(fù)雜多少。

但是，隨著晶體管數(shù)量不斷翻倍增加，曝光精度迅速?gòu)膸孜⒚椎搅泓c(diǎn)幾微米以?xún)?nèi)，于是這些簡(jiǎn)陋的光刻機(jī)難以滿(mǎn)足需求，問(wèn)題越來(lái)越多。晶體管多了之后，互聯(lián)就增加了很多，需要多層金屬連接，金屬層需要介質(zhì)層上堆疊，需要不同的曝光的圖形在介質(zhì)層上布線(xiàn)，需要不同的光罩反復(fù)曝光，于是重復(fù)對(duì)準(zhǔn)精度就成了一個(gè)大問(wèn)題，就像蓋樓一樣，每一層必須上下對(duì)齊，不能蓋著蓋著蓋斜了吧。在集成電路工藝?yán)镞@個(gè)精度要求異常精確，都是納米級(jí)……

從原理上而言，光刻機(jī)已經(jīng)從早期的極其簡(jiǎn)陋的設(shè)備，變成目前集合精密光學(xué)，激光、流體物理、電磁、精密控制、機(jī)械加工、電子信息、電子電路、化學(xué)在內(nèi)的等幾十個(gè)學(xué)科的尖端技術(shù)于一體，是目前最精密最昂貴的工業(yè)設(shè)備，ASML高端型號(hào)的光刻機(jī)售價(jià)甚至超過(guò)1億美金，堪比一架飛機(jī)。

早期光刻機(jī)叫Mask Aligner 意思為掩膜對(duì)準(zhǔn)曝光，現(xiàn)在多用lithography這個(gè)詞代稱(chēng)光刻機(jī)和光刻工藝，有時(shí)候工藝工程師們偷懶就簡(jiǎn)化為 “l(fā)itho”。真正要稱(chēng)呼光刻機(jī)這個(gè)設(shè)備，一般工程師們習(xí)慣用光刻機(jī)的特性的單詞來(lái)稱(chēng)呼各類(lèi)型的光刻機(jī)，這種好處是一看就知道你說(shuō)的是具體什么型號(hào)的光刻機(jī)，壞處是外行人一臉懵逼。

光刻機(jī)有很多種類(lèi)型，但有時(shí)也很難用類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)來(lái)區(qū)別設(shè)備，因?yàn)橛行┓诸?lèi)僅是在某一分類(lèi)下的分類(lèi)。下文列舉一些主要的光刻機(jī)類(lèi)型，并對(duì)每種類(lèi)型的主要特點(diǎn)做一些簡(jiǎn)要說(shuō)明。順序按技術(shù)的逐步提高的方式排列，逐個(gè)了解，有助于對(duì)光刻技術(shù)的由淺入深的了解。

曝光式Mask Aligner

接觸式Contact Photolithography

步進(jìn)式stepper?Photolithography

掃描式sacnner?Photolithography

浸沒(méi)式Immersion

DUV/EUV光刻機(jī)

曝光式Mask Aligner

曝光式Mask Aliger，是最直接的光刻應(yīng)用方式。最簡(jiǎn)單的掩膜對(duì)準(zhǔn)曝光可以是下圖的“手動(dòng)”設(shè)備，通過(guò)顯微鏡和手動(dòng)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)掩膜對(duì)準(zhǔn)，再通過(guò)曝光來(lái)進(jìn)行光刻功能。

接觸式Contact Photolithography

接觸式光刻是使用掩模校準(zhǔn)器光刻。掩模對(duì)準(zhǔn)器有兩個(gè)主要的工具結(jié)構(gòu):掩模固定器和晶圓夾頭。掩模支架被加工成一個(gè)非常平坦的表面，光掩模通過(guò)真空固定在這個(gè)表面上。晶圓夾頭，也被加工得很平，也通過(guò)真空來(lái)保持晶圓在適當(dāng)?shù)奈恢?。這個(gè)工具在操作過(guò)程中可以保證兩個(gè)部分的表面保持彼此平行。晶圓夾頭可以向上移動(dòng)到掩模支架上，以便使用可變力使晶圓與掩模接觸。晶片卡盤(pán)的表面位置也可以調(diào)整為盡可能與掩模平面，以獲得最佳效果;這就是所謂的楔形誤差補(bǔ)償。一旦晶圓片和掩模就位，就可以通過(guò)打開(kāi)燈罩上的快門(mén)進(jìn)行曝光。在燈罩內(nèi)部有一個(gè)汞弧燈和相關(guān)的光學(xué)元件，它將允許一個(gè)選定的可控紫外波段暴露掩模和晶圓片。

下圖形象的說(shuō)明了三種不同的Mask Align方式，接觸式Contact，接近式Proximity，投影式Projection。當(dāng)然這幾種方式各大有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也有各自適合應(yīng)用的領(lǐng)域。

步進(jìn)式stepper Photolithography

步進(jìn)式光刻是針對(duì)更為小更精細(xì)芯片，通過(guò)進(jìn)步方式調(diào)整晶圓的位置，在一張晶圓上多次曝光。也稱(chēng)作Step and repleat System。

掃描式sacnner Photolithography?

投影光刻工具有兩大類(lèi)——掃描和步進(jìn)重復(fù)系統(tǒng)。掃描投影印刷由Perkin-Elmer公司首創(chuàng)[1.5]，采用反射光學(xué)(即鏡子而不是透鏡)，當(dāng)掩模和晶圓同時(shí)被狹縫移動(dòng)時(shí)，將光從掩模上的狹縫投射到晶圓上。照射劑量由光的強(qiáng)度、狹縫寬度和掃描晶圓片的速度決定。這些早期的掃描系統(tǒng)使用來(lái)自汞弧燈的多色光，是1:1的，即掩膜和圖像尺寸相等。步進(jìn)重復(fù)相機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)步進(jìn)相機(jī))一次曝光晶圓片的一個(gè)矩形部分(稱(chēng)為圖像場(chǎng))，可以是1:1或縮小。這些系統(tǒng)采用折射光學(xué)(即透鏡)，通常是準(zhǔn)單色的。兩種類(lèi)型的系統(tǒng)(圖1-5)都能夠進(jìn)行高分辨率成像，盡管最高分辨率需要還原成像。

到70年代中期，掃描儀取代了接近打印，用于尺寸小于4至5 μm的器件。到20世紀(jì)80年代初，隨著器件設(shè)計(jì)被推至2 μm以下，步進(jìn)器開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著最小特征尺寸達(dá)到250納米水平，步進(jìn)器在整個(gè)20世紀(jì)90年代繼續(xù)主導(dǎo)平版印刷。然而，到20世紀(jì)90年代初，Perkin-Elmer的繼承者SVG Lithography引入了一種混合步進(jìn)掃描方法。步進(jìn)掃描方法使用正常步進(jìn)場(chǎng)的一小部分(例如，25mm x 8mm)，然后在一個(gè)方向上掃描該場(chǎng)以暴露整個(gè)4 x還原掩模。然后將晶圓片移到新的位置，重復(fù)掃描。較小的成像場(chǎng)簡(jiǎn)化了鏡頭的設(shè)計(jì)和制造，但代價(jià)是更復(fù)雜的光圈和晶圓臺(tái)。步進(jìn)掃描技術(shù)是當(dāng)今250nm以下制造的首選技術(shù)。

浸沒(méi)式光刻是一種光刻增強(qiáng)技術(shù)，它用折射率大于1的液體介質(zhì)代替最終透鏡元件與光刻膠表面之間通常的氣隙。液體中較小的波長(zhǎng)允許對(duì)較小的特征進(jìn)行成像，目前使用水作為液體。下圖顯示了最終透鏡和晶圓的示意圖。

浸入式技術(shù)是卡爾蔡司在19世紀(jì)80年代首次引入用來(lái)提高光學(xué)顯微鏡的分辨能力。20世紀(jì)80年代，人們將浸入式技術(shù)引入現(xiàn)代光刻技術(shù)。2002年以后，浸沒(méi)式Immersion發(fā)展速度令人難以置信地快。

DUV/EUV光刻機(jī)?

分辨率是可以在適當(dāng)控制下打印的最小特征，它有兩個(gè)基本限制：可以投射到晶圓上的最小圖像，以及光刻膠利用該圖像的分辨率能力。在投影成像方面，分辨率由成像光的波長(zhǎng)(λ)和投影透鏡的數(shù)值孔徑(NA)根據(jù)瑞利準(zhǔn)則決定。

光刻系統(tǒng)已經(jīng)從藍(lán)色波長(zhǎng)(436nm)發(fā)展到紫外（UV:UtraViolet，365nm)，再到深紫外(DUV:Deep UltrViolet，248nm)，再到今天主流的高分辨率波長(zhǎng)193nm。隨著投影工具及其他各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，利用DUV技術(shù)可以生產(chǎn)尺寸小于100納米的特征。近年來(lái)利用重疊偏移技術(shù)，DUV技術(shù)也不斷進(jìn)步，生產(chǎn)能力不斷下降到50納米，28納米，甚至7納米。

極紫外光刻技術(shù)是一種x射線(xiàn)技術(shù)，其波長(zhǎng)為13.5nm。如今的EUV掃描儀可實(shí)現(xiàn)低至22nm半間距的分辨率。在系統(tǒng)中，EUV光源利用高功率激光產(chǎn)生等離子體。這反過(guò)來(lái)又有助于在真空室中發(fā)射短波長(zhǎng)的光。

EUV最初計(jì)劃在45/40nm工藝節(jié)點(diǎn)上投產(chǎn)。但為了實(shí)現(xiàn)足夠大的產(chǎn)能，技術(shù)上進(jìn)行了多次升級(jí)改造，延遲了出貨時(shí)間。同時(shí)為了避免使用193nm浸沒(méi)法的偏移重疊圖案技術(shù)設(shè)備的出貨，EUV系統(tǒng)在7nm技術(shù)上才開(kāi)始出貨。

在5nm，即使使用EUV，也需要在關(guān)鍵層上進(jìn)行偏移重疊圖案技術(shù)。盡管它需要更昂貴的步驟，但圖案偏移重疊意味著特征的間距可以更小。今天2納米已經(jīng)已經(jīng)開(kāi)始投產(chǎn)，都是EUV技術(shù)的功勞。

審核編輯：黃飛