光刻机详解

作为光刻工艺中最重要设备之一，光刻机一次次革命性的突破，使大模集成电路制造技术飞速向前发展。 了解提高光刻机性能的关键技术以及了解下一代光刻技术的发展情况是十分重要的。

光刻机（Mask Aligner) 又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。

光刻（Photolithography） 意思是用光来制作一个图形（工艺）；在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。

光刻机是集成电路芯片制造的关键核心设备。光刻机是微电子装备的龙头，技术难度最高，单台成本最大。

荷兰的ASML，日本的Nikon，Canon

支持基片的尺寸范围，分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。

分辨率是对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。

对准精度是在多层曝光时层间图案的定位精度。

曝光方式分为接触接近式、投影式和直写式。

曝光光源波长分为紫外、深紫外和极紫外区域，光源有汞灯，准分子激光器等。

整机光刻机包含

光刻机整体结构

光刻工艺通过曝光的方法将掩模上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上。 

1、涂胶

要制备光刻图形，首先就得在芯片表面制备一层均匀的光刻胶。 在涂胶之前，对芯片表面进行清洗和干燥是必不可少的。

目前涂胶的主要方法有：甩胶、喷胶和气相沉积 ，但应用最广泛的还是甩胶。甩胶是利用芯片的高速旋转，将多余的胶甩出去，而在芯片上留下一层均匀的胶层，通常这种方法可以获得优于+2%的均匀性（边缘除外）。胶层厚度和转速、时间、胶的特性都有关系，此外旋转时产生的气流也会有一定的影响。

甩胶的主要缺陷有：气泡、彗星（胶层上存在的一些颗粒）、条纹、边缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规则片尤为明显。 

光刻机的涂胶

2、紫外光刻

目前占光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻。按波长可分为紫外、深紫外和极紫外光刻。

按曝光方式可分为接触/接近式光刻和投影式光刻。接触/接近式光刻通常采用汞灯产生的365~436nm的紫外波段，而投影式光刻通常采用准分子激光器产生的深紫外（248nm）和极紫外光（193nm  和157nm）。 

2.1 接触/接近式光刻

接触/接近式光刻是发展最早，也是最常见的曝光方式。它采用1：1方式复印掩膜版上的图形，这类光刻机结构简单，价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高可达1um  左右。此外由于掩膜版直接和光刻胶接触，会造成掩膜版的沾污。

2.2 投影式光刻

投影式光刻机在现代光刻中占主要地位，据调查显示，投影式光刻机约占整个光刻设备市场份额的 70%以上。其主要优点是分辨率高，不沾污掩膜版，重复性好，但结构复杂，价格昂贵。 投影式光刻机又分为扫描式和步进式，扫描式采用 1：1 光学镜头，由于扫描投影分辨率不高， 因此 80 年代中期后就逐步被步进投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，一般有 4：1.5,1.10:1 等。

投影式曝光技术

3、粒子束光刻

由于光学光刻受分辨率限制，要得到分辨率更高的图形只能求助于粒子束光刻，因此有人预言21世纪将是粒子束光刻的世纪。常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻。 

3.1 X 射线光刻

X射线光刻技术是目前国外研究比较热门的一种粒子束光刻技术，同光学曝光相比，X射线有着更短的波长，因此有可能获得分辨率更高的图形，目前被认为是100nm线条以下半导体器件制造的主要工具。它具有以下优点：

由于X射线的波长很短（通常为0.1~30nm），曝光时的衍射和散射几乎可以忽略不计，因此可得到较高分辨率的图形。X射线穿透力很强，目前多数的光学系统不能对它进行反射或折射，因此多采用接近式曝光。

3.2 电子束光刻

电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一种曝光手段。电子束光刻的优点是

目前已研制出多种电子束纳米曝光技术，如扫描透射电子显微镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、圆形束、成形束、投影曝光、微电子光柱等。其中STM的空间分辨率最高，横向可达0.1nm，纵向优于0.01nm，但由于电子束入射光刻胶和衬底后会产生散射，因而限制了实际的分辨率（即邻近效应）。

目前电子束曝光技术中的主导加工技术为圆形电子束和成形电子束曝光，成形电子束目前最小分辨率一般大于100nm，圆形电子束的最高分辨率可达几个纳米。

电子束光刻采用直接写的技术，在掩膜版的制备过程中占主要地位。但也正是因为电子束采用直接写的技术，因此曝光的速度很慢，不实用于大硅片的生产，此外电子束轰击衬底也会产生缺陷。

3.3 离子束光刻

离子束光刻和电子束光刻较类似，也是采用直接写的技术，由于离子的质量比电子重得多，因此只在很窄的范围内产生很慢的二次电子，邻近效应可以忽略，可以得到更高分辨率的图形（可达20nm）。同样能量下，光刻胶对离子的灵敏度也要比电子高数百倍，因此比电子束更实用于作光刻工具。但离子束也有一些缺点，如不能聚焦得像电子束一样细，此外，由于质量较重，使得曝光深度有限，一般不超过0.5um。

离子束光刻目前主要应用于版的修复，光学掩膜在制作过程中难免会产生一些缺陷，特别是现在的线条越来越细，这些缺陷就更是不可避免。利用聚焦离子束的溅射功能可将版上多余的铬斑去掉，也可在离子束扫描过程中，通入一定的化学气体，将碳或钨沉积在版上，修补版上不必要的透光斑，提高版的成品率。此外离子束光刻引入的离子注入效应又带来一些新的未知因数，离子束光刻目前还处于研究当中。

光刻胶呈现多面化发展的趋势，以适应不同应用的需要，如常规的UV光刻胶、深紫外光刻胶、X射线光刻胶、电子束光刻胶及用于深度光刻的光刻胶等。但有一个共同的趋势就是分辨率和灵敏度越来越高。

光刻胶分为正胶和负胶，一般认为负胶的分辨率较差，但现在有一些负胶采用碱性显影液也可复印出与正胶有相似精度的亚微米图形而不产生胶的膨胀。而通常正胶比负胶的灵敏度低，所需的曝光量是负胶的若干倍。预计光刻胶的灵敏度极限约为10uJ/cm²，极限分辨率可达10nm。

光刻胶的发展趋势主要是提高分辨率、灵敏度和抗蚀性能。现在新的光刻工具提供的辐照密度都比传统的光刻工具低，因此对胶的灵敏度提出了更高的要求，化学放大光刻胶系统可能是解决该问题的关键。此外一些新的技术如图形反转、多层胶技术、表面硅烷化技术、干法显影技术等也在研究之中。

随着时代的进步，集成电路科技的进步与发展，对光刻工艺的精度提出了更高的要求。传统的光刻工艺难以满足如此的精度要求。光刻机性能的提高势在必行。

1、提高光刻机性能的关键技术

光刻机将图形从掩模上复制到硅片上的若干参数决定了其主要性能。目前行业内被普遍接受的光刻机三大性能参数是光刻分辨率、套刻精度和产率。近年来，提高光刻机性能的新技术不断涌现，光刻分辨率和套刻精度的提高推动光刻技术步入更小的节点，产率的提高为集成电路制造厂商带来更高的经济利益。下面主要讨论提高光刻机性能的4种国际主流技术。

1.1 双工件台技术

随着特征尺寸的减小且投影物镜数值孔径的增大，光刻面临焦深不断减小的挑战。为了满足越来越苛刻的成像质量要求，对光刻机的调焦调平和对准精度将提出更高的要求。与此同时，集成电路制造厂商希望光刻机的产率不断提高。然而，调焦调平和对准精度的提高是以花费更多的测量时间为代价的。在单工件台系统中，硅片的上片、对准、调焦调平、曝光、下片是依次进行的，增加测量时间必然会降低光刻产率。为此，人们提出了双工件台技术，一个工件台上的硅片进行曝光的同时，另一个工件台上的硅片可以进行上片、对准、调焦调平、下片等操作。

两个工件台分别处于测量位置和曝光位置，同时独立工作，每个硅片在一个工件台上完成所有的操作。当两个工件台上的硅片分别完成了测量和曝光，将两个工件台交换位置和任务。

1.2 偏振照明技术

分析大数值孔径光刻系统的成像质量问题时，照明光的偏振态不可忽视。离轴照明方式结合偏振光照明设置可以对各种不同的图形实现高对比度成像。在数值孔径大于0．8的光刻机中，应该使用成像对比度较高的偏振光照。另外，使用偏振光照明可以获得更好的光刻工艺窗口和更低的掩模误差增强因子。

当使用偏振光照明时，光刻机的照明系统中存在诸多机制如光学材料的本征双折射及应力双折射、光学薄膜的偏振特性等影响着光的偏振态。为了保持成像光束较高的偏振度，需要整个照明系统进行偏振控制。

1.3 大数值孔径投影物镜

投影物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，提高光刻机分辨率的关键是增大投影物镜的数值孔径。随着光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越突出。浸没式物镜的轴向像差，如球差和场曲较干式物镜增大了n倍（n为浸没液体的折射率)。

在引入偏振光照明后，投影物镜的偏振控制性能变得更加重要。 在数值孔径不断增大的情况，如何保持视场大小及偏振控制性的能，并严格控制像差和杂散光，是设计投影物镜面临的难题。

投影物镜

传统光刻机的投影物镜多采用全折射式设计方案，即物镜全部由旋转对准装校的透射光学元件组成。其优点是结构相对简单，易于加工与装校，局部杂散光较少。然而，大数值孔径全折射式物镜的设计非常困难。

为了校正场曲，必须使用大尺寸的正透镜和小尺寸的负透镜以满足佩茨瓦尔条件，即投影物镜各光学表面的佩茨瓦尔数为零。透镜尺寸的增加将消耗更多的透镜材料，大大提高物镜的成本；而小尺寸的负透镜使控制像差困难重重。

为了实现更大的数值孔径，近年来设计者普遍采用折反式设计方案。折反式投影物镜由透镜和反射镜组成。反射镜的佩茨瓦尔数为负，不再依靠增加正透镜的尺寸来满足佩茨瓦尔条件，使投影物镜在一定尺寸范围内获得更大的数值孔径成为可能。折反式投影物镜主要有多轴和单轴两种设计方案。

1.4 浸没式光刻技术

浸没式光刻技术是近年来提出的延伸193nm光刻的关键技术。浸没式光刻技术需要在投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体（一般为水）。  

浸没式光刻设备

浸没式光刻的分辨率较传统光刻缩小至l/n，相当于有效曝光波长缩小至1／n；相对于传统光刻技术， 在0相同的情况下，引入浸没光刻技术可以使焦深增大n倍。液体浸没技术实现了大于l的数值孔径，使ArF光刻机进一步向45nm甚至更小节点延伸成为可能。

目前的浸没式光刻机主要采用局部浸没装置，仅仅在投影物镜最后一个透镜的下表面和硅片光刻胶之间的空间内注入或排出浸没液体。在扫描、曝光、液体的供给及回收等过程中，浸没液体中可能产生气泡，溶解在水中的光刻胶物质以及曝光后硅片上的残留液体都有可能导致污染。

为了排除气泡和污染物对光刻的影响，目前的解决方案是在局部浸没装置中保持浸没液体稳定流动。如前所述，在浸没式光刻机中运用双工件台技术，可l以沿用现有的对准和调焦调平系统，避开了浸没状态下的检测难题。

2、下一代光刻技术的研究进展

目前用于大规模集成电路生产的主流光刻技术仍是光学光刻技术。光学光刻技术的高速发展，尤其是浸没式光刻技术的发展，使光学光刻技术延伸到45nm甚至更小节点成为可能，使下一代光刻技术的应用一再推迟。针对32 nm以下节点，下一代光刻技术的主要候选者是极紫外光刻技术、纳米压印技术和无掩模光刻技术。

2.1 极紫外光刻技术

极紫外光刻技术一直是最受关注且最有可能达到量产化要求的光刻技术。极紫外光刻技术使用波长为13．5 nm的极紫外光，几乎所有的材料对这个波段的光都是强吸收的，因此极紫外光刻技术只能采用反射投影光学系统。

极紫外光线经过由80层Mo—Si结构多层膜反射镜组成的聚光系统聚光后，照明反射式掩模，经缩小反射投影光学系统，将反射掩模上的图形投影成像在硅片表面的光刻胶上。

目前，极紫外光刻技术研究面临的主要难题包括低缺陷密度掩模的制备，高输出功率、长寿命极紫外光源的研发，反射式投影光学系统中污染的有效控制，适用于量产的反射式投影光学系统的制造，低线条粗糙度和低曝光剂量极紫外光刻胶的研发，保护反射式掩模免受微粒污染等。

2.2 纳米压印光刻技术

纳米压印光刻技术是华裔科学家周郁在1995年首先提出的。首先采用高分辨率电子束等方法将纳米尺寸的图形制作在“印章”上，然后在硅片上涂上一层聚合物f如聚甲基丙烯酸甲脂，PMMA)，在一定的温度r高于聚合物的玻璃转化温度1和压力下，用已刻有纳米图形的硬“印章”“压印”聚甲基丙烯酸甲酯涂层使其发生变形，从而实现图形的复制。

纳米压印光刻技术主要包括热压印、紫外压印和微接触压印，三种技术。在热压印工艺中，将硅片上的光刻胶加热到玻璃转化温度以上，利用机械力将印章压入高温软化的光刻胶层内，光刻胶冷却后固化成形，完成图形转移。

紫外压印是通过紫外光使光刻胶发生聚合反应实现固化成形。微接触压印将“墨材料”r通常为含硫醇的试剂1转移到图案化的金属基表面上，再进行刻蚀工艺。

该技术的优点是分辨率高、成本低、工艺环节少、速度快，已成为下一代光刻技术中的有力竞争者。基于紫外压印技术新发展的步进闪光压印技术(Step and Flash Imprint Lithography，SFIL)，可达10 nm的分辨率，最有可能达到集成电路量产的要求。

2.3 无掩模光刻技术

随着光刻分辨率的不断提高，掩模的成本呈直线上升的态势，因此无掩模光刻技术成为研究的又一热点。无掩模光刻技术的种类较多，主要分为基于光学的无掩模光刻技术和非光学无掩模光刻技术（如电子束无掩模光刻技术和离子束无掩模光刻技术）两大类。