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有谁介绍一下为什么我们不能发展出自己的光刻机出来

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光刻技术最新进展

作者：莫大康 文章来源：电子产品世界 点击数：1300 更新时间：2005-5-21

在摩尔定律的指引下，半导体工业每两至三年就跨上一个新的台阶，即所谓的半导体技术发展路线图(ITRS)。预计2004年进入90nm节点器件的批量生产，到2007年为65nm。然而这一切变化的关键是光刻技术，所以人们统称光刻技术是半导体工业的“领头羊”。2003年ITRS修订的最新版本如表1所示。

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，以制作更微细的器件尺寸。全球光刻技术的进程如图1所示。

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，各种不同波长的光源如表2所示。

实际上，全球光刻机目前主流产品是KrF(248nm)及i线(365nm)。2003年的销售量总计为350台，其中i线占35%，KrF占45%， ArF约占20%。销售总额为30亿美元。照原先的路线图计划，人们计划将157nm光源作为65nm器件的突破口。即所谓光学方法的极限，再往下走只能采用EUV及EPL等。但是2003年对于全球半导体工业是个值得回忆的年份，5月份Intel公司突然宣布放弃157nm技术，将继续使用193nm浸入式光刻技术进行65nm及45nm的制程，并计划采用极短紫外光(EUV)来制作32nm的制程，Intel的此举尤如重量级炸弹一样，因为实则上将 157nm技术跳了过去。众所周知，Intel是全球光刻设备最大的买主，Intel的任何动作，将在全球半导体业界引起极大的反响。

光刻技术的发展方向存在着看法的分歧，ITRS亦于2003年12月不得不重新修正了2001年所发表的光刻工艺技术路线图。最后大家比较一致的意见，在 65nm以下，所谓下一代光刻技术将可能采用193nm浸入式技术、157nm、极短紫外光(EUV)或者是电子束投影光刻(EPL)等。本文将介绍目前认为极具有潜力的各种光刻技术。

193nm 浸入式光刻技术

此前业界并没有认为浸入式技术有如此大的功效。直至2002年底浸入式技术的可行性报告送至国际机构Sematech的桌上以后半年，半导体业界才苏醒过来，浸入式技术迅速成为光刻技术中的新宠。因为此种技术的原理清晰及配合现有的光刻技术变动不大，获得了人们的极大赞赏。

在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。例如，在193nm光刻机中，在光源与硅片(光刻胶)之间加入水作为介质，而水的折射率约为1.4，则波长可缩短为193/1.4=132nm。如果放的液体不是水，或者是其它液体，但折射率比1.4高时，那实际分辨率可以非常方便地再次提高，这也是浸入式光刻技术能很快普及的原因。

浸入式技术目前采用的是两次去离子的蒸馏水，碰到主要的问题如下：

在浸入式光刻机系统中，由于多种原因都可能产生气泡，如减压、气泡表面的空气渗透、硅片表面的空气吸入或者与光刻胶表面的作用等。曾经作了气泡从形成到破裂的寿命试验，实验发现(包括理论的估计)微细气泡的寿命正比于它的直径，许多微细气泡在破裂之前实际己经分解。

归纳起来，尤其是193nm的浸入式技术，目前的进展比较顺利，全球半导体业界都有充足的信心至少可以实现65nm，甚至45nm节点器件的制程。而且到目前为止，还没发现太大的障碍。

然而，浸入式光刻技术对于全球半导体工业所带来的效益是无法估量的，可以节省大量的资金，由此对摩尔定律再能持续10至15年完全充满信心。

图1 光刻技术的进程图

157nm光刻技术

157nm光刻，传统上被称为光学方法的极限，其光源采用氟气准分子激光，发出波长157nm附近的真空紫外光。总的来说，目前氟气准分子激光器功率己可达20W，157nm光刻尚处在研发之中。

目前157nm光刻的主要困难如下：

当波长短到157nm时，大多数的光学镜头材料都是高吸收态，易将激光的能量吸收，受热膨胀后而造成球面像差。目前只有氟化钙为低吸收材料，可供157nm使用。目前二氟化钙镜头结构在双折射等技术问题方面尚无法解决，加之产量需求少，而投入非常大。造成成本昂贵。

有机材料的软Pellicle不可能承受157nm的辐射(因辐射吸收热量太大)，而无机材料的硬Pellicl必须用熔融的石英材料经特殊的加工制成，加工成非常薄的材料非常困难，800μm的厚度就可能因为重力而下垂。

尽管Intel宣布决定放弃157nm光刻，但是业界在157nm光刻技术的进程并没有因此停顿，至少在32nm光刻技术的选择方法中是一个重要的筹码，因为157nm也能附加浸入式技术而提高分辨率。

EUV(极短紫外光)光刻

光刻技术的进步，在157nm之后人们称之为下一代光刻技术(NGL)。其中EUV是较有前途的方法之一。EUV技术最明显的特点是曝光波长一下子降到 13.5nm，在如此短波长的光源下，几乎所有物质都有很强的吸收性，所以不能使用传统的穿透式光学系统，而要改用反射式的光学系统，但是反射式光学系统难以设计成大的NA，造成分辨率无法提高。

EUV技术还有些其它优点，如可通用KrF曝光中的光刻胶以及由于短波长，不需要使用OPC(光邻近效应的图形补偿)技术等，大大降低了掩模成本。

EUV技术的主要挑战如下：

美国Cymer公司从1997年起就开始EUV光源的研制，目前的技术路线有三种：第一种源自Cymer的高密度等离子体激光器；第二种是放电型等离子体激光器(DPP)；第三种是基于激光产生等离子体(LPP)技术。为实现芯片批量生产需要高功率的激光器，同时又是降低EUV光刻机的关键。目前EUV光源的功率己可达10W，试验样机的要求是30W，而真正满足批量生产要求是100W。

在EUV光刻技术中，由于掩模是采用反射式 (通常都是穿透式)，所以掩模的制作十分困难。一般采用80层堆叠的Mo/Si薄膜，每一个Mo(钼)层与Si(硅)层的厚度分别为2.8nm及 4.0nm。而且要求每层必须绝对平滑，误差只容许一个原子大小，所以如何制作多层涂布低缺陷的掩模仍是个大挑战。目前认为在掩模上的颗粒尺寸在50nm 时就无法接受，所以通常要采用掩模修正技术，如离子铣，或者用电子束在局部区域加热气化修正多余的图形等。另外涉及到掩模的储存、运输及操作也非常困难。

从EUV 辐射的残骸可能破坏EUV系统的光学镜片，作为近期目标，镜片的寿命至少要几个月。业界为了EUV，即下一代光刻技术付出了许多努力，如美国的 EUVLLC、欧洲的EU41C、日本的ASET及EUVA等公司。目前的目标是2006年出样机，2007年能推出实用化的试用机种。

电子束投影光刻(EPL)

随着光学波长的限制及曝光设备的复杂化，导致非光学方法的光刻技术的发展，其中电子束投影光刻是相对成功的方向之一。

EPL技术是利用电子枪所产生的电子束，通过磁场聚焦、扫描、经电脑控制电子束的剂量后，照射在硅片的光刻胶上形成图形。

EPL机台需要极高的真空度，以防止尘埃在光学元件上堆积而造成曝光结构的改变，严重时有可能导致电子束的闪电。除此之外，反向散射效应及空间电荷积累造成电子束的库仑互斥力亦是致命的因素。

目前影响EPL进程的主要难点如下：

由于计算的数据量太大，目前能达每小时10片己经相当不易，目标是每小时25片。随着计算机速度的提高及设计方法的改进，还是大有希望。

LEEPL 最大的优点在于电子束能量仅只有2kV，可以有效地防止散射电子的能量重叠，而造成分辨率降低。除此之外，LEEPL技术还有空间电荷累积少及无光学近接效应等优点。但是LEEPL需使用1:1的掩模，所以掩模的制作成本相对较高，污染控制及Pellicle的使用将是又一个挑战。

由于EPL的分辨率高，而且焦点深度(DOF)深，因此非常适用于高纵横比的接触孔图形的制作。另外如SOC系统芯片等多品种小批量及中品种中批量的生产中，EPL的优点逐渐显露。

随着无掩模技术及多束电子束技术的进展，使电子束光刻技术在提高硅片产出方面也有了很大的进步，电子束光刻技术己受到人们极大地关注。

电子束光刻技术将以EPL及LEEPL等为火车头，估计从2005年开始将直线上升。尤其是在小批量的SOC器件生产中，电子束光刻技术的应用会迅速增长。

结语

光刻技术是半导体工业的”领头羊”。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。因此，即便是Intel也是采用联合研发方式，以分散风险。实则上光刻技术的进展也是一个系统工程，需要半导体上、中、下游，产学研机构等相互合作，包括掩模材料、光刻胶及光刻设备等。

从光刻技术看，浸入式技术的出现给光刻技术好似打了一剂强心针。至少目前193nm加上浸入式技术可以做到45nm，甚至32nm节点。因此157nm技术己经被推迟到2009年用在32nm节点的器件生产中。

电子束光刻技术的进展比预期稍快一点，普遍的看法在SOC系统芯片等小批量生产中会有所崛起。

光刻技术的发展方向，不管是采用缩短波长，或是增大镜头的NA，还是采用浸入式技术，或者非光学方法等，然而一切技术的关键在于成本。从这点出发，似乎目前的浸入式光刻技术略占优势。但是未来究竟谁能成为下一代光刻技术的主流，恐怕只有时间才能作出正确的答案。

更改光刻重大专项方向 尽快开展极紫外光刻技术研究

极紫外光刻技术(EＵVL)是以波长为11—14nm的软X射线为曝光光源96微电子光刻技术。根据目前的光刻技术发展形势看，EUVL将是大批量生产特征尺寸为70nm及更细线宽集成电路的主流技术。2001年国际半导体工业协、会发布的半导体技术发展蓝图指出，特征线宽为70nm的半导体器件将于 2006年开始进入批量生产，而且根据以往的发展经验看，这个技术节点的实现会比预计的要提前。

国外EUVL方面的研究进展很快。在美国有一个以Sandia国家实验室为主、由国际上多家光刻设备制造商和半导体器件生产商共同参加的国际性的EUV LLC计划，2002年3月Sandia国家实验室宣布，它们研制的EUVL工程测试样机己完成性能测试。欧洲有一个EU Medea+计划，将于2003年末或2004年初研制成功EUVL原型样机(α样机)，2005—2006年研制出β样机。2002年4月22日， Intel公司宣布它己订购了荷兰ASML公司的第一声EUVL β样机，计划于2005年下半年交货。此举表明，目前Intel公司把下一代光刻技术选定为EUVL。

光刻设备的更新换代非常快，一种新型光刻设备的市场寿命约为5年，而其研发周期却很长，因为光刻设备是一个多种复杂技术的集成，其中有许多技术难点需要经过较长时间的研究才能解决。为了能够在未来的光刻设备市场上具有一定的竞争力，我国应该尽快开展EUVL的研究。根据我们目前的财力和技术条件，可以选择其中的几个关键技术进行攻关，通过5年左右时间的努力，在EUVL成为半导体光刻技术的主流时，使我国在EUVL方面有某几种单元技术具备相当的国际竞争力。

我国曾经组织过多种光刻机机型的攻关研究，但在产业化方面几乎无一成功。除了投资力度小、国内光学精密机械制造业的整体水平相对落后外，最重要的原因是研究目标缺乏超前性和预见性。过去我们确定的光刻机攻关目标几乎都与当时国外已经商品化的机型相同。国外已经可以批量生产的光刻机，我们要经过约5年时间的努力才能研究成功，而由于光刻机升级换代的速度相当快，这常常会使我们处于极为不利的境地：刚刚研制成功的光刻机己在淘汰产品之列，或至少己错过了需求高峰期，不再是主流产品；而且此时国外同类光刻机的售价大幅度下降，我们的光刻机就更无市场竞争力可言。所以通过这些攻关目标的实现，除了培养了一批相关的技术人员外，就是对国家财力和物力的浪费。目前刚启动的193nm ArF准分子激光光刻机项目，就是重蹈以前不成功的老路。国外三大著名光刻机制造商——荷兰的ASML公司、日本的Nikon公司和Canon公司很早就开始研发分辨率为100nm的193nm ArF准分子激光分步扫描投影光刻机，目前已可上市销售。我们很难想象，到2005年我国自己研制成功的193nm ArF准分子激光分步扫描投影光刻机还具有国际竞争力。

在此建议：我国应尽快开展EUVL技术研究。根据目前国内己具备的相关技术基础，至少选择如下几个关键技术进行攻关：1)EUVL光源研究。我国在激光等离子物理研究方面具有坚实的基础，通过进一步的工程化研究可以获得EUVL所需要的光源。2)全反射式离轴非球面缩倍投影光刻物镜研究。与目前的光学光刻不同，对极紫外光已无透射材料，因为在该波段所有材料的折射率都接近于1，必须采用反射式光学系统。3)高精度离轴非球面反射镜加工、检测技术研究。 EUVL光学系统中的反射面要求具有接近理想的面形和亚纳米量级的表面粗糙度。4)极紫外多层高反射率光学薄膜制备技术研究。EUVL的反射式光学系统的反射面必须在镀制了高反射率光学薄膜后才能正常工作，反射率越高，则生产效率越高。 ( 2002-12-19 ) （ 王之江中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800）

UV光刻技术并不经济合算

作者:Aaron Hand, Semiconductor International 责任编辑

　　在去年的SPIE微电子光刻会议上，尽管洋溢着种种

　　对浸没式以及纳米印制光刻技术迫切需求的激动、兴奋之情，但是毫无疑问，EUV光刻技术将成为下一代光刻技术的最终选择。然而在今年的会议上，这一切却明显改变了，方方面面的交流更加倾向于实际的应用，例如，如何真正的让浸没式技术在生产中得到广泛的使用。而且更多的交流，至少是在更多不经意的交流中流露出EUV光刻技术将很可能不再成为下一代光刻技术的选择。

　　Intel坚决地站在反对使用EUV光刻技术的阵营中，而且看起来越来越多的人将公开持有反对意见。斯坦福大学电子工程学教授Fabian Pease谈及EUV认为已经到了光谱的终点，也同时偏离了下一代光刻技术的大趋势。

　　在Pease的一个讲座中，他认为并非抵制EUV光刻技术，其本质上是对许多年来已经被研发的或是期望的光刻技术的一次阐述，这些技术中有不少可能根本没有实现的一天。以一种不成功的光刻技术为例，Pease把它无法取代光学光刻技术的失败原因很大程度上归结为经济学上的问题。尽管与那些为得到有限的优化表现而付出高昂代价的下一代光刻技术比较，EUV光刻技术还是相对简单的。在随后个别交流中，他承认使用光学技术可以得到与 EUV技术相同的表现，这使 EUV技术失去了意义，而且它太贵了。

　　Pease认为取代一种过时的技术，一种新的理念必须10倍优于现存的技术。在这种情况下，更好的表现被定义为能够制造更小的线宽、更稳定的结构尺寸控制能力、更大的焦深、更快的产能、更好的套准精度，以及最低的成本控制等这几方面综合的表现。基于这些因素的考量，这会使新技术在与光学光刻技术对比中胜出非常的困难，尽管先进的掩膜版，以及光学系统等的制作成本居高不下，光学光刻技术仍然在极端重要的成本因素中占尽优势。 Pease认为现存的光学光刻技术是不易更改的。

　　Texas大学化学工程学教授Grant Willson在一篇论文中谈到了高分辨率成像的未来，下一代的成像技术的前途满是荆棘和挑战。Willson展示了一张EUV光刻原型机的照片，他指出这张照片并没有显示能量为5KW的激光器将是必须的，因为它并不存在。“相当的不幸，这台设备尚不能工作。” Willson宣称。他同时也参加了以探讨不同的下一代光刻技术在32纳米节点甚至更细小线宽时的可行性为主题的讨论会，他认为实现EUV技术不存在经济的解决方案。

　　Willson和Pease并不是唯一持有这种想法的人。光刻技术的专家以及IDEA的顾问Karen Brown嘲弄NGL（Next Generation Lithography，下一代光刻技术）是不好的光刻技术，并且他断言EUV光刻技术将会胎死腹中。一些关于下一代光刻技术实施的关键是研发成本的规模，获得风险量产以及市场的接受程度，乃至占领整个市场的时机。统计今年在SPIE上发表的EUV光刻胶的论文，仅仅只有7篇，她认为这离风险量产还有非常长的路要走。

　　按照来自IBM的Tim Brunner的说法，在过去的几年里，光刻专家们持有相同的意见而且紧密团结在一起不断壮大，这也造就了光刻技术今天的辉煌，但EUV技术是唯一的例外，他说“我不得不说，这是一个挑战。”

　　对于眼前的挑战，EUV的支持者们强调问题会被解决的。在下一代光刻技术的专题讨论会上，来自Intel的Michael Goldstein阐述了他对于EUV的光源的观点，尽管现在光源的能量还没有能够满足大生产的需求，但在过去的一年里，它已经提高了4倍。193纳米光刻技术将得到充分的发挥。“因为毫无疑问它是一个很好的盈利点。”他坦白的说。只要费用上可以承受，EUV技术就会被采纳。详尽的分析193纳米光刻技术过去研发的时间表，Goldstein指出EUV的研发进度还是按部就班、循序渐进的，它将在未来的12年中有巨大的飞跃。“按照计划逐步前进，尽可能少的偏移目标这是非常重要的。”他说。Goldstein以157纳米光刻技术研发的误入歧途为例，它导致这项技术一度偏离了EUV光刻的目标，而且花费了一半的研究经费。

　　与此同时，纳米印制光刻技术也竭尽所能的从对EUV技术的瞩目中吸引一些注意。尽管这项技术根本还没有被证实可行，但是它的高产能以及能够精确的制造图形确实是一个巨大的亮点。基于这点，除了纳米印制光刻技术以外，绝大多数的下一代光刻技术需要巨大的投资花费。

　　Pease把纳米印制光刻技术称为一种典型的蚕食性的技术，它为满足了特定市场的需求而出现，随之不断的发展和壮大，直到某天，它可以突然的取代光学光刻技术成为集成电路生产制造的主流。

　　在近日由浙江省半导体行业协会主办的“长三角半导体行业协会联谊会”上获悉，上海微电子装备公司100nm光刻机今年底将开始整机组装、2006年完成样机调试。

　　位于上海张江高科技园区内的上海微电子装备有限公司，是由国内多家企业集团和投资公司共同投资组建的半导体设备制造公司，汇集了来自全国及海外的光、机、电、气、化学、材料等多学科高级技术人才，专门从事光刻机等微电子装备的总体设计、系统集成的技术研究，为光刻机及其它相关设备的开发、设计、制造及维修、成套服务等提供系统解决方案。

　　据了解，在上海微电子装备有限公司开发的系列产品中，基于0.18 um工艺技术的8英寸设备成套解决方案，最有可能率先实现商用化。（姚