光刻技術(shù)論文(2)
光刻技術(shù)論文
光刻技術(shù)論文篇二
下一代光刻技術(shù)
【摘要】本文從多方面對下一代光刻技術(shù)做了介紹和分析，重點描述了納米壓印光刻技術(shù)、極紫外光刻技術(shù)、無掩模光刻技術(shù)、原子光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)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(shù)。
【關(guān)鍵詞】下一代光刻技術(shù);納米壓印光刻技術(shù);極紫外光刻技術(shù);無掩模光刻技術(shù);原子光刻技術(shù);電子束光刻技術(shù)
一、引言
隨著特征尺寸越變越小，傳統(tǒng)的光學(xué)光刻已經(jīng)逼近了物理上的極限，需要付出相當(dāng)高昂的資金及技術(shù)代價來研發(fā)相應(yīng)光刻設(shè)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(shù)[1]。國內(nèi)山東大學(xué)、四川大學(xué)、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(shù)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(shè)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(shù)作簡要的介紹。
二、納米壓印光刻技術(shù)
1995年，美國Princeton大學(xué)的華裔科學(xué)家――周郁，提出了納米壓印光刻技術(shù)，由于其與傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻技術(shù)不一樣，所以自發(fā)明后就一直受到人們的關(guān)注。這種技術(shù)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(yīng)等離子刻蝕工藝技術(shù)，將圖形轉(zhuǎn)移至襯底。該技術(shù)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(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)，所以可以突破傳統(tǒng)光學(xué)光刻在分辨力上面的極限[3]。納米壓印光刻技術(shù)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(dāng)然，該技術(shù)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(shù)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(shù)的可能性非常大。
三、極紫外光刻技術(shù)
極紫外光刻技術(shù)的全稱為極端遠(yuǎn)紫外光刻技術(shù)。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(shù)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(xué)系統(tǒng)，而只能在真空中利用反射式光學(xué)系統(tǒng)進行。極紫外光刻技術(shù)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(xué)光刻相類似，更易被廠商接受;(4)工藝相對簡單。該技術(shù)的缺點有：(1)反射鏡的制造很難;(2)光源設(shè)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(shù)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(guān)注。該技術(shù)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(shè)計制造光學(xué)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(shù)。
四、無掩模光刻技術(shù)
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(shù)研究投入巨大的熱情。無掩模光刻技術(shù)有基于光學(xué)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(shù)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(zhǔn)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(shù)目前還存在許多問題，可能應(yīng)用于特殊領(lǐng)域，但是在近期內(nèi)成為主流光刻技術(shù)的可能性微乎其微。
五、原子光刻技術(shù)
原子光刻技術(shù)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(shù)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(shù)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(xué)腐蝕的方法刻蝕成形。(2)金屬原子束利用共振光壓高度準(zhǔn)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(shù)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(dāng)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(shù)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(shù)雖然被提出的時間還不長，但是許多大學(xué)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(shù)離實用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
六、電子束光刻技術(shù)
20世紀(jì)60年代，德國杜平跟大學(xué)的斯派德爾與默倫施泰特提出了電子束光刻技術(shù)，該技術(shù)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(xì)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(shù)的優(yōu)點有：分辨力非常高。其缺點有：(1)高精度地對準(zhǔn)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(shù)，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(xué)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(xué)投影來制作，來兼顧到經(jīng)濟與高效。在制作光學(xué)投影光刻模版、設(shè)計驗證新光刻技術(shù)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(xué)光刻會隨著特征尺寸的不斷減小而面臨價格與技術(shù)的挑戰(zhàn)。為此，研究人員紛紛開始研究新的光刻技術(shù)。本文對下一代光刻技術(shù)做了簡要介紹，并分析了各技術(shù)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(shù)、原子光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)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(shù)。而納米壓印光刻技術(shù)、極紫外光刻技術(shù)等會被應(yīng)用到集成電路批量生產(chǎn)之中，成為主流技術(shù)。另外在分辨力要求非常高的時候，電子束光刻技術(shù)可以與主流技術(shù)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(shù)與下一代光刻技術(shù)一起使用，精度要求不高的部分可以采用傳統(tǒng)光學(xué)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(shù)，從而兼顧經(jīng)濟與高效。
參考文獻
[1]張登英.毛細(xì)力光刻技術(shù)極其應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)博士學(xué)位論文， 2013.
[2]王友旺，鹿凱.激光干涉光刻技術(shù)的分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013，(21)： 149.
[3]任杰.光刻技術(shù)在微電子設(shè)備上的應(yīng)用及展望[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，(4)： 126.
[4]李金超.紫外LED光纖光刻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.
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