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极紫外光刻技术的研究与展望一、定义与概念光刻技术作为半导体工业的“领头羊”，在半个世纪的进化历程中为整个产业的发展提供了最为有力的技术支撑。历经50年，集成电路已经从上世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件。在摩尔定律的指引下，半导体技术的集成度每3年提高4倍。半导体光刻的工艺高低，决定了在单位圆晶片上能够集成晶体管的数目。随着新世纪电子产业的迅猛发展，人们的生活正式地步入到电子化、智能化时代，各种电子产品对半导体芯片集成度的要求越来越高，而服务于现阶段芯片生产的紫外光刻技术已经无法满足集成度大幅提高的要求，人们不得不把目光投向下一代具有巨大潜力的极紫外光刻技术。极紫外光刻(EUVL，ExtremeUltravioletLithography)技术作为下一代光刻技术中最佳候选技术，建立于可见/紫外光学光刻的诸多关键单元技术基础之上，工作波长为11～14nm，适用于制造特征尺寸为65～35nm的数代超大规模集成电路。二、基本原理光刻技术是集成电路的关键技术之一，它在整个产品制造中是重要的经济影响因子，光刻成本占据了整个制造成本的35％。光刻也是决定了集成电路按照摩尔定律发展的一个重要原因，如果没有光刻技术的进步，集成电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。为了继续缩小线宽，扩大芯片容量，人们一直在开发新的集成电路生产技术。如：X射线接近式光刻、电子束投影光刻、离子束投影光刻和软X射线投影光刻等。为了强调软X射线投影光刻与现有光刻的连续性，现在普遍称其为“极紫外投影光刻”。极紫外光刻EUV的几个关键技术已经突破，最有希望成为下一代集成电路的生产技术。它采用13nm的工作波长，理论上适用于线宽22nm以下的集成电路生产。典型的EUVL系统主要由极紫外(EUV)光源、光辐射收集系统和投射曝光系统等部分组成。由于EUV光在介质中存在强烈吸收，使得原有的常规折射光学系统很难再应用于这个波段的光刻技术中，EUVL的光学系统必须采用反射式设计，且需安置到真空腔室里。光辐射收集系统主要由两种不同元素原子间隔叠放组成的多层膜反射镜构成。投射曝光系统将收集到的极紫外光通过反射式的掩模携带要蚀刻的电路信息后，经过一系列缩放处理，最终投射到晶圆上进行曝光生产。为了满足大规模工业生产的需要，EUVL中光源部分的基本要求是：提供足够高的带内极紫外辐射功率；收集系统污染少，以保证整个系统的长时间稳定输出。目前，获得EUVL光源主要有3种途径：同步辐射源、放电等离子体(DPP)和激光等离子体(LPP)。三、国内外研究现状1.国内研究现状下一代主流光刻技术和工艺的研发完成还需要约10年，这方面技术发达的国家仍在加大投入。作为在这一方面大大落后于发达国家的中国，应该算是一个努力加大技术积累，加快整合研发构架、改进研发效率和加速创新性技术发展，达到掌握未来10纳米精度光刻技术的部分领先权的极好机会。如果我们能暂时避开在超紫外（193nm）光刻方面的较为落后的发展困境，加大在前瞻性的EUV光刻的科研投入，也许能为我们创造一次机会，抢占这一10nm以下超集成技术制高点，有效地参与到这个极具战略意义的领域的竞争中。假如我们失去这次机会，我们与美欧日等发达国家在光刻技术上的技术差距将更加难以弥补。到目前为止，我国自行研制成功的光刻机最小刻线宽度在0.8～1μm，这与国际先进水平有较大的差距，若采取当前国外的发展路线来赶超国际水平还要花许多年的时间。作为一门新学科，我国在极紫外光学技术(如超精密光学加工与检测技术、多层膜技术、激光等离子体光源和极紫外光学系统研制等)上，与国外的差距较小。在人们已公认极紫外光刻将成为下一代大规模集成电路的生产工具时，我们应该充分发挥优势，采取超常规的发展方式，集中各方面的精兵强将，加快发展我国的极紫外光刻技术，争取在下一世纪新的光刻技术领域赶超世界先进水平。2.国外研究现状目前，英特尔、三星等半导体国际巨头都积极支持极紫外光刻技术的开发。三星电子正在试用极紫外光刻技术，并期望在2020年能实现10纳米光刻。三星也许是过于乐观，甚至略有制造商业渲染之嫌。但三星在制作集成度最高的记忆芯片方面世界领先，在这一点上完全能为极大规模集成电路产业界代言，特别是当集成化的增速和产能被极大地提高了，人们自认为已经找到了开启10纳米光刻技术大门的钥匙。光刻机前沿公司ASML公司5年前已经将EUV光刻投入实验室试用。在国际集成电路行业有话语权的倾向于EUV的半导体公司组织曾经在5年前将EUV光刻定标在投入22-20纳米光刻生产线。因为需要更多的技术积累和光源问题尚未彻底解决，这个目标2012年被修改为只计划投入未来10纳米生产线，2013年这一目标又被进一步修改为只投入更远的将来7纳米生产线。继英特尔之后，台积电和三星电子相继宣布向ASML投资，用于下一代光刻技术的研发，这其中主要包括极紫外光刻技术和450mm光刻设备等。四、目前存在的问题EUV技术面临的主要问题有三个。一是缺乏大功率的光源。目前光源功率水平大约为10W，而规模生产需要的功率水平大约为200W,如果应用到16nm节点则需要更大功率的光源。大幅度提高光源功率水平无疑具有很大的难度，可行性不被看好。二是目前EUV光刻材料22nm线宽曝光灵敏度大约在10mJ/cm2左右，能够基本满足规模生产的要求，但线宽粗糙度(line-widthroughness,LER)距要求较远(线宽22nm,3σ值要求达到2nm左右)，光刻材料需要同时提高曝光灵敏度、分辨率和LER三个互相制约的性能参数。三是由于193nm沉浸式工艺的延伸性非常强，同时EUV技术耗资巨大却进展缓慢，到现在都还没找到合适的快速稳定的光刻胶，找不到合适的光刻胶，刻深和侵蚀速率就没办法控制。各家厂商都清楚，半导体工艺想往下刻，使用EUV技术是必须的。而且EUV技术也能通过液相折射来降低波长，因为所有折射都可以降低波长，也就是说EUV技术可以有效拓展工艺深度。但是现在困扰光刻胶的问题不是波长，而是频率，光的能量不够，就没办法诱发反应。波长越短，频率越高，光的能量正比于频率，反比于波长。但是因为频率过高，传统的光溶胶直接就被打穿了。现在材料学，固体物理和凝聚态物理已经从全部方向上开始制约半导体工艺的发展了。所以现在EVU技术要突破，从外部支持来讲，要换光溶胶，但是合适的一直没找到。Intel和IBM还有AMD都已经用EVU蚀刻出一些图案，问题是不是光刻出图案就可以了，影响刻蚀质量的因素除了边缘稳定性，还有刻深。五、解决途径和发展思路解决上述问题可能有以下几个途径：一是寻找大功率的光源，如放电等离子体是利用放电机制，产生等离子体，辐射出极紫外光。其优点是产生极紫外光的转换效率高，输出功率高，造价低；缺点是电极热负载高，产生碎片多，机制复杂，光学器件易于受损，光收集角小。或者开发出高灵敏度的EUV光刻材料可以降低对光源功率的较高要求。二是要求同时提高曝光灵敏度、分辨率和线宽粗糙度这三个互相制约的性能参数，这显然是不现实的，这就需要在三个性能参数中有所取舍，提高一个或两个，在不破坏制约条件下以保证光刻材料满足要求。三是找到合适的光刻胶。最有可能成为极紫外光刻所用的光刻方法是采用全新技术的表面成象方法，它是在光刻胶曝光后，经硅烷化处理，再进行刻蚀，这样的光刻胶方法在分辨本领、抗蚀能力、侧壁倾角和灵敏度方面表现出巨大的潜力，相信经过进一步的研究发展，定能为极紫外光刻提供合适的光刻胶技术。而从EUV技术自身来讲，同时尽可能的想办法降低输出能量也不失为一个有效的解决方法。极紫外光刻技术是现有光刻技术的合理延续。由于采用的光波长为13.5nm，故而许多关键技术问题需要解决。目前，世界各先进国家都在投巨资研究新型的光刻机和其他集成电路的生产设备，以促进国民经济的发展和国防实力的壮大。六、参考文献1．王占山．极紫外光刻给光学技术带来的挑战[J].红外与激光工程，2006（增2）：151-156.2．窦银萍，孙长凯，林景全．激光等离子体极紫外光刻光源[J].中国光学，2013.2.15：20-30.3．耿永友，邓常猛，吴谊群．极紫外光刻材料研究进展[J].红外与激光工程，2014.6.25：1850-1856.4.StefanWurm.TransitiontoEUVlithography[C]//Proceedingsofthe2012InternationalSymposiumonVLSITechnology,SystemsandApplication(VLSI-TSA),2012.5.KimHyun-Woo,NaHai-Sub,ChoKyoung-Yong,etal.PatterningwithEUVL:theroadto22nmnode[C]//ProcofSPIE,2010,7636:76360Q-1-76360Q-11.6.BrianCardineau,MarieKrysak,MarkosTrikeriotis.Tightly-boundligandsforhafniumnanoparticleEUVresists[C]//SPIE,2012,8322:83220V-1-83220V-10.