[精彩]极紫外光刻

[精彩]极紫外光刻 极紫外光刻给光学技术带来的挑战 王占山 同济大学精密光学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术研究所，物理系，上海，200092 摘要:本文概述了极紫外光刻技术的发展，阐明了极紫外光刻技术的特点，说明了极紫外光刻的 关键光学技术。极紫外光刻中光学元件的评价需要采用随空间波长变化的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面功率谱密度进行评 价，分析了不同区域内表面误差对极紫外光刻系统性能的影响，给出了极紫外光刻对相应空间波 长区域的技术要求和现在技术能够达到的水平。根据这些问题，重点说明了极紫外光刻如何将光 学加工、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和镀膜技术带到了原子尺度。最后建议我国能够抓紧时间，尽快启动相关研究，推 动我国相关领域的发展。 1 引言 自上世纪6O年代以来，集成电路制作技术取得了飞速的发展，一直按照“摩尔定律”预言的轨迹前进。“摩尔定律”是美国因特(Intel)公司创始人之一的Goldon Moore于1965年提出的，即每隔约18-24个月，集成电路单个芯片上的晶体管数目将增加1倍，集成电路中最细刻线的宽度减小0.7倍，这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。目前，集成电路已从上世纪60年代每个芯片上只有几十个器件发展到现在每个芯片上可包含10亿个以上的器件。在集成电路飞速发展过程中，光刻技术的进步起到了极为关键的作用,其决定了集成 电路最小刻线的宽度，即集成电路的集成度。 为了紧跟迅速发展的集成电路制作技术，美国、欧洲、日本、韩国与台湾的半导体产业协会合作制订了《国际半导体技术蓝图》(ITRS)，自2001年起，每隔一年就会有新版出现，而在双年时，则会对蓝图进行修订。在近5年的国际半导体技术蓝图中，我们可以明显地看出，什么技术被淘汰，什么技术得到确定。如:对90nm线宽的光刻技术，2001年还有多种选择，到2003年就完全确定下来。2005年给出的蓝图，比原来几年的蓝图都简单，原因是大家都比较清楚什么样的光刻技术是未来需要的。变化最大的是，157nm光刻技术、电子束投影光刻技术、离子束投影光刻技术、接近式电子束光刻技术和X射线接近式光刻技术都退出了光刻技术的主流。有两个主要的原因导致了上述变化，其一是193nm浸入式光刻技术的飞速发展，其二是极紫外光刻技术的进步。虽然在2005年的发展蓝图中还有微压印技术和无掩模光刻技术，但人们普遍接受的看法是极紫外光刻技术将成为下一代光刻技术，至于是193nm的浸入式光刻技术还是极紫外光刻技术用来生产45nm线宽的集成电路和32nm线宽的集成电路有待于两种技术的发展。谁的性能价格比好，谁就进入市场。微压印技术由于存在掩模制作极其困难的问题，无掩模光刻技术还不成熟，同时，这两种技术都与现有的光刻技术有个兼容问题，想走入大规模集成电路的生产线还有一定的难度。随着今年荷兰ASML公司推出两套适用性极紫外光刻样机进入生产工艺的开发，相信极紫外光刻技术真正进入生产领域指日可待。 我国在极紫外光刻相关技术研究方面有一定的积累，如在极紫外正入射高反射多层膜方面取得了接近国际先进水平的成果，但真正按照极紫外光刻技术的要求还有非常大的差距。本文结合极紫外光刻对光学技术的要求，分析极紫外光刻对光学技术提出的挑战。对这些挑战的回答，使得传统光学技术走入了纳米和亚纳米时代。 2 极紫外光刻技术的发展 上世纪80年代末期，日本NTT公司最先验证了极紫外光刻技术在制作微小线宽器件方面的能力，此后，美国和日本都在极紫外光刻方面进行了深入和广泛的研究，主要是验证极紫外光刻是否具有可以制作集成电路的能力。美国光学学会于1991年至1994年，连续四年召开了极紫外光刻学术会议，开始三届 会议的名称是软X射线光刻，到1994年会议才正式将其更名为极紫外光刻。这期间，美国和日本都投入了大量的人力和物力开展研究，取得了很大的进步。开始时，美国的极紫外光刻技术研究是在能源部的三个实验室Sandia国家实验室(SNL)、Livermore国家实验室(LLNL)、Berkley国家实验室(LBNL)、AT&T公司和大学里进行的，并于1996年研制成功了由两块球面反射镜组成缩小镜头的具有光刻功能的极紫外光刻原理样机，刻制出了线宽达50nm的线条，之后用其又完成了100nm线宽集成电路样品的制作，实现了对极紫外光刻技术得到了初步的认识。1997年，Intel成立了包括AMD，Motorola，Micron，Infineon和IBM的EUV LLC，并与由LBNL，LLNL和SNL构成的虚拟国家技术实验室(VNL)签订了EUVL联合研发 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 (CRADA)，开始了进行由四块非球面反射镜组成的EUVL工程测试样机，并于2001年完成整个设备的装配和测试，进行了工艺实验研究。1999年，EUVL被负责下一代光刻技术的SEMATECH选定为实现50nm及小于50nm光刻的技术途径。 在美国，目前共有超过50个单位，包括国立实验室、大学、公司、集成电路公司和协调机构参与了EUVL的研发工作。在欧洲，与EUVL相关的研究工作起步于1996年，主要项目有4个，约110个研究单位参与，其中最大的项目是MEDEA。荷兰ASML公司参与研制的第一个小视场极紫外光刻系统(MET)于2004年8月正式安装在美国因特公司，标志着极紫外光刻开始了真正的试用阶段。今年年底，ASML将把其两台具有六面非球面反射镜，数值孔径达0.25的全口径极紫外光刻机分别发送给用户，进行极紫外光刻工艺研究，标志着极紫外光刻真正开始了新的起点。在亚洲，日本的EUVL研究工作开始于1998年，并于 2002年6月成立EUVL系统研究协会(EUVA)，目的是加速日本公司间的EUVL研发工作和有效地管理EUVL研发项目。韩国的EUVL研究是在工商能源部(MOCIE)的支持下开展的，并正在争取科技部(MOST)的支持。日本Nikon公司也将在明年推出其全口径极紫外光刻机，供用户进行工艺实验。除各国家国家投资外，目前三个主要生产光刻机的大公司ASML、NICON和CANON都投入了巨资进行研究，希望能成为下一代光刻技术。 3 极紫外光刻光学系统的特点 光刻机是专门生产制作集成电路的。根据2005年版的国际半导体技术蓝图，2007年将用193nm的光刻技术生产线宽65nm的集成电路，2010年将生产线宽45nm的集成电路，2013年生产线宽32nm的集成电路。光刻机的分辨率由下式表示: ,RESk, (1) 1NA 通过将光刻投影系统的数值孔径NA和工艺参数k延伸到其实用极限以及增加浸入式系统，使用193nm准1 分子光源的光刻系统可以生产65nm线宽的集成电路，人们还希望能够继续使用193nm浸入式系统生产45nm线宽的集成电路。采用现有193nm的技术，无论如何都不能生产32nm线宽的集成电路，必须寻求新的发展方向，采用13.5nm光的极紫外光刻可以实现更高分辨率的跨越。 极紫外光刻系统的目的是实现45nm和更小特征尺寸的衍射极限成像，由公式1可知，减小波长可以提高系统的分辨率。在光波长低于110nm时，已经没有透明的材料可用，因此，极紫外光刻全部采用反射系统，靠在镜面镀制Mo/Si多层膜实现接近70,的反射。由公式1可以算出，波长13.5nm，k,0.7时，1系统的数值孔径NA,0.25。由于光刻系统要求非常好的图像保真度，系统不能有中心遮拦，因此，极紫外光刻系统的设计一定采用离轴系统。由于极紫外光学系统一定要达到衍射极限下的成像，目前在天文学中广泛采用的极紫外掠入射光学系统由于像差问题，无法使用，只能够使用成像质量高，畸变小的正入射光学系统。 多层膜反射镜对13.5nm极紫外光的反射率只有70,，本着工业化生产需求，要求极紫外光刻光学系统的镜片数越少越好。为了提供充分的自由度校正系统像差，极紫外光刻光学系统的反射镜镜面一定是非球面。要实现商用系统成像尺寸22mm×2mm的要求，达到数值孔径NA,0.25的系统至少有六面反射镜。由于反射镜只反射70,的能量，其它都由镜子吸收，因此，组成系统反射镜衬底的材料必须是零膨胀材料。 在极紫外光刻系统中，有极紫外光源及聚光系统、掩模、掩模工作台、投影物镜、硅片工作台、对准系统和对焦系统等七大模块。除极紫外光源及聚光系统、掩模和投影物镜外，其它四个部分都是光刻机的共性技术。本文主要就与极紫外光刻中的光学问题进行探讨。 4 极紫外光刻技术中的关键光学技术 与极紫外光刻有关的光学问题主要是极紫外光源及聚光系统、掩模和投影物镜。极紫外光源及聚光系统是为掩模上成像区域提供均匀的照明，极紫外掩模与传统的掩模不同，它是反射式的掩模，制作方法与传统的193nm掩模制作有一定不同，投影物镜是整个光刻系统的核心，系统是否能够达到所希望的分辨率，它起主要作用。下面分别进行介绍。 4.1 极紫外光源 商业光刻机用光源的主要技术指标为:中心波长13.5nm;带宽2,;功率(有效带宽内) 115W;重复频率7,10kHz;累积能量稳定度?0.3,;光源清洁度?30000h，(定义为反射镜受光源影响反射率下降10,所需的时间)。 目前，正在研究的极紫外光产生方法有两类，其一是激光等离子体光源，其二是放电等离子体光源。激光等离子体光源是用高强度激光与靶相互作用，产生等离子体，辐射出极紫外光。其优点是光源尺寸小，产生碎片或粒子的种类少，光收集效率高;主要缺点是极紫外光的输出功率小，价格昂贵。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。现已发展了多种类型的放电等离子体极紫外光源，如:等离子体焦点装置、毛细管放电装置、星形箍缩装置等。 开始时，人们主要集中进行了Xe等离子体光源的研究，逐步发现Xe本身固有的转换效率低，很难增加光源的输出功率。这时，人们转回来研究Sn和Li等离子体光源，效率比Xe等离子体光源的大4,6倍，现在放电等离子体源在所需带宽内已达到输出100W的水平，但在其他方面还有待进一步改进。ASML现推出的极紫外光刻机上采用的是放电等离子体光源。采用这种光源需要解决光源产生的碎片对聚光系统的污染，用滤片和缓冲气体解决大的碎片问题，用清洗方法解决Sn的沉积问题，已有的清洗工艺表明，清洗不会造成反射镜反射率的下降。 在聚光系统设计中，主要考虑的是充分利用光源发出的光和掩模上照明的均匀性。由于掠入射反射镜的反射率可达90,，因此，在能使用掠入射反射镜时尽量使用。由于反射率的原因，聚光系统也需要采用尽可能少的镜片数。在聚光系统制作过程中，由于没有成像要求，其精度比投影物镜光学元件的要求低很多，主要是解决元件表面粗糙度，保证元件的反射率尽可能高。 4.2 极紫外光刻用反射式掩模 极紫外光刻用反射式掩模一直是极紫外光刻发展中的一个瓶颈，其极低缺陷率的要求几乎使人们感到没有办法解决。反射式掩模的制作过程是在加工好的零膨胀系数材料表面上镀制Mo/Si多层膜，再镀上Si的帽层，接着镀制SiO2的缓冲层，最后镀制TaN吸收层，然后，利用现有掩模制作方法在吸收层上制作出集成电路图形。其难点之一是需要在120mm×142mm的区域内，基底的平面度达到50nm以下，其二2是在掩模图形中，整体缺陷率要求达到25nm以上的缺陷数小于0.003个/cm，其三是掩模在做步进扫描时不产生任何缺陷。在整个掩模制作过程中，有非常多的环节可以引入缺陷，要控制整个过程不产生缺陷是 2非常困难的。今年的报道称，美国已可以做到0.0053个/cm的缺陷率，离实际要求还要一点差距，相信会给予解决。 4.3 极紫外投影物镜对光学技术的挑战 在光滑表面的条件下，在波长为,的光入射情况下，镜子表面总的积分散射率(总的散射强度与镜面反射强度之比)与表面的均方根值粗糙度为: 2,4,,2 (2) TIS,,,,,,, 与现有的深紫外光刻系统要求相比，由于散射强度与波长的平方成反比，散射将严重影响极紫外光刻系统的性能。因此，对极紫外反射光学系统中元件的技术要求将不同于现有的深紫外光学元件。极紫外反射光学元件的技术要求需要控制从工作波长尺度到元件整个口径尺度范围内元件表面的加工情况。这样，对极紫外光学元件的技术指标需要根据光学元件表面的功率谱密度提出，表面功率谱密度是表面起伏的傅立叶变换。 图1 极紫外光学元件表面的二维功率谱密度随空间波长的变化 图1是极紫外光学元件表面的二维功率谱密度随空间波长的变化关系。每一个特定的空间频率或者空间波长对应着固定的散射角度，根据表面散射性质的不同，可以将整个空间波长范围分为3段。第一段是空间波长大的一段，对应着我们平时说的面形误差。它产生非常小角度的散射，与系统的像差相联系，决定着成像系统的保真度。根据成像系统的成像规律，一个系统若要达到衍射极限下的分辨率，系统的整体波前误差的均方根值需要小于,/14。在六片镜子组成的极紫外光刻物镜中，分配到每一个面上的低空间频率范围内的面形误差均方根值只有0.2nm，相当于峰谷值只有1.0nm。每个原子的直径是0.3nm，这样的要求，无疑是让加工过程中，保证去除量在原子水平。元件表面起伏的空间波长位于整个微米波段部分称为中频粗糙度(MSFR)，它与成像视场内的散射有直接关系，能增加视场内散斑级别，减小成像的衬度。详细的散射和成像分析表明，对于六面反射镜系统的每个元件要求其中频粗糙度均方根值在0.1nm左右。元件表面起伏的空间波长位于微米以下直至工作波长部分称为高频粗糙度(MSFR)，其产生的散射不在视场内，与多层膜的反射率紧密联系，主要造成系统光能量的损失，对成像质量没有影响。为了得到接近理论极限的多层膜反射率，极紫外光刻光学元件高频粗糙度的要求是其均方根值在0.2nm左右。从上面的分析，我们知道，极紫外光刻对于光学元件的要求:从元件口径尺寸一直到工作波长范围内，元件表面的起伏都在三个原子层以下，从这个意义上说，极紫外光刻将光学元件的加工和检测技术都推进到了原子尺度。 实现上述元件的加工非常困难，采用的方法是经典抛光方法、计算机辅助抛光、离子束修正面形和磁流变抛光等方法的结合。加工过程中，最困难的是在修正非球面时，不改变中频和高频粗糙度，在加工过程中，最难处理的是中频粗糙度。对于大尺寸离轴非球面加工，现在国际上已经做到了面形精度均方根值0.2nm，中频粗糙度0.2nm，高频粗糙度0.2nm。基本上满足了极紫外光刻对于光学元件加工和检测的要求。 在加工过程中，检测是非常关键的，图2示出了各个空间波长波段所需要的检测设备。其中最难的是低频面形的测量。为了解决这个问题，美国科学家发展了点衍射干涉仪。其中最核心的思想是用一个近似的几何点产生干涉仪中几乎没有误差的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 球面波，用这种方法制成的干涉仪绝对精度已到70pm，测量重复性达到50pm。中频粗糙度可以现有的高精度表面轮廓仪完成，需要使用不同的放大倍数才能覆盖整个中频波段。对于高频粗糙度，可以用高精度原子力显微镜实现，为了覆盖整个高频段，也需要采用不同的扫描范围。 图2 不同波段采用的检测方法 极紫外光刻系统光学元件加工完成后，需要对其进行镀膜。极紫外多层膜技术是极紫外光刻得以实现的保证，其发展推动了整个极紫外光刻的进步。在极紫外多层膜研制过程中，首先是尽可能提高反射率，现在Mo/Si多层膜的反射率已能做到70,，是极紫外波段反射率最高位置，这也是为什么极紫外光刻要工作在13.5nm的原因。在提高反射率过程中，人们采用很多方法，其中最主要的是进行了多层膜界面工程的研究，在厚度只有2.7nm的Mo层和4.1nm的Si层中间插入厚度只有0.4nm的BC层。这不但提高了4多层膜反射率，而且增加了多层膜的热稳定性。除了提高反射率外，人们还在多层膜的应力控制和表面稳定性方面进行了一系列的研究。通过多种方法控制多层膜内的应力，保证了镀多层膜前后的镜面的面形误差和中频粗糙度没有改变。经过多种工艺过程，选定了Ru为多层膜的表面层材料，保证多层膜在使用过程中，性能不发生改变。在镀膜过程中，还需要控制的就是在反射镜不同部位，由于光的入射角不同，多层膜周期有一定的变化，这也需要在多层膜镀制时得到控制，现在能够达到的控制精度是0.1%以下。 极紫外光刻机整体装调也是实现最终性能的关键之一，在ASML光刻机系统装配时，使用了248nm波长的干涉仪，最后用极紫外光的点衍射干涉仪进行了波前测试，系统的波前误差均方根值为1.7-2.8nm，平均是2.3nm。 5 结论 极紫外光刻从最开始的验证实验到现在经历了近20年的时间，这期间极紫外光刻的目标一直在修改，从最开始的100nm，到现在的45nm，甚至是32nm线宽的集成电路生产。与极紫外光刻有关的各种技术获得了突破性进展。极紫外光刻有关的光学技术涉及到许多问题，有非常基础的物理问题，也有许多光学技术问题。在极紫外光刻研究过程中，开创了许多新的理论和技术，促进了光学技术的极大进步，目前已经实现了原子尺度的加工、检测和镀膜，达到了前所未有的高度。 我国科学家曾多次向国家建议研制极紫外光刻样机，开展相关的光学技术研究，但到目前为止，除了国家自然科学基金委资助过类似的项目外，我国还没有进行大规模的极紫外光刻研究。我国已在极紫外光刻方面有一定的基础，如极紫外多层膜反射镜反射率已达65,以上。在十一五到来之际，希望我国相关部门能够注意世界光刻技术领域的发展，尽快组织进行极紫外光刻方面的工作。 参考文献 1. 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