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新世纪光刻技术及光刻设备的发展趋势
第 29 卷第 2 期 Vol129, No12微 电 子 技 术 MICROELECTRONIC TECHNOLOGY总第 138 期 2001 年 4 月综述新世纪光刻技术及光刻设备的发展趋势苏雪莲( 中国华晶电子集团公司 技术支援中心 , 江苏
无锡 214061)摘要:本文主要阐述了光刻技术的发展极限及 193nm、157nm 光学光刻技术和电子束投影光刻 ( SCALPEL) 、X- 射线光刻 ( XRL) 离子投影光刻 ( IPL) 等技术的发展趋势。并详细介绍了国 际著名品牌的光刻机以及即将推出的新一代光刻机。对国内光刻设备的发展现状作了简要概述。 关键词: 光学光刻; 微电子技术; 专用设备; 极限 中图分类号: T305. 7 文献标识码: A 文章编号:
10 - -Trend of Photolithography Technology and Its Equipment in 21st CenturySU Xue lian ( Technical Support Center , China Huajing Electronics Group Corporation, Wuxi Jiangsu Abstract: 214061, China)The limitation of photolithography technology and the trend of 193nm, 157nm photolithographytechnology, SCALPEL, x -ray photolithography, and IPL are analyzed in the article. The international brand named photolithography equipmemt and the ready to ship new generation of photolithography equipment - are also introduced, and the current status of domestic photolithography equipmemt is briefly mentioned. Keywords: P Microe S Limitat ion 迄今所能达到的精度最高的加工技术。集成电路的1前言更新换代有赖于光刻技术的发展, 对每一代集成电 路技术都要研究开发一代特定的光刻技术。探究下 一代光刻技术是什么, 是当前工作的重点之一。由 于短波长光源 ( 如远紫外 i 线, 深紫外 KrF、ArF、 F2 准分子激光光源等) 的开发和应用进一步挖掘 了传统光学光刻系统的潜力, 在近年来亚微米及深 亚微米领域立下了汗马功劳, 然而, 也达到了光学 光刻技术的极限。取代它的新一代光刻技术有: 电 子束直写技 术 ( EBLithography, Direct Writing ) : 电 子束投影曝光技术 ( EBStepper, SCALPEL) ; 极紫外 反射投影曝光技术( EUV, 波长在 11~ 14nm 的高能当前世界半导体技术始终按照摩尔定律, 以快 速发展的势头奔向 21 世纪。到 2000 年 0118L 工 m 艺, &300 ?硅片的技术将完全进入规模化大生产阶 段。到 2010 年, 高性能微处理器的特征尺寸将达到 0105L 10GHz 时钟周期和集成 10 亿个晶体管的集 m、 成度。随着高集成度、超高速、超高频集成电路及 器件的研制开发, 器件的特征尺寸越来越细, 加工 尺寸进入深亚微米、百纳米以至纳米级。作为微电 子技术微细加工的关键技术 ( 光刻技术) , 是人类收稿日期:
第 2期苏雪莲: 新世纪光刻技术及光 刻设备的发展趋势9等离子体光源或同步辐射光源) ; 软 x- 射 线投影 曝光技术 ( x- Ray) ; 聚焦离子束成像技术 ( FIB, FOCUS Ion Beam) 和离 子束投影曝光 技术 ( IPL ) 。 从生产效率角度看 EUV 和 SCALPEL 两项技术可望 成为将来的主流光刻技术, 而电子束光刻技术由于 它的束斑尺寸可以 从微米级至纳 米级, 实用 范围 广, 实验周期短, 灵活性强, 将在实验室条件下进 行产品的研究与开发中起到无可替代的作用。在未 来纳米工艺中, 引人瞩目的 x- 射线、激光束、电 子束、离子束、质子束、分子束等高能粒子束直接 注入成像加工技术和束致变性技术在将来的二十一 世纪, 将逐渐取代传统的工艺技术, 在超微细加工 技术中占越来越重要的地位。然而, 在近几年中制 版光刻技术仍将是微电子技术的主导工艺技术。1 介绍了光学光刻发展趋势。图 1 光刻技术的发展趋势表 1 光学光刻的发展趋势年 代 NA 70 80 0
K nm / 365 248 248 Res / nm 500 250 180[ 2]1990曝光面积 / nm@ nm DOF/ Lm 20@ 20 115 22@ 22*2光刻技术的极限02 10在 80 年代, 人们普遍认为光刻技术所能达到的 极限分辨率为 0. 5L 左右。随着光刻技术的发展, m 包括光源、 成像透镜、 光致抗蚀剂、 分步扫描技术以 及提高光刻分辨率技术的发展, 使光刻极限已推进 到目前大多数人认为的 0. 10L 甚至以下。表 1, 图 m 表2年份 ( 年) 技术节点 ( nm)
KrF26@ 34 3 150/ 130 26@ 34* 3 130/ 100 26 @ 34* * 7 80/ 70 26 @ 34* * *110 016 015 014 013 01350/注: 表中
年 参数是基于 现时观察 到的趋势和 期 望能力的预测值 ( * 1 维扫描, *[ 3]2 维扫描) 。各种光刻的分辩率 ArF+ RET F2 PXL IPL KrF+ RET ArF+ RET EPL EUV IPL EBDW2011 50 EUV EPL IPL EBDW2014 35 EUV IPL EPL EBDW有潜力的光刻法KrF= 248nm 光刻 ArF= 193nm 光刻 F2 = 157nm 光刻RET = 增强型线标光刻 EPL= 电子投影光刻 PXL= 接近式 x 射线IPL= 离 子投影光刻 EUV= 远紫外线光刻 EBDW= 电子束直刻在微电子技术的发展过程中, 光刻特征线宽越 来越小, 硅片直径越来越大, 制造成本越来越高。 为了有效的降低光刻成本, 大视场 i 线和深紫外光 刻的混合匹配曝光将成为生产线的主流技术。x 射线、电子束光刻和 193nm 的 ArF, 157nm 光刻技 术混合匹配, 将用于 21 世纪 L 产品的 m 生产制作。在半导体制造业, 人们的目光不仅停留 在什么是最新的, 在传统光学和深紫外 ( DUV) 方 法达到最后的极 限后, 电子 束、离子 束、极紫 外( EUV) 和 x - 射线光刻成为下一代技术热点。为了 向 G 位器件进军, 那么下一代光刻 NGL ( Next Gen eration Litography 是什么, 人们正在不懈地进行着各 种方 法 的 尝 试。预 计 到 2007 年, 我 们 将 进 入 100nm 的 16G 位 DRAM 器件的生产, 器件关键图层 的曝光技 术将由 深紫外 光刻 ( 248nm 和 193nm 的 ArF, 157nm) , 极紫外光刻和电子束投影光刻承担。 原子光刻将成为一种新型的光刻技术。表 2 介绍了 各种光刻的分辨率。10微电子技术为将光刻技术进一步向前延伸, 打破光学光刻 至 0118L 已到 极限的传 统观念, 不满足 21 世 纪 m L 特征线宽的器件需求, 世 界各国 m~ m 科学家正在 探索 G 位器件 的各种 光刻技 术途径, 不懈地进行各种研究和努力, 从目前的探索研究情 况来看, 可以探索的途径有: 1 193nm~ 157nm 准分子激光投影光刻( DUV) 2 3 4 软 x - 射线光刻( EUV) 电子束投影光刻( Scalpel) 离子束投影光刻 IPL193nm 光刻大约在
年。 312 157nm F2 准分子激光光刻技术 波长 157nm 的 F2 准分子激光光刻技术可能是 193nmArF 激光光刻的后续技术, 用于 0110L 及以 m 下尺寸器件的生产。Lambda Physik 公司已经演示了 第一台 工 业级 F2 激 光器, 功 率 20W, 重 复 频率 500Hz, 已经达到当前光刻用的 248nmKrF 与 193nm ArF 准分子激光器的水平。 F2 准分子激光的主要优点在于本 身具有窄的 频谱宽度, 激发态二聚物 F2 具有皮米级线宽, 比 未经压窄线宽的 KrF 或 ArF 激光线宽小 100 倍。自 然线宽窄消除了很多光学元件和线宽压窄时伴随的 损耗。由于波长短和很高的光子能量被氧化吸收带 强烈吸收, 所以要求 157nm 光刻系统工作于真空或 惰性气体之中。 在光学设计中为了校正像差, 目前至少需要两 种不同折射率的材料结合使用, 但目前用于 DUV 的石英玻璃 已不能 用于 157nm, 可能 的代用 品是 CaF2。有人在研 究只用 一种光 学材料 设计的 可能 性。对于 157nm, 采用折射系统还是反射系统现在 考虑为时尚早; 除了目前 F2 激光器取得重大突破 之外, 对于 157nm 来说还有很多问题待解决。如光 学材料、抗蚀剂、掩模及光刻工艺等。 在 1999 年 SEMIChina 技术 讨论 会上, Lambda 公司宣布了新研制的 F2 准分子激光器的输出功率 已达 10 ~ 20W, 重 复 速 率 达 1000Hz, 分 辨 率 为 L m, 功率稳定性为 1% 。这些指标已基 本接近或相当于已投入应用的 193nm 波长的 ArF 准 分子 激 光 器的 技 术 指 标。Lambda 公 司透 露, 到 2004 年, 其 157nm 波长的 F2 准分子激光器即可商 品化供货, 这就揭示了 157nm 波长的 F2 准分子激 光光刻设备商品化时代的到来。3准分子激光光刻技术的发展311 193nm ArF 准分子激光光刻技术 深紫外光刻是实现 21 世纪 100~ 150nm 特征线 宽器 件 的 有 效 途 径 之 一, 研 究 发 展 说 明 193nm ( ArF) 、157nm ( F2 ) 曝光光刻能实现 1G 16G DRAM 芯片制造要求。其难度之一是镜头的光学材料和加 工工艺, 熔石英和氟化钙、BaF2 LiF 是使用于准分 子激光光刻机步进扫描镜头的选用材料。难度之二 是高平均输出功率、长寿命的 ArF 激光器。 尽管 193nm 抗蚀剂和光刻机目前都还不成熟, 但普遍认为小于 0118L 的光刻, 193nm 可 能唱主 m 角, 当然工艺上要把光刻技术扩展到 0118L 以下, m 单层和多层抗蚀剂工艺, OPC 和 PSM 也将是 需要 的。一般认为 193nm 的工作区间为 L m。 193nm 将 首 先 进 入 0115L m, 然 后 将 推 进 到 0113L m, 有可能推进到 0110L 而 157nm 波 长曝 光很可 能是 0110L 和 0108L 要选择的技术。用 m m 193nmArF 准分子激光光刻已经制作出线宽 0115L m 和 0114L 的稠密线阵。 m 美国奥斯汀德克萨斯大学 Grant Willson 研究小 组用 Cymer 公司生产的 ArF 准分子激光器和 Inter grated Solutions 公司研制的 193nm ArF Microstep 光刻 机在微芯片上做出了 0108L 线条特征。以前半导 m 体专 家 预 言 193nm 光 刻 极 限 为 0110L m, 达 到 0108L 特征的主要技术在于混合使用了新 型光学 m 系统, 包括折反光学系统以及先进的分步机设计, 并采用了交替刻蚀的石英无铬相移掩模。193nm 光 刻技术的成功引入要求有高性能单层抗蚀剂, 这是 目前半导体器件大批量生产的基础。 目前, 一些实力雄厚的制造厂家, 都已全力开 发 193nm 远紫外技术, 193nm 技术商品化已达到新 的里程碑, 一些 遗留的问题将 被提出。正式 应用4电子束投影光刻技术电子束光刻具有极高的分辨率, 甚至可以达到原子量级; 电子束光刻由于是无掩膜写型的, 因此 具有一定的灵活性, 可直接制作各种图形; 另外由 于电子束是扫描成像型的, 因此它的生产率较低。 正由于这些特性, 电子束光刻一般主要用于制作高 精度掩膜。 为了提高生产率, 在电子束光刻中采用了成形 光斑技术。电子束光刻的生产率主要由电子的平均第 2期苏雪莲: 新世纪光刻技术及光 刻设备的发展趋势11束流和图形密度决定。实际上, 对于图形高度重复 的 IC 器件, 如存储器, 可将二片孔阑设计成复杂 的图形。从而可以制作图形密度更高的 IC 器件而 不降低生产率, 这便是所谓的单元投影技术。 成形光斑或单元投影电子束光刻技术的光刻分 辨率 目前已 达到 011L m, 生产率 已接近 10 片/ h, 尽管如此, 它还远未达到光学光刻所能达 到的 40 ~ 100 片/ h 的生产率。 可以期望 SCALPEL 的生产率将达到光学 光刻 的水平, 而光刻分 辨率将维持在 011L 尺度。到 m 目前为此, SCALPEL 还处于研究阶段。 电子束光刻技术、另一研究方向是与同步辐射 结合起来, 开发电子束投影光刻。如美国国家标准 与技术研究院 NIST 在这方面已进行一些应用研究, 并取得了一些实验结果。部门, 主要有 NRL、 MIT、 CZrL 和 CAMD。MITY 主要 致力于点光源光刻系统和纳米技术的研究。 x 射线投影 光刻系 统一般 采用反 射式设 计方 案, 由于 x 射线透力极强, 因此必须采用多层交迭的 反射膜, 以提高反射面的反射率。除反射率外, 多层 膜的稳性是另一个需要特别注意的问题。x 射线反 射式掩膜研究制作的难度和成本是 x 射线投影光刻 的关键问题。6离子投影光刻技术( IPL)离子, 由于其质量比电子大, 所以散射比电子少得多, 因为不存在邻近效应。离子束刻蚀固有地比 电子束刻蚀具有更高的分辨力。在刻蚀技术中离子 束刻蚀可得到最细的线条。同电子束一样, 离子束 既可以用作聚集束直接在抗蚀剂内描绘图形, 也可 用投影曝光方法, 提高生产率。 在光束、 射线、 x 电子束刻蚀及离子束刻蚀技术 中, 尽管离子束刻蚀可以达到更好的分辨率, 但相对 而言, 对 离 子 束 刻 蚀 的 研 究 最 为 薄 弱。 欧 洲 的 MEDEA 项目 由德国西 门子公司 牵头, 其成员 公司 Ionen Mikro -fabrikations Systeme 研 制 的 IPL 设 备 设 计, 采用拼合原理替代了全视场步进机, 排除了进一 步增大视场尺寸和提高分辩率的新型设计要求。考 虑到焦距和模糊效应的束流半角依赖性, 研究者测 定, 在辅助场 1215mm @ 1215mm 中印制芯片时, 可获 得较高的分辩率。 拼合方法是西门子所有离子投影光刻设备用于 50nm 设计规格或更小的基础, 该行业的第一台 IPL 工艺开发设备 1999 年可实用化。西门子公司的 IPL 技术支持者雷纳#凯期梅尔认为, 对 100nm 工艺, 生 产效率预计为 40 片/ 对 50nm 工艺为 20 片/ h。离 子投影拼合光刻技术可能要比电子束投影系统好, 原因是不必大量减少影响束流弥散效应的可允许束 流, 从而保证了生产效率。5 x -射线光刻技术x 射线光刻早在七十年代初期就已出现, 但直 到今天还未能广泛应用于生产线上, 这主要是因为 光学光刻的不断进一步满足了一代又一代芯片生产 的需要, 但是到 193nm, 157nm 光刻后, 光学光刻 的前景将变得暗淡。作为一种可供选择的手段或一 种后备技术, x 射线光刻一直处于研究中并不断取 得进步。 与光学光刻相比, x 射线光刻支持多代芯片直 到纳米结构的生产。由于 x 射线穿透力强, x 射线 光刻可用于大纵横比结构的制作, 在微机械, 微系 统的制作中具有广阔的应用前景。此外, x 射线光 刻的高分辨率, 大面积, 高生产率的特性, 满足了 大生产的所有要求。 目前 x 射线光刻技术正处于快速发展阶段, 在 这一领域, 美国和日本处于研究前列, 最近南朝鲜和 台湾也在各自的同步辐射源上开展了研究工作。在 美国, 从事 x 射线光刻应用研究的公司主要有 IBM、 Loral、 AT&T、 Motorola 以 及 x 射 线光 刻协 会 所有 成 员。从事 x 射线光刻机研制的公司主要有 SVGL 和 SAL。由 Karl Sass 公司与美国合资成立的 SAL 公司 与 Llckheed 公司和 CXYL 合作已研制出新型的 XRS 2000 型光刻机, 目前正在利用 CXYL 的扫描束流管 进行实验。用于 x 射线光源的主要有两种: 除已建 立的各种各样的同步辐射 源可作为 x 射线的 光源 外, 加一个可供选择的光源的就是基于激光等离子 的点光源。从事 x 射线光刻研究的还有一些非工业 -7国际光刻设备的发展趋势当代电子工业的 发展是以微电子技术为基础 的, 微电子技术的核心是集成电路, 集成电路的发 展又必须以半导体专用设备作为其主要支撑条件。 随着硅片直径的增大, 集成度的提高, 图形线宽缩 小, 专用设备的作用显得更加重要, 一代器件需要 一代设备来生产, 一代新设备的出现往往导致一代12微电子技术新 IC 的诞生和商业化大生产。因而形成了一代设 备, 一代工艺技术, 一代产品的发展规律。 在整个 IC 生产过程中, 光刻设备占据着 IC 生 产的统治地位。此从 1973 年, 世界上第一台光刻 机诞生至今, 20 几 年里, 光刻 机及光刻技术 的发 展可谓日新月异, 突飞猛进。近 20 年来已连续攻 克了 2L m、110L m、015L 等数道 难关, 现在 已有 m 望进入 011L 的 16Gb DRAM 器件的加工领域。不 m 但在 1Mb、16Gb 甚至 64Gb DRAM 的生产也非它莫 属。根据 Dataquest 公司的统 计, 1978 年至今, 全 世界 共售出各种波长 的分步投影光 刻机 12000 多 台, 其中 i 线机 5000 多台, 深紫外机 900 多台。预 计到 2000 年的光刻机 市场销售额 要达到 87 亿 美 元, 年销售量将达到 1550 台。光刻技术在经历了接触式 ) 接近式 ) 投影式 ) 1B1 反射扫描投影 ) 步进缩小投影几个大的技术阶 段以后, 目前已从步进投影式曝光向步进扫描方式 过渡, 步进缩小投影光刻机是目前生产线上的主要 曝光设备, 约占光刻设备 市场的 90% 以 上。世界 各国对发展此技术十分重视并加大投资力度。美国 的半导体技术 15 年发展规划首先重点发展的技术 便是光刻技术。目前能进行批量生产的光刻机是光 学光刻机, 当前世界各大光刻机制造厂商已批量生 产 ?200mm/ 0125L 的光学光刻机,
年 m 光刻 机 的 主 攻 方 向 是 推 出 适 用 ?200 ~ 300mm/ 0118L 的光学光刻机。表 3 给出世界著名品牌的 m 光学光刻机。表 3 世界著名品牌光刻机 [ 7]厂 型 家 号 尼康 S202A 01 60 25@ 33 01 25 01 18 01 7 ? 30 450 40 70 80 尼康 S201A
? 30 360 45 75 50 ASML PAS63 26 @ 33 6
440 45 75 96 佳 能 SVG M icraScan ? 0160 26 @
50 70 60EPA 4000ESL
最大 NA 最大曝光面积 ( mm2) 分辨率 ( 产量) ( Lm) ( 开发) ( Lm) 焦距 ( 通常照明) (Lm) ( 轮带照明) (Lm) 透镜琦变 ( 通常照明) ( nm) ( 轮带照明) ( nm) 曝光功率 (w/ cm2 ) 对准精度 ( 同一设备) ( 平均+ 3R) ( 同一机种) 生产率 2 ( 200mm, 30mJ/ cm ) ( 圆片/ h)美国 SEMATECH 的研究人员采用 KrF ( 248nm) 深紫外线大型光刻机, 并结合采用光学邻近效应修 正 ( OPC) 和相移掩模技术 ( PSM) 成功地在一个 圆片上刻出 011L 的图形, 该项成果被公认为 OPC m 和 PSM 应用于深亚微米生产上的一个里程碑。这 项成果表明 KrF ( 248nm) 深紫外线大型光 学光刻 机再能保持几十年, 说明光学 光刻工艺还有 生命 力, 尚未走到尽头。从这里可看出, 若采用光学光 刻机要刻出 011L 的图形, 必 需结合采用波 前工 m程, 如 OPC、PSM 和 OAI ( 离轴照明技术等) 。 711 国外生产光刻设备的主要公司 目前, 国外许多生产光刻设备的制造厂商, 不 断加大光刻设备研制的投资强度和技术实力, 保持 他们在微电子工业光刻设备领域的霸主地位。下面 重点介绍几家光刻机的生产公司。 71111 日本 Nikon 公司 20 世纪 80 年代, Nikon 公司 开始进入 半导体 制造领域, 在近 20 年的光刻机研究与开发中, 已第 2期苏雪莲: 新世纪光刻技术及光 刻设备的发展趋势13向世 界 各 国 或 地 区 销 售 了 NSR1010、NSR1505、 NSR1755、 ( NSR2005、NSR2205) 五大系列, 三种 波长 ( g 线、i 线、KrF 准分子) 、三种 倍率 ( 10x、 5x、4x) 和两种曝光方式 ( 步进重复、步进扫描) 的各种光刻机共 5000 多台, 年销售额已超过公司 总销售额的 60% , 达 20 亿美元以上。该公司光刻 机的销售量占世界已售出的市场总量的 50% 。1985 年, Nikon 公司光刻机的销售量跃居世界 第一位 ( 145 台/ 年) , 从而取代了 GCA 公司多年保 持的世界霸主地位, 年销售量逐年上升, 保持年销 售量 900 多台世界记录, 连续 10 年占领约 60% 的 光刻机市场, 称霸光刻机行业。Nikon 公司 NSR 系 列光刻机主要技术指标见表 4。表 4 Nikon 公司 NSR 系列光刻机主要技术指标 [ 7]设备型号 NSR -1010G NSR 110i3 NSR TH3025G NSR 1505Ex NSR 1505G3A NSR 1505G4C NSR -1505G4DL NSR 1505G6D NSR 1505G6E NSR 1505i6A NSR 1755G7A NSR 1755i7A NSR 1755Ex8A NSR 2005G8C NSR 2005i8A NSR -2005i9C NSR 2005Ex8A NSR -2005i10C NSR 2005Ex10B NSR 4425i NSR 2205i11D NSR -2205i11C NSR 2005i12D NSR -2205i12C NSR 2205Ex12B NSR -S201A NSR -S202A NSR S102B NSR 2205Ex14C NSR -S203A 016 0168 数值孔径 分辨力 焦深 曝光波长 倍率 ( NA) (Lm) (L m) ( nm) 16 42 54 50 50 57 5~ 01 63
65 50 50 45 5
10B1 215B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 215B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 4B1 ? 110 ? 017 ? 017 11 4 21 0 21 0 11 0 ? 110 ? 075 ? 4 436 365 436 248 436 436 436 436 436 365 436 365 248 436 365 365 248 365 248 365 365 365 365 365 248 248 248 365 248 视场尺寸 (mm@ mm) 10 @ 10 10 @ 10 30 @ 30 15 @ 15 15 @ 15 15 @ 15 15 @ 15 15 @ 15 15 @ 15 15 @ 15 1715 @
@ 1715 20 @ 20 20 @ 20 20 @ 20 20 @ 20 20 @ 20 20 @ 20 44 @ 44 22 @ 22 22 @ 22 22 @ 22 22 @ 22 22 @ 22 25 @ 33 25 @ 33 25 @ 33 22 @ 22 ? 50 250 400 180 250 ? 180 ? 180 ? 150 ? 140 ? 140 ? 120 ? 120 ? 120 ? 120 ? 120 ? 100 ? 100 ? 90 ? 80 ? 100 ? 75 ? 70 ? 55 ? 55 ? 55 ? 75 ? 70 100~ 150 50~ 150 100~ 150 100~ 150 100~ 150 100~ 150 100~ 200 100~ 200 100~ 200 100~ 200 100~ 200 100~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 150~ 200 63 ( ? 150mm) 38 ( ? 150mm) 66 ( ? 150mm) 64 ( ? 150mm) 47 ( ? 200mm) 34 ( ? 200mm) 50 ( ? 200mm) 47 ( ? 200mm) 90 ( ? 200mm) 63 ( ? 200mm) 63 ( ? 200mm) 70 ( ? 200mm) 70 ( ? 200mm) 63 ( ? 200mm) 60 ( ? 200mm) 80 ( ? 200mm) 80 ( ? 200mm) 85 ( ? 200mm) 58 ( ? 150mm) 58 ( ? 150mm) 52 ( ? 100mm) 70 ( ? 150mm) 13 ( ? 150mm) 40 ( ? 150mm) 套刻精度 片径 ( nm) ? ( mm) 生产效率 ( 片/ h) 投放市 场年份 84 86 88 90 91 93 94 95 97 98015~ 01 63 0 355 1 60 28 0125[
15 4B1 5B114微电子技术71112 日本 Canon 公司 Canon 公司 1970 年涉足半导体制造设备领域, 凭借世界领先的光学及精密机械生产技术, 从研制 2B1 缩小投影和接触接近式光刻设备起步, 先后向 世界市场投放了 PLA 系列步进式、MPA 系列等倍 扫描式、投影式和 FPA 系列步进缩小投影式、扫描 式三大类型的 光学光刻设备约 6000 台, 成为世界 上光刻设备生产的第二大厂家。 Canon 公司的 PLA 类型的接触接近式光刻机可 分为 PLA3000、PLA5000、PLA600 三个系列, 已向 世界市场销售 3000 多台。FPA 类型的主 导产品包括 1500i、 1550i、 2000i、 2500i、 3000i、 3000EX、 00ES2 和 5000AS1 系列, 其中 1500i 和 1550i 属 5 倍 缩小 g 线光 刻设 备; 2000i、2500i 和 3000i 是 该公 司 的三 代 i 线 光刻 机 系列; 3000E1、 00EX5 和 3000EX6 是几 代远紫外 光刻 机系列; 00ES2 和 5000AS1 都是该公司 新型的 KrF 准分子激光步进扫描曝光设备, 数值孔 径 ( NA) 已达 0168, 象场尺寸为 26mm @ 33mm, 实 用于 ? 200mm 和 ? 300mm 硅片曝光, 能满足特征尺 寸 L 的器件加工。Canon 公司 FPA 系列 m 光刻机主要技术指标见表 5。套刻精度 ( nm) 同机 异机表 5 Canon 公司 FPA 系列光刻机主要技术指标[ 7]设备型号 数值孔径 分辨力 倍率 ( NA ) (L m) 11 5 01 8 11 5 43 52 60 24 ~ 0 163 0 140~ 0 163
140~ 0 160 65 11 6 11 0 01 8 01 8 01 75 01 50 01 65 01 45 01 40 01 30 01 35 01 75 01 25 01 35 01 25 01 80 01 35 01 25 01 22 01 18 01 15 01 12
4B1 248 193 26 @ 33 300 300 2B1 4B1 2B1 1B1 5B1 5B1 7B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 5B1 4B1 5B1 5B1 5B1 5B1 4B1 ? 016 1 4 1 01 18 248 & 116 01 23 & 110 1 0 1 & 110 &
? 1175 ? 110 ? 115 焦深 ( Lm) 实用线宽 曝光波长 视场尺寸 ( Lm) ( nm) (mm@ mm) 436 436 405 436 436 405 436 436 436 436 365 436 365 365 248 365 365 248 365 248 365 365 248 10 @ 10 20 @ 20 21 @ 21 14 @ 14 14 @ 14 10 @ 10 20 @ 20 20 @ 20 22 @ 22 22 @ 22 20 @ 20 20 @ 20 22 @ 22 50 @ 50 22 @ 22 22 @ 22 25 @ 33 45 @ 55 22 @ 22 22 @ 22 22 @ 22 26 @ 33 & 40 50 45 & 35
31 & 80 & 70 90 200 54 ? 0120 ? 14 12 ? 01125 ? 0125 片 径 ? ( mm) 50 50 80 100 150 150 150 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 150 200 200 200 300 60/ 150 57/ 150 65/ 150 52/ 200 44/ 200 66/ 200 58/ 200 115/ 200 53/ 200 58/ 200 80/ 200 100/ 150 100/ 200 73/ 200 90/ 200 65/ 300 117/ 200 30 40 40 60 60 生产效率 投放市 (片/ h) 场年份 77 85 90 92 95 96 97 99 FPA 120 FPA 141 FPA 121 FPA 112 FPA 1500 FPA 1500 FPA 1700 FPA 1500 ? -W FPA 2000i FPA 1500 ? -W FPA -2500i2 FPA -2500i3 FPA -3000EX1 FPA -3000i4 FPA 3000iW FPA -3000EX3 FPA -3000i5 FPA 4000ES1 FPA 3000MR FPA 3000i5+ FPA -3000EX4 FPA -3000EX5 FPA 5000ES2 FPA -3000EX6 FPA 3000EX3L FPA 3000AS1 -第 2期苏雪莲: 新世纪光刻技术及光 刻设备的发展趋势1571113 荷兰 ASML 光刻设备公司 该公司 1984 年推出第一台光刻机进入欧洲市 场以来, 其光刻机设备先后于 1986 年进入美国微 软公司 及美国 市场, 1987 年进入 中国市 场, 1988 年产品进入中国台湾市场, 1990 年产品进入南韩市 场, 1992 年产品打入日本光刻机市场。短短 15 年 时间, 公司突飞猛进的发展, 光刻机的销售量直线 上升, 估计已向世界市场投放光刻机近 1000 台左 右, 年销售额近 10 亿美元, 约占世界光刻机市场 份额的 20% 以上, 成为 全球第三大光刻 机生产厂 商。 ASML 公 司设 计开 发的 光 刻机 曝 光设 备分 为 PAS 和 5500 三大 系列 ( 见 表 6) 。其中三种类型, 前两种属 g 线光刻机, 后一种是 i 线光 刻设备; PAS5000 系 列有 5000/ 50 和 5000/ 70 两种 型号, 是一种过渡性产品, 50 型属第二代 i 线光刻 设备, 70 型属于远紫外光刻机; PAS 包含有 00/ 60、00/ 90、、、、 、、 和
等多种型号。 该公司 1991 年新一代 PAS5500 光 刻机生产线 的建立, 加强了 ASML 公司的光刻机生产实力, 特 别是 ASML 公司在开发、生产半导体光刻设备方面 独特的国际化合作战略, 产品社会化生产以及面向 全球的销售网络, 使得荷兰 ASML 光刻设备公司发 展成为欧洲的一支劲旅。ASML 公司 PAS 系列光刻PAS2500 系列 产品 有 00/ 30 和 2500/ 40 机主要技术指标见表 6。 表 6 ASML 公司 PAS 系列光刻机主要技术指标 [ 7]设备型号 数值孔径 (NA) 40 40 54 50 014~ 0 15 ~ 0 160 0 148~ 0 160 0 148~ 0 160 0 140~ 0 157 0 140~ 0 163 0 140~ 0 157 0 140~ 0 157
分辨力 (L m) 019 018 017 015 70 50 35 35 22
5 焦深 线宽 曝光波长 (Lm) (Lm) (nm) 436 436 365 365 248 365 365 365 365 365 365 248 248 365 365 365 365 248 248 248 248 248 248 193 45 视场尺寸 (mm2) 14@ 14 15@ 15 15@ 15 15@ 15 15@ 15 21@ 21 22 @
21@ 21 21@ 21 21@ 21 22@ 22 22@ 22 22 @ 2714 22 @ 2716 22 @
套刻精度 nm ( 单机) 150 150 150 125 125 125 125 85 70 70 60 70 60 60 70 60 F 50 F 40 & 45 ? 片径 ( mm) 150 150 150 150 150 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 生产效率 投放市 ( 片/ h) 场年份 58 60 55 50 30 50 78 56 48 60 70 60 70 60 74 74 80 80 100 80 88 96 104 87 91 95 92 95 95 97 98PAS 2500/ 10 PAS 2500/ 30 PAS 2500/ 40 PAS 5000/ 50 PAS 5000/ 70 PAS 5500/ 20 PAS 5500/ 22 PAS 5500/ 60 PAS 5500/ 60B PAS 5500/ 80 PAS 5500/ 80B PAS 5500/ 90 PAS 5500/ 90D PAS
PAS C PAS D PAS
PAS B PAS C PAS
PAS B PAS 0 140~ 0 160 0 115~ 0 11316微电子技术技术方面完成了多项国家和科学院重大成果, 获得8国内光刻机设备的发展现状我国微电子专用设备的研制起步并不晚, 国家多项国家、科学院和省部委重大和重要成果奖。在 某些替在应用课题上取得了突破性的研究成果。表 7 介绍了中国 科学院光 电技术研 究所研制 的光刻 机。 平凉半导体工艺设备研究所 ( 45 所) 。主要产 品有: 分步重复光刻机、接触接近光刻机、探针中 测台、切片机、后道工序设备等。该所承担的 / 八 五0 攻关任务 018~ 1L 水平的样机已通 过鉴定, m 用户正在使用。45 所已累计生产各种光刻机近 200 台, 切片机 200 多台, 探针中测台 140 多台。表 8 介绍了信息产业部电子 45 所研制的光刻机。 中科院电工所, 该所的微细加工实验室专门从 事电子束微细加工技术及设备的研究。所承担的中 科院 / 八五0 重大项目 013~ 014L 电子束曝光实 m 验装置, 完成 Labc 阴极实验, 寿命已达到 1000 小 时, 定位精度 ? 011L m, 拼接精度 ? 011L m。/ 微米 极电子束曝光机实用化0 获中科院科技进步二等奖 国内曾 有 4 家从事分步 投影光刻机的 研究工 作, 现在坚持下来的只有中科院光电所和信息产业 部电子 45 所。从事电子束曝光机研制工作的只有 中科院电工所和信息产业部电子 48 所。计委和中科院, 信息产业部对微电子专用设备很重 视, 给了最大限度的支持, 但总的说来, 由于投入 的财力、人力和物力不足, 研究单位自身和其它因 素, 微电子专用设备科研成果和样机产业化十分困 难。目前此领域落后于发达国 家的先进技术 3~ 4 代, 国际上 0125L 已进入大生产, 0118L 的处理 m m 器大量进入市场, 深亚微米设备的攻关工作正加紧 进行, 我国目前仅为 018~ 1L 样机水平, 实用机 m 水平的差距达 15 年, 科研水平差距达 10 年。 中科学院光电所是中国光刻设备的主要研制机 构, 承担了分 步重复光刻机、同步辐射 X 射 线光 刻机、接触接近式光刻机、掩模缺陷自动检测仪、 掩模缺陷激光修整仪的研制。他们所承担的 018L m 分步重复光刻机已在生产线上通过了工艺考核, 成 功地 套刻 出 015L 的线 条, 并通 过了 国家 鉴定。 m 该所实力雄厚, 在光刻机研制方面有配套的实验研 究手段, 拥有我国一流的 / 微细加工光学技术国家 重点实验室0。近几年来, 该所在总体技术和单元 表7光刻机名称 JK 1 型 半 自动 接 近/ 接触式 光 刻机 11 5 2Lm 实 用型分 步 重复投 影 光刻机 研制 年代 1980中国科学院光电技术研究所研制的光刻机[ 7]说 明数值孔径 分辨力 像场尺寸 生产率 ( NA) ( Lm) (mm @ mm) ( 片/ h) 3采用复眼透镜照明系统, 恒光强和 精密控制。 严格控 制 曝光 参数, 利 用气垫传输, 预定位和分 离间隙 设定等 技 术, 除精对准 外, 全部 实现操作自 动化。曝光 照明不 均 匀性在直径 50mm 范围内& 5% , 曝光 间隙 15Lm。 采用电视对准, 首次在国内实现硅 片掩模同 轴对准, 采 用自 行研制的精缩投影物镜与新型 光均匀器组 成的曝 光 系统, 缩小倍率 10B1, 具有 x y 独 立伺服微 动精 密定 位 工件台及计算机主从控制系 统等。工 件台行程 150mm @ 150mm, 最 大 速 度 \ 25mm/ s, 硅 片 尺 寸 ?7612mm, ? 101 掩模尺寸 127mm @ 127mm, 套 刻精度 ( 1@ 1+ 3R) ? 0145Lm。 采用大数值孔径 ( NA) i 线 5X 精缩投影物镜, 双远心光 学系统, 实现高精度成像和暗场高 精度同轴 对准; 物 镜 缩小 倍率 5B1, 对准 精度 [ ? 0115Lm ( 3D) ; 使 用双光 路 光栅 衍射空间滤波干涉对准技 术, 调平调焦 系统; 工 件 台精密定位和 光强 积分等 新技 术, 照明 波长 365nm, 均 匀性 [ ? 2% , 光强 \350mW1 cm2。 采用 大数值孔径双远心光刻物镜, 实 现高精度 成像和 高 精度同轴对准; 并具有物镜恒温和 气压补偿 结构。均 匀 照明 系统, 光 能分步模拟计算软 件, CCD 高精 度数字 调 焦技术, 双光路光栅衍射同轴对准技 术和三轴 测量气 浮 工件 台 控 制 技 术; 用 于 制 作 018Lm 和 1Lm 4 @ 4 位 CMOSCB15 乘法器器件, 其整机套 刻精度 为 ( 1 @ 1+ 3D) & 0128Lm。 采用 高精度竖直式工件台系统, 定 位精度 达到 ? 01 08Lm ( Max) 。用于自动对准的 激光/ 电 视系统; 采用 菲涅耳 环 对准技术, 测 量 控 制精 度 达 到 ? 011Lm ( 1R ) ; 硅 片 装 卸、自动传输和额定位分系统; 采用零 位光栅 和步距 细 分技术, 亚微米级定位闭环控制技术。1993012811510@ 10320 17~ 0 Lm n 18 线投影 光 刻曝光 系 统19960142017 ~ 01814@ 1401 8~ 1Lm g 线分步 重 复投影 光 刻机1997014501815@ 15同步辐 射 软 x 射线 光刻机19911第 2期苏雪莲: 新世纪光刻技术及光 刻设备的发展趋势17表 8 信息产业部电子 45 所研制的光刻机[ 7]光刻机名称 BG 401 型 高分辩 率 接触式 曝 光机 研制 数值孔径 年代 ( NA) 1997 分辨力 (Lm) 1 3 ( 紫外 光 源) 018 ( 远紫外光 源) 像场尺寸 生产率 (mm @ mm) ( 片/ h) 说 明该机由工作台、输出机构、显微镜、显 微镜调 焦扫描 机 构、 照 明 光 源、 曝 光 光 源 等 组 成; 对 准 精 度 ? 010015mm, 曝光光源有紫外、远紫 外两套光 路系统; 观 察对 准系统采用 立式 离视 场显 微镜, 扫 描范 围 50mm @ 50mm, 调焦范围 ? 5mm, 总放大倍 率 100x; 曝 光面积 ? 110mm, 曝光方式真空接触式, 曝光光源不 均匀性 ? 3% ~ ? 5% 。 用于制作 CMOS/ SOI 门阵列电路。BG 102 型 分步投 影 光刻机19990 - 1L 18 m ( 实用 1L m)关键技术的研究, 为国家科技产业化 / 0135L 分 m9结束语从前面的研究中表明, 光学光刻方法毕竟要走步重复光刻机0 打下了坚实的基础, 也标志着我国 在微电子高新技术前沿研究迈出了重要一步, 这必 将会极大地促进国内光刻技术的发展。 参考文献:[ 1] 谢中生1 光学光刻的极限, 甘 肃: 电子工业 专用设备, 1999; ( 1) : 54~ 59 [ 2] 周崇喜, 胡松 1 光学 光刻 的现 状及 未来, 甘 肃: 电 子 工业专用设 备, 1999; ( 2) : 2~ 4 [ 3] 姚汉民1 21 世纪的光 刻技术, 北京: 世 界产品 与技术, 2000; ( 1) : 15~ 17 [ 4] 冯伯儒, 张锦等 1 微 光刻 技术 的发 展, 长沙: 微细 加 工技术, 2000; ( 1) : 1~ 9 [ 5] 武 文1 展望 21 世纪半导体生 产设备和 材料市场, 世 界 产 品与技术, 2000; ( 2) [ 6] 童志义 1 迈向新 世纪 的光 学光 刻, 甘肃: 电子 工业 专 用设备, 1999; ( 3) : 2~ 9 [ 7] 温尚明, 袁大发 等 1 适 应二 十一世 纪的 现代微 电子 光 刻技术与设备 的发展 对策 研究, 中 科院 光电所 情报 研 究课题, 1999; 9到尽头。光学方法对于 100nm 以下的图形制作就非 常困难。相反利用电子束或 x 射线方法就较容易办 到。从目前的发 展情况看, 在 深亚微米工艺 技术 中, 有两种光刻技术的发展的前景非常好, 即极紫 外和电子束光刻。我国在电子束和 x 射线光刻方面 都有了一定的研究基础, 一定要紧跟这一领域的研 究前沿, 占领至高点。其中特别是 x 射线光刻, 它 可以适应多种技术节点, 满足未来多代 IC 的要求。 到本世纪末, 我国的国民经济将实现第二步战 略目标, 国内对 IC 的需求与日俱增, 半导体设备 工业面临极好的机遇与挑战。因此要根据我国 / 九 五0 期间 IC 发展计划 2010 年远景规划, 瞄准国内 光刻机市场, 逐步实现光刻机的国产化。完善目前 的 018L 光刻机, 使 之成为可靠的 定型产品, 同 m 时组织对 0135L 光刻机的关键技术的研究。中科 m 院光电所已经完成了 0135L 分步重复光刻机 5 个 m综合信息新开发的台式高速探针NEC 开发了电气检 查微细间 距电极 结构的 MCM ( Multi Chip Module: 多芯片 组装) 、CSP ( Chip Size Package: 芯片规模封装) 的基板和搭载器件连结部位的台式高速探针。本探针是在 X - Z 方向搭载两只可 -Y 动高精度自动探针, 在 Z 轴采用具备高速和耐久性的 VCM ( Voice Coil Motor: 音频线圈马达) 。另外, 采用 可抑制 X 方向摆动的平行簧片支撑 Z 轴。近而达到了小形、高精度。 -Y 在开发、分析评价 MCM、CSP 等制作工艺时, 不用任何工具也可作连接部位分析 ( 通导试验) 。 #装置尺寸: 700mm @ 700mm @ 460mm ( 不包括个人、计算机、光源等) 。 #探针探测范围: 40mm @ 40mm。#电极间间距: 013mm 以上。#探针行程范围: 约 210mm。( 嘉明)
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