下一代光刻技术

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【摘要】本文从多方面对下一代光刻技术做了介绍和分析，重点描述了纳米压印光刻技术、极紫外光刻技术、无掩模光刻技术、原子光刻技术、电子束光刻技术等的原理、现状和优缺点，并展望了未来数十年的主流光刻技术。

【关键词】下一代光刻技术；纳米压印光刻技术；极紫外光刻技术；无掩模光刻技术；原子光刻技术；电子束光刻技术

一、引言

随着特征尺寸越变越小，传统的光学光刻已经逼近了物理上的极限，需要付出相当高昂的资金及技术代价来研发相应光刻设备，所以科研单位和厂商都投入巨大的精力和资金来研发下一代的能兼具低成本和高分辨力的光刻技术[1]。国内山东大学、四川大学、中科院微电子所和光电所等研究单位纷纷加大了对研究新光刻技术的投入；佳能、尼康、ASML等世界三大光刻机巨头以及其他一些公司为了抢占光刻设备的市场份额，亦投入了大量的资金做研发[2]。下面将从原理、现状、优缺点等多方面对几种新光刻技术作简要的介绍。

二、纳米压印光刻技术

1995年，美国Princeton大学的华裔科学家――周郁，提出了纳米压印光刻技术，由于其与传统光学投影光刻技术不一样，所以自发明后就一直受到人们的关注。这种技术将纳米结构的图案制在模具上面，然后将模具压入阻蚀材料，将变形之后的液态阻蚀材料图形化，然后利用反应等离子刻蚀工艺技术，将图形转移至衬底。该技术通过使阻蚀胶受到力的作用后变形这种方式来实现阻蚀胶的图形化，而不是通过改变阻蚀胶化学性质来实现，所以可以突破传统光学光刻在分辨力上面的极限[3]。纳米压印光刻技术有诸多优点：（1）不需OPC掩模版，所以成本低；（2）可以一次性图形转印，所以方便批量生产；（3）不受瑞利定律的约束，所以分辨力高。当然，该技术也存在着一些缺点，比如无法同时转印纳米尺寸与大尺寸的图形。纳米压印光刻技术的分辨力已经可以达到5nm以下，成为下一代主流光刻技术的可能性非常大。

三、极紫外光刻技术

极紫外光刻技术的全称为极端远紫外光刻技术。波长在11到14nm之间的极紫外通过周期性多层薄膜反射镜辐射至反射掩模，通过缩小投影反射系统，反射出来的极紫外将反射掩模上的图形在硅片抗蚀剂里投影成像，形成光刻图形[4]。极紫外光刻技术主要采用同步辐射极紫外光源和极紫外点光源这两种光源，因为波长短，会被绝大部分材料甚至气体强烈地吸收，所以无法使用常规折射光学系统，而只能在真空中利用反射式光学系统进行。极紫外光刻技术的优点有：（1）高分辨力，能达到30nm以下；（2）相比之下具有一定量产优势；（3）在原理上，与157nm光学光刻相类似，更易被厂商接受；（4）工艺相对简单。该技术的缺点有：（1）反射镜的制造很难；（2）光源设计有较大的难度；（3）需要采用更繁琐的反射式投影系统。极紫外光刻技术在经过最近几年的研究之后已经有了比较大的进展，受到了许多厂商及科研机构的关注。该技术的优势很明显，高分辨力、高生产率、工艺相对比较简单，虽然设计制造光学系统较困难的缺点也同样明显，但其非常有可能成为下一代主流光刻技术。

四、无掩模光刻技术

掩模成本随器件特征尺寸的不断减小而迅速上升，为此，人们开始对无掩模光刻技术研究投入巨大的热情。无掩模光刻技术有基于光学的（OML），也有基于带电粒子的（CPML）。其中CPML可以采用原子光刻、离子束光刻、电子束光刻等，离实用化还有很长的距离。显而易见，无掩模光刻技术的最大优势就是降低成本，无需专门针对每种芯片都制造一套掩模。其缺点有：（1）OML与CMPL均存在和光刻工艺的兼容性问题，对于影响套准与线宽的误差修正也比较难；（2）OML选择何种光束仍是难题；（3）CPML带电离子束存在污染问题。无掩模光刻技术目前还存在许多问题，可能应用于特殊领域，但是在近期内成为主流光刻技术的可能性微乎其微。

五、原子光刻技术

原子光刻技术最早是由美国贝尔实验室提出，激光的梯度场会对原子产生作用力，而该技术就算利用这种作用力使传播过程中的原子束流密度分布改变，从而使原子有规律地在基板上沉积，形成纳米级的特定图案。利用原子光刻技术来制作纳米图案，一般有两种方案可以用：（1）用光抽运作用，使亚稳态的惰性气体原子束形成空间强度分布，原子束将基板上面的特殊膜层破坏，并在基板上面利用化学腐蚀的方法刻蚀成形。（2）金属原子束利用共振光压高度准直化，然后形成空间强度分布并直接在基板上面沉积。原子光刻技术的优点有：（1）原子的衍射极限大大小于常规光刻紫外光的衍射极限，这是由于原子德布罗意波长相当短；（2）分辨力极高，这是由于呈中性的原子不易受电荷影响。该技术的缺点有：（1）成像质量会受到梯度场和原子作用时间的影响；（2）聚焦时，会有一部分原子偏离理想的聚焦点，从而造成像差。原子光刻技术虽然被提出的时间还不长，但是许多大学都对其展开了各项研究，并且取得了一些重要成果，不过，该技术离实用化还有相当的距离。

六、电子束光刻技术

20世纪60年代，德国杜平跟大学的斯派德尔与默伦施泰特提出了电子束光刻技术，该技术是基于显微镜而发展起来的。其原理是：电子束被电磁场聚焦变成微细束后，可以方便地偏转扫描，所以电子束照到电子抗蚀剂上面，不需要掩模版而能够直接把图形写到硅片上。同时，可通过增加电子束辐射波能量来使其波长缩短，所以电子束光刻分辨力非常高，能达到10nm。电子束光刻技术的优点有：分辨力非常高。其缺点有：（1）高精度地对准套刻难以实现；（2）生产效率不高；（3）曝光速度不快。这些缺点决定了在0.1ηm的特征尺寸器件生产中，电子书光刻很难起到主流作用。能通过采用限角散射电子束投影、成形光斑和单元投影等技术，或者通过把电子束改成多电子束或者变形电子束，来提高电子束曝光速度。另外，在实际的集成电路生产中，尤其是超大规模的集成电路，能通过结合光学投影光刻与电子束光刻，精度要求比较高的部分用电子束曝光来制作，精度要求比较一般的部分用光学投影来制作，来兼顾到经济与高效。在制作光学投影光刻模版、设计验证新光刻技术以及实验研究等方面，电子束光刻也是非常适合使用的。

七、结束语

物理极限使得传统光学光刻会随着特征尺寸的不断减小而面临价格与技术的挑战。为此，研究人员纷纷开始研究新的光刻技术。本文对下一代光刻技术做了简要介绍，并分析了各技术的优点与缺点。由于还无法批量生产或者其他一些原因，无掩模光刻技术、原子光刻技术、电子束光刻技术等虽然也有诸多优点，但仍不太可能成为下一代主流光刻技术。而纳米压印光刻技术、极紫外光刻技术等会被应用到集成电路批量生产之中，成为主流技术。另外在分辨力要求非常高的时候，电子束光刻技术可以与主流技术进行配合使用。在生产超大规模集成电路的过程中，可以结合传统光刻技术与下一代光刻技术一起使用，精度要求不高的部分可以采用传统光学光刻的方法，而精度要求比较高的部分可以采用下一代光刻技术，从而兼顾经济与高效。

参考文献

[1]张登英.毛细力光刻技术极其应用研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）博士学位论文， 2013.

[2]王友旺，鹿凯.激光干涉光刻技术的分析[J].电子技术与软件工程，2013，（21）： 149.

[3]任杰.光刻技术在微电子设备上的应用及展望[J].电子技术与软件工程，2015，（4）： 126.

[4]李金超.紫外LED光纤光刻系统关键技术研究[D].重庆大学硕士学位论文，2009.