光刻技术六十年 陈宝钦 中国科学院微电子研究所中国科学院大学集成电路学院 摘要 当今世界离不开信息产业，信息产业离不开半导体集成电路芯片制造技术，即微电子技术。集成电路芯片制造工艺中最关键的就是光刻技术。光刻技术开始于1958年美国德克萨斯公司试制的世界上第一块平面集成电路，在短短的60年中，光刻分辨率极限一次又一次被突破，创造了人间奇迹。作为微电子技术工艺基础的光刻技术与微/纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。光刻加工尺寸从百微米到10nm，加工手段从钢板尺手术刀照相机到电子束光刻，光源波长从光学曝光到极紫外曝光。集成度提高了约百亿倍，特征尺寸线宽缩小到原来的约1/10000。随着纳米集成电路迅猛发展，光刻技术也从等效摩尔时代进入后摩尔时代。 1引言［1-3］ 当今世界离不开信息产业（IT），信息产业离不开半导体集成电路（IC）芯片制造技术，即微电子技术。IC芯片制造工艺中最关键的就是光刻技术。也就是说：当今人类社会、整个世界的科技民生和未来都离不开微电子技术。自从1958年世界上出现第一块平面IC开始，在短短的60年中，光刻技术一次又一次突破分辨率极限，使得微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地发展，创造了人间奇迹。 1980年左右有人预言：光刻线宽不可能小于1μm。 1989年又有人预言：到1997年光刻技术将走到尽头。1994年有个比较“乐观”的长期预测：2007年IC最细线宽可以达到0.1μm（保守预计为0.5μm）。 这些预测都被光刻技术飞快前进的步伐远远抛在后头。过去的60年发展历程证明，通过光刻技术领域专家们的努力，当时看来已经超过光刻工艺极限和物理极限的加工精度总有办法实现。 微电子技术之所以能够创造如此伟大的奇迹，光刻技术立下了汗马功劳。光刻技术和相关IC工艺、装备和材料的不断进步，使得IC制造技术的工艺极限不断被打破，摩尔定律不断在延伸。从1968年半导体IC由实验室走向工业大生产算起到现在，集成度提高了约百亿倍，最小特征尺寸图形的加工线条宽度缩小到原来的约1/10000。 2光刻技术［1，4］ 光刻技术起源于印刷技术中的照相制版术，是一种在半导体基片上运用平面加工的方式制造IC芯片的技术。在半导体芯片制作过程中，首先采用IC版图设计软件（CAD）设计出IC制造工艺所需要的各个工艺层次的版图，通过图形发生器（光学、激光、电子束图形发生器等）制备出各工艺层次的光掩模版，然后采用光刻机把掩模版的图形照射到涂覆有光致抗蚀剂（光刻胶）的硅片表面，再进行曝光后光刻胶的显影等工序，在硅片表面形成可选择性刻蚀的膜层，最后通过刻蚀机把设计版图的数据转移到硅片表面的整个过程，称为光刻工艺。 光刻一词对应的英文术语拼写为lithography。lithography本身是个多义词，在印刷行业中原意是指石版印刷和胶版印刷（Offset lithography）等意思，相当于平版印刷技术的一种应用。而在现代微电子学中，lithography专指光刻，是可以应用于微光刻和微纳米加工技术中的各种曝光、成像技术及传统或非传统的图形转移技术（图形化技术）的统称，实际上应该包含整个IC芯片制造的图形转移工艺过程：IC芯片版图数据处理工序，数据格式转换工序，光刻掩模版制备工序，把掩模图形转移到基片表面的曝光工序，光致抗蚀剂的显影等化学处理生成浮雕似版图工序，基片表面选择性刻蚀（腐蚀）工序等。曝光技术决定了所有工艺节点的特征，是整个光刻过程中最关键的技术，而且曝光技术发展非常快、种类非常多，后来曝光工序“霸占”了“光刻”一词，自然就把采用某某方式或者某某光源进行曝光称为相应的光刻技术。其中最关键的是曝光和刻蚀工序，如浸没式光刻（Immersion lithography）、电子束光刻（Electronbeam lithography）和数字光刻（Digitalli thography）。需要注意的是，在微电子领域，不要把lithography翻译成“平版印刷”、“石版印刷”等外行术语，更不能生造成“激光烧蚀”之类的词语。 2.1光刻是IC芯片制造的关键工艺技术［1］ 半导体IC制造需要经过非常复杂的制造工艺。首先，需要完美的半导体基片材料，或者已经检测没有任何错误和缺陷的前道工序的半成品基片。通过光刻机，先把没有缺陷的掩模版的版图图形对准曝光到基片表面的抗蚀剂。接着，在严格控制条件下进行化学显影、定影、清洗和检测工序，形成带有版图图形抗蚀剂的基片，再转入后道工艺，如腐蚀工艺、镀膜工艺、沉积工艺、外延工艺、离子注入、扩散工艺或其他处理工艺。如此反反复复进行十几次，甚至几十次光刻工艺过程，最后形成各种各样的半导体器件和电路。每工艺层之间的套准精度都在纳米级，每一层版图的线宽精度也是如此，且不允许任何可检测的缺陷出现。原本表面极其光滑的硅片由此变成一个非常复杂的、肉眼不可分辨的几十层纳米级的结构。此外，在每一张圆形硅片上分布着数以百计的独立芯片，每一个芯片中包含由上百亿个晶体管组成的具有各种各样电学功能的IC。最后，还要进行非常复杂的电学性能检测，切片，封装，终测和可靠性、稳定性、老化筛选等工序，才能最终形成正式出厂芯片。 整个芯片制造过程中，需要几十道光刻工艺，每一道光刻工艺后面还跟着许多道各种各样的半导体IC平面加工工艺，每一道工艺又包含许多道工序，每一道工序还包含许多步骤，每一个步骤都不允许出错。就是其中看似最简单的基片表面处理和清洗步骤，也需要重复多次，其中一步出了问题，整个IC制造过程就全部报废。因此，要求每一步出问题的可能性都不得超过0.000001%。因为每一步都在原有的基础上进行，最终的成品率为每一步成功率的乘积，如果要经过两千多次步骤，即使每一步都能达到99%的成功率，那最后生产出来的成品率也只有0。而在大生产中，即使通过几千次步骤的总成品率低过90%，这也都是亏本的。因此在芯片制造技术中，好的设备很关键，尤其是需要高精度的光刻机，但有了好的工艺设备后，人才是最关键的。在芯片制造技术中，最难的在于如何建立一个能够齐心协力的敬业的团队，这需要整个公司上上下下所有人都是最敬业的。世界上没有任何一个人为制造出来的东西，可以像芯片这样要求百分之百精准度。 2.2微光刻 大家还经常在书中或者报道中看到“微光刻”一词。实际上微光刻是指应用于特征尺寸在微米到亚微米、甚至纳米尺度范围的光刻工艺技术。由于传统光学曝光的分辨能力受到曝光光源的波长限制，通常光学曝光的分辨率是两倍波长，所以当年加工到微米级就是个里程碑。许多加工技术都冠以“微”字，所以才有诸如微电子学（Microelectronics）、微光刻（Microlithography）、微制造（Micro-machining）、微加工（Micro-fabrication）、微结构（Micro-structures）、微光学（Micro-optics）等术语沿用至今。随着光刻技术的迅速发展，特别是由于光学曝光分辨率增强技术的突破，光刻技术已经超越了微米级，现在特征尺寸已从微米尺度延伸到纳米尺度。近年来，研究者已把微光刻概念拓展到后光刻范畴，如其他传统的和非传统的纳米成像技术及纳米图形化技术。 同时，在半导体设备和材料国际组织（Semiconductor Equipmentand Materials International，SEMI）制定的SEMI标准中，与微光刻相关的专业分类名称变迁如下：1987年前的SEMI版本称为光掩模卷（Photomasks volume）；1990年后的版本改为微图形化卷（Micropatterning volume）；1997年版定名为微光刻卷（Microlithography volume）。该专业标准涵盖与微电子学微光刻技术有关的标准有：微光刻图形化和图形数据处理技术；微光刻感光材料、光致抗蚀剂（光刻胶）和基片；光掩模与先进掩模技术；光刻工艺（曝光、刻蚀与各种微纳米加工）技术；电子束掩模制造与硅片直写技术；光刻及掩模质量参数测量和评定；掩模制造设备和微光刻设备。 2.3关于半导体技术发展路线图摩尔定律和工艺节点［1，5］ 为协调世界各大公司和研究机构IC工艺研究和设备研制的进展，满足IC工艺技术水平发展的需要，国际半导体协会（International Technology Road map for Semiconductors，ITRS）从1992年开始研究并发布半导体技术发展路线图（Road MAP），即发展蓝图。该蓝图揭示了IC工艺技术在之后15年按照摩尔定律的发展趋势和技术路线。随着技术的发展，其中的技术指标不断地往前提，使所有企业产品的研发进度按照蓝图规划进行。每2年，协会会对它进行适当的调整。Road MAP反映出IC光刻工艺技术发展的进度和新技术应用的可能性。其中详细地规划了每个工艺节点各种不同电路芯片的特征尺寸、不同功能图形线宽尺寸的修正量、所允许的非致命缺陷的尺寸、芯片的集成度等，同时明晰了后几个工艺节点相应需要达到的技术指标及可能采用的新的光刻技术。这一发展蓝图对于IC产业、装备、材料，以及整个产业链的发展趋势具有重要的参考价值，对于每个工艺节点都详细地制定了世界光刻工艺发展的技术目标。其中主要包括相应工艺节点有可能应用的光刻曝光手段（Lithography exposure tool potential solutions），各工艺节点面临的光刻技术难点（Lithography difficult challenges），各工艺节点对光刻工艺技术的要求（Lithography technology requirements），各工艺节点对抗蚀剂工艺技术的要求（Resist requirements），各曝光光源对抗蚀剂灵敏度的要求（Resist sensitivities），以及各工艺节点对光学光刻/极紫外光刻/电子束投影光刻掩模的要求（Optical/EUVL/EPL mask requirements）。 IC制造工艺技术节点，早年的说法主要是指晶 体管栅极的宽度，也可以理解为铝引线层中引线的半周期（称半节距）。每个工艺节点对应的特征尺寸（可以理解为该工艺节点上能够加工的最细线条宽度）遵循摩尔定律，大体上每3年缩小至之前的70%。从1968年的微米级，逐渐缩小到0.35µm、0.25µm、0.18µm、0.13µm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm，一直延伸到7nm。由于10nm以后特征尺寸的线条宽度逼近加工极限，在7nm以下的工艺节点上的特征尺寸不是最细加工线条宽度，而是采用3D结构、立体栅结构、叠层栅结构、3D封装及新结构新材料等措施，以单位面积所含晶体管数折算出来的等效特征尺寸。IC芯片制造技术进入深化摩尔（More Moore）的时代和拓展摩尔（More than Moore）的时代。再往后，连等效摩尔（Equivalent Moore）定律也无能为力的情况下，超越摩尔定律、进入后摩尔时代（Post-Moore era）的IC芯片是否能够制造出来不得而知。 2.4图形转移技术 光刻技术实质上就是IC芯片制造的图形转移技术（Pattern transfer technology），其过程就是把设计图纸上的图形转移到掩模基板上，再把掩模版上的图形转移到晶片表面抗蚀剂膜上，最后再把晶片表面抗蚀剂图形转移到晶片上。 图形转移技术通过几十年的发展，已成为微电子平面加工工艺的关键技术之一。设计图纸上的图形转移到掩模基板的工序大体上分为：版图设计；图形编辑和数据格式转换；在镀铬的玻璃基板上涂布光致抗蚀剂；采用光学图形发生器、光学分步重复精密缩小照相机、激光图形发生器或电子束图形发生器等曝光设备，在掩模基板表面的光致抗蚀剂膜上曝光图形；通过显影工序，显影出抗蚀剂“浮雕”图形；再以抗蚀剂“浮雕”图形作为掩蔽膜选择性地刻蚀玻璃表面的铬膜；最后通过清洗、烘干完成设计图形转移到掩模基板上，完成掩模版制造。根据掩模版类型不同，采用接触式光刻机或投影光刻胶机，把掩模版的图形曝光到晶片表面抗蚀剂上，同样通过显影工序在晶片表面上生成抗蚀剂“浮雕”图形，再以生成的抗蚀剂“浮雕”图形作为掩蔽膜，选择性地刻蚀晶片，完成掩模图形到晶片表面的图形转移。 随着微纳米加工技术的发展，除以“曝光—显影—刻蚀”构成的传统图形转移技术外，逐渐发展起来的其他几种典型的图形转移技术有： 1）无掩模直写曝光（Optical mask less lithography，OML2）图形转移技术。采用电子束直写系统或激光直写系统直接在基片表面的抗蚀剂上描绘待加工图形，不需要掩模图形转移的过程，同样通过显影工序在晶片表面上生成抗蚀剂图形，再以抗蚀剂图形刻蚀掩蔽膜，进行选择性刻蚀，完成掩模图形到晶片表面的转移。 2）微电镀（Electroplating）或化学镀（Chemical plating）图形转移技术。采用上述图形转移技术在基片表面形成待加工图形后，利用微电镀技术在基片表面抗蚀剂槽内沉积金属膜，涂胶、成像、显影后形成没有抗蚀剂覆盖的金属图形，再进行微电镀工艺，完成微电镀图形转移。微电镀图形转移技术的关键是基片表面需要事先沉积一层导电膜，微电镀前需要用氧等离子打底膜，去除残胶，电镀速度不宜太快，否则镀膜的精细程度会受到影响。 3）溶脱镀膜剥离（Negative tone lift-off）的图形转移技术（简称剥离工艺）。采用上述图形转移技术在基片表面形成待加工抗蚀剂“深槽”图形；准备在抗蚀剂“深槽”中镀膜制备微细金属图形，同时在抗蚀剂“深槽”之外的大片区域去除抗蚀剂并剥离掉金属膜。工艺过程如下：首先利用镀膜技术在基片表面的抗蚀剂图形上再沉积一层一定厚度的金属膜；利用有机溶剂（丙酮）长时间浸泡，让有机溶剂钻进基片表面大面积金属膜与“深槽”底部金属膜之间的台阶侧壁缝隙，逐渐深入溶解掉基片表面大面积金属膜下面的抗蚀剂层，原来大面积抗蚀剂表面的金属膜失去抗蚀剂的支撑而脱离基片，处于飘浮状态，只剩下原来抗蚀剂“深槽”中蒸镀的微细金属结构的图形；去除飘浮的金属膜，完成溶脱剥离的图形转移工艺。剥离工艺关键技术：一是抗蚀剂膜要足够厚；二是抗蚀剂“深槽”的侧壁形成底切结构（“深槽”剖面要上窄下宽，防止侧壁也被镀上金属膜造成剥离工艺失败！）；三是控制镀膜厚度要小于抗蚀剂厚度；四是不要旋转镀膜；五是丙酮溶脱过程尽量想办法扰动有机溶剂，促进金属膜溶脱，切忌用超声波脱膜。 4）纳米压印（Nanoimprint）图形转移技术。 5）嵌段聚合物自组装等非光刻技术实现图形转移。 3光刻设备［4］ 光刻设备，即在微光刻与微/纳米制造技术的光刻工艺中进行曝光成像设备的统称，也称光刻机（Lithography machine）、曝光机（Photoetching machine）。英语中不用光刻机（Lithography machine）这个术语，通常称之为光刻系统（Lithography system），或者分别采用其功能、曝光光源或曝光方式命名。 光刻机最早源于半导体光刻工艺，是通过人工或者自动对准和曝光的操作，把光刻掩模版上的半导体器件或者IC的版图转移到基片表面光致抗蚀剂上的曝光设备，故也称掩模对准曝光机（Mask aligner或者mask alignment system）。广义地说，光掩模版制造的设备也归纳在光刻机范畴内，如制造中间掩模版的光学图形发生器（Opticalpatterngenerator）、制造主掩模版或者工作掩模版的光学分步重复精密缩小照相机（简称精缩机，Photorepeater）、掩模复印机（俗称翻版机，Maskprinter）、激光掩模直写系统（也称激光图形发生器，Laserpatterngenerator，Masklesslaserlithographysystem，Laserdirectwritingsystem）和电子束掩模直写系统（也称电子束图形发生器，E-beamlithographysystem）。随着微光刻技术的不断发展，光刻设备光源的波长不断缩短，由原来的e线、g线、h线、i线发展到远紫外、准分子激光、极紫外，X射线以及各种粒子束光源，如电子束、离子束。光刻设备的系统越来越复杂，光刻设备的范畴也不断拓展。虽然光源的波长已经远远超出早期常规的紫外线范围，由于技术的延伸，原来的“曝光”“感光胶”“光刻”“光刻机”等术语仍然沿用下来。 3.1光刻机分类 从曝光方式上分： 1）接触式（Contactprinting）/接近式（Proximityprinting）光刻机（Maskalignmentsystem）； 2）投影（Projectionlithography）/扫描投影式（Scanningprojectionprinting）/分步重复投影（Stepping-repeatingprojectprinting，或称作Stepper，DSW）/扫描步进投影（Scanning-steppingprojectprinting）光刻机； 3）无掩模/直写式光刻机。 从曝光光源上分： 1）紫外光刻机（UVL），g线（436nm），i线（365nm）； 2）深紫外光刻机（DUVL，也称为准分子光刻机），KrF曝光波长248nm； 3）准分子激光光源浸没式光刻机（Immersion，193i）；ArF曝光波长193nm； 4）无掩模光刻机（DMDL），基于数字微镜器件（Digitalmicromirrordevice，DMD）的光学无掩模光刻（OML2）设备； 5）极紫外光刻机（EUVL），是下一代光刻技术的一种，波长为13.4nm； 6）电子束光刻机（EBL），主要有电子束掩模制造系统，纳米电子束直写系统（Electronbeamdirect-writinglithography，EBLDWL）； 7）多头电子束光刻系统（Multi-electron-beamlithography，MEBL），是下一代光刻技术中的光刻候选技术； 8）软X射线光刻机（SoftX-rayprojectionlithography）； 9）近年来把光刻机概念拓展到后光刻的其他传统和非传统的纳米成像或图形化装置，如纳米压印（Nanoimprint）、定向自组装（Directed-self-assembly，DSA）、全息光刻（Hologramlithography）、蘸笔纳米光刻（Dip-pennanolithography，DPN）等。 20世纪60年代到80年代中期的接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机主要采用汞灯光源，其光谱线分别为g线（436nm）、h线（405nm）和i线（365nm）。20世纪80年代后期的步进式光刻机、步进式扫描光刻机和浸入式光刻机主要采用KrF（248nm）和ArF（193nm）准分子激光光源。现在的EUV光刻机采用的极紫外光源为13.5nm。 3.2光刻机发展历程［4］ 根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了5代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。 第一代为接触式光刻机。曝光方式为掩模版与半导体基片之间靠控制真空度实现紧密接触，使用光源分别为g线和i线。接触式光刻机由于掩模与光刻胶直接接触，所以易受污染，掩模版和基片容易受到损伤，掩模版寿命短。 第二代为接近式光刻机。曝光方式为掩模版与半导体基片之间为非紧密接触状态，掩模版不容易受到损伤，掩模版寿命长，但由于掩模版与基片之间有一定间隙，成像质量受到影响，分辨率下降。 第三代为扫描投影式光刻机。中间掩模版上的IC版图通过光学透镜成像在基片表面，有效地提高了成像质量，投影光学透镜可以是1∶1，但大多数采用精密缩小分步重复曝光的方式（如1∶10，1∶5，1∶4）。IC版图面积受限于光源面积和光学透镜成像面积。光学曝光分辨率增强技术的突破，把光刻技术推进到深亚微米及百纳米级。 第四代为步进式扫描投影光刻机。以扫描的方式实现曝光，可以增大曝光面积和曝光效率，通过采用193nm的KrF准分子激光光源，实现光刻过程中掩模和硅片的同步移动，并同时实现将掩模图像缩小投影在硅片上，进行分步重复曝光，将芯片的最小工艺节点提升一个台阶。实现了跨越式发展，将最小工艺推进至180~130nm。 通过双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展，进一步提升第四代光刻机的工艺制造水平和生产效率。2001年开始采用双工作台系统，将测量、对准与光刻流程相分离，实现曝光与预对准同时进行，大幅提高了生产效率。 浸没式光刻技术通过在光刻机投影物镜最后一个透镜下表面与硅片光刻胶之间充满高折射率的液体（如去离子水），进一步提高了光刻分辨率，把193nm光源的光刻工艺节点进一步延伸到65nm。由于193nm光波在水中的等效波长缩短为134nm，超越157nm波长的极限，打破光源波长瓶颈。到2010年，193nm液浸式光刻系统实现32nm工艺节点的芯片制造突破，并把工艺节点尺寸进化到22nm。此外，28nm是一个重大的技术节点，因为可以继续沿用现有工艺非常成熟的193i浸没式光刻技术，不需要大规模设备更新，投入与产出比最佳，成本最优，所以到现在28nm技术节点工艺线还是很有价值的。从理论上讲，193nm波长的ArF浸没式DUV光刻机与多次图形化技术（多次曝光技术）可以用于7nm工艺节点芯片的生产，为进一步挖掘浸没式光刻技术的潜力，人们也不放弃开发更高数值孔径（NA）的成像镜头、高高宽比鳍形栅（FinFET）、叠层栅（GAAFET）、梳齿薄片栅、多掩模版、DUV波段灵敏光刻胶等各种先进工艺与材料，使现有工艺设备加工极限延伸到14nm、7nm，甚至5nm，使得浸没式光刻系统得以延续摩尔定律，成为极紫外光刻（EUVL）切入之前芯片生产能力最强的、最成熟的主流纳米光刻技术。 第五代为EUV光刻机。采用波长为13.5nm的激光等离子体光源作为光刻曝光光源。即使其波长是193nm的1/14，几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限，将最小工艺节点推进至7nm仍然面临着种种难题。从2010年开始，研究者整整花了10年时间，达成了波长压缩到13nm大功率激光等离子体光源、50多层纳米尺度反射层的反射透镜和反射掩模版、能够抵抗EUV破坏的掩模版及基片保护膜、EUV光刻胶及11个9（即99.999999999%）极高纯度硅基片材料的突破，于2019年推出了将产能提高到每小时处理175块晶片的EUV光刻机。一台EUV光刻机重达180t，需要40个集装箱运输，安装调试都要超过1年时间。荷兰阿斯麦尔公司（ASML）用于7nm工艺的EUV光刻机共有10万个零件，其中90%的关键设备来自世界各国。ASML只负责整机设计与各模块集成，它离不开全球上、下游产业链5000多个供应商提供的用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具的支撑。 4光刻胶［6］ 光刻胶是光刻工艺中实现图形转移的感光材料和选择性抵抗刻蚀的材料。其术语应该称光致抗蚀剂（Photoresist），在化学界和光刻工艺中通常称之为光刻胶，是在半导体微电子芯片制造工艺中应用的一种高分子、高分辨率的光敏感光材料。在微光刻技术中，用来有选择性地掩蔽或者保护衬底表面不被刻蚀的材料。它也可以作为其他半导体工艺的掩蔽层材料，如离子注入的掩蔽层和剥离工艺的镀膜掩蔽层（牺牲层）等。光刻胶是由高分子光敏树脂、抗蚀性树脂、增感剂、防光晕剂和溶剂等几种主要成分组成的对光敏感的混合胶态液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应或者分解反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂显影处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。抗蚀剂大体可以分为紫外光、深紫外、极紫外、X射线敏感的材料及电子束和离子束等高能粒子束辐照敏感材料，如光致抗蚀剂和电子抗蚀剂等。同时光致抗蚀剂有正性光致抗蚀剂和负性光致抗蚀剂之分。 紫外光致抗蚀剂（UVphotoresist）是感光灵敏度在280~450nm波长范围内的光致抗蚀剂。如曝光波长为g线（436nm）和i线（365nm）用的抗蚀剂。 深紫外光致抗蚀剂（Deepultravioletphotoresist，DUVresist）是感光灵敏度在180~260nm波长范围内的光致抗蚀剂，如准分子激光（248nm和193nm）曝光用的光致抗蚀剂。利用深紫外光致抗蚀剂可以减少光衍射产生的光学邻近效应的影响。之所以称为准分子，是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十纳秒。准分子激光属于冷激光，无热效应，是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光，光子能量波长范围为157~353nm。最常见的波长有157，193，248， 308nm及351~353nm。其中193nm是目前光刻技术的主流光源。 极紫外光致抗蚀剂（Extremeultravioletphotoresist，EUVresist）是应用于波长为10~14nm的以极紫外光作为光源的光致抗蚀剂。具体如采用波长为13.4nm的软X射线作为曝光光源的极紫外光刻用的抗蚀剂。 电子束抗蚀剂（E-beamresist）是应用于电子束光刻的抗蚀剂。高分子光敏电子束光刻应用范围非常广泛，用于电子束掩模制造曝光系统的抗蚀剂要求灵敏度高（如曝光剂量选择在0.5~1µC/cm2），曝光速度快，分辨率大体在100nm。用于纳米直写光刻的电子束抗蚀剂要求高分辨率、通常需要曝光10nm量级的结构。但是，高分辨率的抗蚀剂通常曝光灵敏度比较低。实际上所有抗蚀剂都可以应用于电子束曝光，只是很多抗蚀剂的分辨率不太理想。 化学增幅光致抗蚀剂（Chemicalamplifyresist，CAR）是具有光化学增幅作用的光致抗蚀剂。通过光致酸化学增幅放大，可以使具有较弱光学对比度的空间图像在光致抗蚀剂中形成增强化学对比度的潜像，以获得更好的光刻分辨率和更高的曝光灵敏度。光致反应产生的活性产物可以作为催化剂进一步催化化学反应过程，使光致抗蚀剂的曝光区域在显影液中的溶解率和其他未曝光区域的产生显著差异。化学放大光致抗蚀剂的树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS），不溶于水，其感光剂是光酸剂（Photoacidgenerator，PAG）。光刻胶曝光后，在曝光区的光酸产生剂发生光化学反应会产生一种酸，该酸在曝光后烘（PEB）时，每一个光酸分子在PEB中会诱发上千个光酸分子，它作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。曝光后产生交联反应使溶解率变慢的为负性化学放大光致抗蚀剂（如负性电子束抗蚀剂SAL601系列），曝光后产生分解反应使溶解率变快的为正性化学放大光致抗蚀剂。 5光掩模［4］ 5.1光掩模概念及掩模版制备工艺 光掩模是光刻工艺中用于选择性地阻挡曝光、辐照或物质穿透的掩蔽模版。需要注意的是，现在社会上，甚至发表在正式刊物的论文中存在不规范的术语，例如“掩膜版”或者“掩模板”。规范的写法应该使用“掩蔽模具”的“模”，不应该写成“薄膜”的“膜”；已经制备有光刻版图的掩模版应该使用“出版”的“版”，而没有制备光刻版图的基板（如匀胶铬板或者感光板）使用“板材”的“板”。在光刻工艺中，把掩模版上的图形转移到涂覆在半导体基片表面光刻胶上，所形成的抗蚀剂“浮雕”图形是具有阻挡刻蚀、阻挡物质穿透、阻挡离子注入和阻挡氧化等功能的掩蔽层，可以称为“掩膜”。具有相同功能的、采用图形转移技术在半导体基片表面形成的二氧化硅膜、金属膜图形层，称为“硬掩膜”。在IC制造工艺中，光刻工艺需要一整套具有特定几何图形的光掩蔽模版，称为掩模（Mask）或掩模版。光刻工艺是把掩模版上的IC图形通过曝光和显影等工序，转移到半导体基片表面的光刻胶上，再以所形成的抗蚀剂图形作为掩蔽层，在刻蚀工艺中可以阻挡对基片的刻蚀、在扩散工艺中可以阻挡杂质往基片内部扩散，在注入工艺中可以阻挡离子注入、在金属化工艺中可以阻挡金属膜的刻蚀形成铝引线，因此掩模版在半导体平面工艺中是不可缺少的。 制备掩模版的工艺本身就是光刻工艺。掩模版制备过程大体上分如下步骤：掩模图形设计，掩模图形编辑，掩模图形数据格式转换，采用掩模曝光设备（光刻机的一类，如光学图形发生器、激光图形发生器和电子束图形发生器）进行掩模图形曝光、显影、清洗和干燥处理，掩模缺陷检测修补等工序。掩模版按用途又分为主掩模、中间掩模、工作掩模、移相掩模等。 5.2掩模版和中间掩模版制造设备 掩模版制造全过程所需要的设备，包括掩模版图处理系统、掩模数据格式转换系统、匀胶铬掩模基板制造设备、掩模原图制造设备、掩模曝光设备、掩模清洗设备和掩模检测仪器设备等。主要有： 1）共焦激光扫描显微镜（Confocallaserscanningmicroscope，CLSM）； 2）激光差动共焦显微镜（Laserdifferentialconfocalmicroscope，LDCM）； 3）掩模线宽测量设备（Masklinewidthmeasurementequipment）； 4）掩模关键尺寸测量系统（MaskCDmeasurementsystem）； 5）掩模检查设备（Maskinspectionequipment）； 6）掩模比较仪（Maskcomparator）； 7）表面缺陷和污染检测仪（Surfacedefectandcontaminationdetector，SDCD）； 8）掩模版自动检查系统（Automaticphotomaskinspectionsystem）； 9）掩模修补系统（Maskrepairsystem）； 10）掩模制造设备（Mask-makingequipment）； 11）光学图形发生器（Opticalpatterngenerator，OPG）； 12）光学分步重复机（Photorepeater）； 13）扫描激光直写系统（Scanninglaserdirectwritesystem，SLDWS）； 14）超大尺寸平面显示掩模激光直写系统（Scanninglaserdirectwritesystemforultralargesizemask）； 15）基于DMD激光直写系统（LaserdirectwritingsystembasedonDMD）； 16）无掩模光刻系统（Masklesslithographysystem，ML2system）； 17）电子束掩模制造系统（E-beamsystemformaskmaking）； 18）电子束投影光刻系统（E-beamprojectionlithographysystem，EBPLsystem）； 19）电子束光刻系统（E-beamlithographysystem，EBLsystem）； 20）掩模抗蚀剂涂布机（Maskresistcoater）； 21）掩模显影机（Maskdeveloper）； 22）掩模清洗设备（Photomaskcleaningequipment）； 23）掩模抗蚀剂处理及清洗设备（Maskresistprocessingandcleaningequipment）； 24）超大尺寸平面显示掩模处理及清洗设备（Resistprocessingandcleaningequipmentforultralargesizemask）； 25）掩模抗蚀剂去除装置（Maskresiststripper）； 26）掩模复印机（Maskprinter）； 27）掩模湿法刻蚀设备（Maskwetetchingequipment）； 28）掩模干法刻蚀设备（Maskdryetchingequipment）； 29）烘干设备（Bakingequipment）； 30）掩模版保护膜安装仪器（Pelliclemountinginstrument）； 31）掩模图形数据处理系统（Maskpatterndataprocessingsystem）。 6光刻分辨率增强技术［1，5］ 光刻分辨率增强技术（Resolutionenhancementtechnology，RET）是为充分利用光波的基本物理特性，挖掘光学曝光技术巨大潜力，实现增强光刻分辨率的各种技术。如：利用缩短曝光波长实现准分子激光光源光刻技术；利用改变入射方向实现离轴照明（Off-axisillumination，OAI）光刻技术的开发；利用调制光强分布实现光学邻近效应校正（Opticalproximitycorrection，OPC）技术的应用；利用调整相位分布实现移相掩模（Phase-shiftingmasks，PSM）光刻技术的突破；利用光的干涉衍射实现光的波前重建工程的应用；利用光的折射率实现浸没透镜（Immersion）光刻技术的应用；利用光的定位对准实现二次图形化（DPT）光刻技术的应用；利用软X射线反射镜和反射掩模片实现EUV光刻技术。 IC芯片制造工艺技术用尽了所有光的物理性质，实现了光刻分辨率的增强，如同八仙过海各显其能，每一项技术的突破，都让光刻工艺推进一个工艺节点。 人们为了使光学曝光技术的分辨能力不断地超越光学理论分辨率极限，通过开发各种各样的光学波前工程增强光学光刻分辨率，由两倍波长的光刻分辨能力，逐渐提高到亚波长以至达到半波长的加工分辨能力。如：PSM光刻技术、OPC光刻技术、亚分辨率辅助增强光刻（Sub-resolutionassistfeatureenhancementlithography，SRAF）技术、OAI光刻技术、驻波效应校正（Surfacewavecorrection，SWC）光刻技术、空间滤波（Spatialfiltering）光刻技术、光瞳滤波（Pupilfilter）光刻技术、离焦迭加增强曝光（Focuslatitudeenhancementexposure）光刻技术、多级胶结构工艺（Multi-levelresistprocessing）光刻技术、浸没透镜光刻技术、DPT光刻技术。 其中，浸没透镜光刻技术和DPT光刻技术及多次图形化光刻技术也应该归入光学光刻分辨率增强技术范畴。通过多重曝光的方式生产14，10，7nm芯片。 7电子束光刻技术［4-5］ 电子束曝光技术实际上是一种很传统的曝光技术，由于它的束斑尺寸可以从微米级至纳米级，适用范围广，是实验室条件下进行亚微米至纳米级光刻技术研发的理想工具。电子束光刻技术是利用计算机输入的地址和图形数据，控制聚焦电子束在感光材料基片上直写曝光的技术，也称为电子束曝光技术（E-beamexposuretechnology）。 7.1掩模制备电子束曝光系统 从功能上大体分为快速掩模制造电子束曝光（Quickmaskmanufacturingelectronbeamlithography）和高精度芯片纳米直写电子束光刻（Highprecisionnanometerelectronbeamlithography）。 从电子束斑形状上大体分为高斯束电子束光刻（Gaussianbeamofelectronbeamlithography）、圆形束电子束光刻（Circularbeamofelectronbeamlithography）和成形束电子束光刻（Shapedbeamelectronbeamlithography）。 从成像方式上大体分为光栅扫描式（Rasterscanning）、矢量扫描式（Vectorscanning）和成形束（Shapedbeam）光阑成像拼接式。 应用于光掩模制造的电子束曝光系统多采用曝光效率比较高的光栅扫描和可变矩形束电子束曝光系统。 应用于纳米电子芯片直写的电子束光刻系统多采用高斯束矢量扫描曝光方式的电子束光刻或者圆形束光栅扫描电子束曝光。 变形束电子束曝光系统（Variableelectronbeamexposuresystem）是利用电子光学系统中的静电偏转电极将可移动的第一光阑（大的矩形窗口光阑）的像投影在第二光阑上，第一光阑窗口的像和第二光阑窗口重合部分便形成可改变形状和尺寸的束斑，在曝光过程中根据IC版图的单元图形结构和大小，和实时改变束斑形状相配合，以此实现由大小束斑拼接成像的高速电子束曝光设备。也称可变矩形束电子束曝光系统，常用于光掩模制造。如果将第一光阑偏转成像在第二光阑窗口上，则可构成三角形、梯形等其他形状束斑。 成形束电子束曝光系统（Shapedelectronbeamexposuresystem）也称为定形束电子束曝光系统，它利用电子光学系统中第一光阑（大的矩形窗口光阑）的像移动到一定位置后保持不变地投影在第二光阑上，第一光阑窗口的像和第二光阑窗口重合部分便形成一个形状和尺寸固定的束斑，以此实现固定矩形束拼接成像的电子束曝光设备。也称固定矩形束电子束曝光系统，常用于光掩模制造。可以根据曝光图形的精度要求不同，调整矩形束斑的尺寸。该系统由于是固定束斑，电子束曝光的数据处理比较简单。 光栅扫描电子束曝光系统（Rasterscanelectronbeamexposuresystem）是在工件台移动和电子束以光栅扫描方式相配合下构成的两维扫描场中，通过静电通断电路按输入图形数据控制电子束通断，使晶片选择性曝光的电子束曝光设备。通常是工件台在X方向按弓字形连续往返移动，电子束沿Y方向以1024µm宽度扫描曝光，调整工件台往返的间隔与电子束扫描宽度相匹配，完成整个基片曝光。该系统有较高的曝光效率，主要用于掩模制造。 电子束投影光刻（EBPL）系统是以镂空掩模作为第二光阑，在电子光学系统中，把镂空掩模图形成像到晶片表面电子抗蚀剂膜上，实现电子束缩小投影曝光的设备。该系统具有纳米级的曝光精度又具有很高的曝光效率，既可以应用于大面积纳米尺度芯片直写，也可应用于高阶先进掩模制造。其镂空掩模采用硅片作为支撑体，在硅片上镀有一定厚度的金属膜，并进行视场分割，从硅片背面腐蚀出一个个具有一定尺寸的窗口，在硅梁支撑下，在每个窗口的薄膜上制备出一组镂空的常用基本图素，或者基本单元的版图图形。采用偏转器把第一光阑的窗口投射到所选择的某镂空的常用基本图素上，经电子光学系统缩小成像在晶片表面的电子抗蚀剂上，可以进行图形拼接曝光，也可以进行分步重复曝光。电子束投影光刻是在成形束电子束曝光技术上发展起来的一种电子束光刻技术，其第二光阑可以是固定矩形束的束斑，也可以是三角形和其他特殊设计的多边形束斑；可以是一个固定形状的束斑，也可以是可选择的若干种不同形状的束斑构成的复合镂空掩模。 此外，为满足大批量生产的效率问题，有几种正在开发的下一代生产型的电子束光刻技术，即反射式电子束光刻（Reflectiveelectronicbeamlithography，REBL）系统和电子束步进（EBstepper）系统、接近式电子光刻技术（Proximityelectronlithography，PEL）、多头电子束光刻技术（MEBL）。 7.2纳米电子束直写系统［7］ 纳米电子束直写系统是采用电子束光刻系统在基片表面抗蚀剂上直接扫描曝光纳米图形的技术，也可以应用于纳米尺度特种掩模的制造，如X射线掩模、EUV光刻掩模、投影光刻掩模、压印模版和嵌段聚合物自组装模版。在纳米加工中主要采用矢量扫描曝光方式的电子束光刻系统在硅片上直写实现纳米尺度的加工。20世纪60年代初，随着半导体平面工艺的发展，人们开始用扫描电子显微镜进行微细图形曝光的尝试。1964年，剑桥大学Broers在第六届国际三束会议上发表了用电子束曝光出1µm图形的微细加工技术，随后剑桥大学成功研制了点扫描电子束装置。到了20世纪70年代，法国汤姆逊公司研制了配备有激光干涉仪定位的电子束曝光装置，定位精度达0.1µm，最细线宽为0.3µm，这是世界上第一台技术比较完善的电子束扫描曝光设备。此后，直写式电子束曝光系统得到了迅速发展，在纳米制造中发挥重要的作用。以JBX-6300FS为代表的使用矢量扫描曝光方式的实验型电子束光刻系统具有芯片直写功能和实验用掩模版曝光功能，可自动识别金标记（凸出台面）或硅片标记（凹槽），可在晶片上直接描绘图形，实现电子束光刻，最细束斑可达2nm，极限曝光线条为8nm。 电子束光刻系统虽然具有很高的电子扫描成像精度，但是电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的加工和IC的光刻，必须解决几个关键的技术问题： 1）由于电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应问题，包括如何减少电子散射效应影响，低散射基片和高原子序数材料夹层技术，采用线曝光技术和几何修正技术，电子束曝光剂量调制邻近效应校正技术应用等问题。 2）任何实现高分辨率扫描成像及电子束高精度扫描曝光效率很低的问题，包括如何降低束流使电子束处在最细束斑状态，采用近距离扫描透镜，改变加速电压和小扫描场，高精度调整电子光柱的对中、像散和场拼接状态及电子束与其他光学曝光系统的匹配和混合光刻曝光效率提高等问题。 3）电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题，包括采用高灵敏度、高分辨率和抗等离子刻蚀的电子抗蚀剂，抗蚀剂化学放大和感光增强技术，薄胶工艺及多层抗蚀剂与多层结构的纳米图形转移工艺技术等问题。 实践证明电子束邻近效应校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术，并结合光的波前工程和抗蚀剂曝光工艺优化技术的应用是一种提高光刻分辨能力非常有效的办法。 此外，纳米级电子束光刻中还需要解决若干工艺技术问题：包括电子束光刻图形数据设计可制造性；电子束变剂量曝光技术；电子束线曝光技术；高高宽比抗蚀剂图形坍塌与粘连；绝缘衬底电子束曝光电荷积累；高能电子束激发的二次电子、背散射电子、X射线及其他电磁辐射的漫散射曝光积累等问题。 8计算光刻［1］ 计算光刻是一种利用计算机仿真软件，建立光刻模型，并结合实际光刻工艺中各种偏差数据，通过计算推演出光刻过程中产生的图形失真，实施图形数据修正，实现超强光学光刻分辨率的技术。 计算光刻既包括用预期光刻成像结果为目标、通过掩模版图可制造性设计、实现光学光刻分辨率增强的技术，如光学邻近效应校正（OPC）技术、亚分辨率辅助图形（SRAF）技术、光源-掩模交互优化（SMO）技术等，也包括利用计算机仿真对掩模图形和光刻工艺参数进行反向设计的逆向光刻技术（Inverselithographytechnology，ILT）。其目的是提高现有的光刻系统的分辨率、提高曝光成像的准确性、加大成像系统的焦深、增大工艺窗口。 目前已被公认计算光刻是193浸没式光刻机进一步突破光学衍射极限以实现超强光刻分辨率的最有效的手段之一。其可解决14nm以下特别是7nm节点的复杂多样的设计版图的可制造性问题，有效扩展了193浸没式光刻技术的应用技术范围，通过更准确的仿真技术实现了更高的光刻分辨率，进一步延伸摩尔定律应用极限。其中光刻模型包括光刻成像模型、抗蚀剂显影过程模型、成像系统传递函数、数字照明系统模型等。工艺偏差因素包括焦面偏差、曝光剂量偏差、显影条件偏差。 当前计算光刻研究的主要内容包括：1）光源-掩模协同优化（SMO）技术；2）设计规则优化（DesignRuleOptimization，DRO）技术；3）基于模型的亚分辨率辅助图形技术（Model-basedSRAF）和像素化OPC技术；4）设计与工艺技术协同优化（Design-technologyco-optimization，DTCO；Design andprocesscollaborativeoptimization，DPCO）技术。该技术的核心是将设计规则、多重光刻技术、混合光刻技术、SMO有机统一，建立完善的从设计到光刻制造的仿真模型，产生符合某设计节点的完备测试图形集，寻找限制光刻制造的设计规则缺陷，填补设计规则与工艺制造之间的技术鸿沟。 9下一代光刻技术与微纳米加工技术［5-6］ IC特征尺寸已越来越接近加工的极限和物理的极限，人们在研发光学光刻分辨率增强技术的同时，也一直在开发研究新一代的光刻技术。下一代光刻技术大体上有如下几种： 1）电子束投影光刻技术，包括散射角限制的投影电子束光刻（Scatteringwithangularlimitationprojectionelectron-beamlithography，SCALPEL）技术、可变轴浸没透镜电子束投影微缩曝光刻（Projegtionreductionexposurewithvariableaxisimmerssionlenses，PREVAIL）技术、反射式电子束光刻系统、电子束步进系统； 2）电子束投影无（数字）掩模光刻（Projectionmasklesslithography，PML2）； 3）接近式电子光刻技术； 4）多头电子束光刻技术技术； 5）软X射线投影光刻技术（X-rayprojectionlithography，XPL）； 6）离子束投影光刻（Ionbeamprojectionlithography，IPL）技术和聚焦离子束（Focusedionbeam，FIB）成像技术； 7）纳米图形压印光刻（Nanoimprintlithogrphy，NIL）技术； 8）其他创新的光刻技术（Innovativelithographytechnology）。 电子束光刻因其灵活性和设备价格优势，以及它本身不需要掩模，可以直接在涂有抗蚀剂的掩模基板或者半导体晶片上直写IC功能层的版图图案，可以非常有效地缩短芯片制造投片周期，成为实验室条件下不可替代的高端掩模版制造设备和高端纳米结构芯片实验片的光刻设备。 除此之外，人们还把在显微成像技术的基础上开发的各种新颖的、非常规的纳米成像技术或者纳米加工技术归纳为未来可能应用于光刻的技术，目前还不能真正称其为光刻技术，如数字光刻（Digital lithography）、压印光刻（Imprint lithography）、自组装技术（Directed self-assembly）、表面等离子光刻（Surface-plasmon-mediated near-field lithography）、接近式电子探针（或热探针）光刻（Proximity probe lithography）、干涉光刻（Interference lithography）、软光刻（Soft-lithography）、近场光学光刻（Near-field optical lithography）、化学与生物接触复印（Chemical and biological approaches）、原子力光刻（Atomic power lithography或Atom lithography）、全息光刻（Hologram lithography）、物质波光刻（Matter-waver lithography）、表面成像（Top-surface imaging）光刻技术、亚波长近场光刻（Subwavelength photolithography）、量子纠缠态光刻（Quantaentangledstate lithography）、受激发射耗尽光刻（Stimulatedemissiondepletion，STED）、基于波带片阵列的无掩模光刻（Masklesslithographybasedonthezoneplate）、光子筛（多孔结构波带片）光刻（Photonsievelithography）、基于偏振的浸没光刻（Immersionlithographybasedonthepolarization）、喷墨打印制造（Ink-jetfabricationofelectroniccomponents）、蘸笔纳米光刻术（DPN）等。 10结束语 在过去的60年中，光刻技术的专家们好像通过他们的努力一定有办法实现当时看来已经超过光刻工艺极限的加工精度。人们利用现有的光学曝光系统结合先进的掩模制造技术，包括移相掩模制造技术和光学邻近效应校正技术等利用光的干涉衍射效应重建光波前工程技术的应用，充分利用光波的基本物理特性，挖掘光学曝光技术的巨大潜力，实现光刻分辨率增强技术的突破，使光学曝光技术的分辨能力不断超越光学理论分辨率极限。当今的微电子技术已经把金、银、铜、铝和各种宝石等所有能应用上的金属和介质材料都用上，而微光刻技术为满足越来越小的特征尺寸的要求，也把光子束、电子束、离子束、X射线、粒子束、原子束、质子束和分子束都用上。新的光刻技术和微纳米加工技术不断涌现。在这之后，人们很可能在新加工技术的基础上，开发量子及分子计算技术，进入纳电子学、分子电子学和生物电子学时代。微纳电子技术也将从不断被刷新的技术极限逼近宏观物理极限和加工能力极限，光刻技术也从等效摩尔进入后摩尔时代，进入介于宏观世界和微观世界之间的介观世界领域。 科学的历史证明，在这变革时代必然会有新的技术被人们创造出来。半导体制造工艺是人类迄今为止最精细的加工工艺，它要求最完美的半导体晶体材料、最精密的制造设备、最纯净的气体和化学品材料、最精准的工艺技术、最洁净的厂房环境、最敬业的工作人员，这几个条件缺一不可。 中国IC发展正面临百年变革的挑战和机遇，国内研究者需要脚踏实地，勇攀科学高峰，砥砺前行。