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摘 要：阐述了可实现0.1μm线宽器件加工的几种候选光刻技术，对193nm(ArF)准分子激光光刻技术作了较为详细的论述，指出其在0.1μm技术段的重要作用，并提出了研制193nm(ArF)光刻设备的一些设想。
关键词：光学光刻；光刻设备；193nm光刻
引言
微电子技术的发展促进了计算机技术、通信技术和其它电子信息技术的更新换代，在信息产业革命中起着重要的先导和基础作用。生产设备在整个微电子行业中扮演着举足轻重的角色，而在微电子器件的制造设备中，投资最大、作用最关键的是光刻设备。随着集成电路集成度的不断提高，所需光刻机的价格及其在生产线总投资中的比例也不断上升。
根据2001年国际半导体协会(ITRS)的蓝图(见表1)，世界集成电路的生产在2004年左右将达到0.1μm线宽水平，2011年可望达到0.05 μm线宽水平。 （图片） 微电子技术发展过程中，光刻机一直是生产中最关键的设备。由于光刻领域的科研人员的不懈努力及相关学科的发展，光学光刻一次又一次地冲破其加工极限，几年以后必然会将其加工线宽拓展到0.1μm水平。
1 0.1μm线宽的主流光刻技术将属于193nm(ArF)准分子激光光刻
就目前光刻技术现状而言，可实现0.1μm线宽器件加工的主要候选光刻技术有：电子束投影光刻(SCALPEL)、EUV(11～14 nm软X射线投影光刻)、X射线光刻(0.7～1.4 nmX射线接近接触式光刻)、193nm(ArF)步进扫描投影光刻、157 nm(F2)步进扫描投影光刻。这几种技术各有优势，但也都存在不足之处。
1.1 电子束缩小投影光刻(SCALPEL)
电子束曝光(EB)具有波长短、焦深长、分辨力高等优点，而且由于采用缩小投影曝光，其生产效率也比电子束直写(EBDW)有明显提高。但其缺点在于：难以克服空间电荷效应、难以实现高精度的对准与套刻、并且其生产效率及工艺继承性都无法与光学光刻相媲美。因此SCALPLE技术不可能成为0.1μm线宽器件生产的主流光刻技术。
1.2 EUV(11～14 nm软X射线投影光刻)
EUV技术相对于光学投影光刻技术而言，因其曝光波长短，实现相同的光刻分辨力(据公式
R＝k1λ／NA)可采用很小的数值孔径(NA)，焦深(DOF＝k2λ／NA2)将明显增加。因此一直被认为是光学光刻技术未来的理想替代者。但其缺陷在于：光学系统必须采用较为复杂的反射式，设计和加工很困难，镜片镀膜也很困难。EUV技术的光源一般采用两种方式，对同步辐射光源而言：其光功率强、准直性好，但成本高、占地面积大、使用不便、不适宜用作大生产设备；对激光轰击靶的点光源而言，其占地相对较小、使用也方便，但光功率低、准直性差、成本也高。同时EUV技术要求采用反射式掩模，不仅制作困难、成本高、而且易损坏。此外，EUV技术在抗蚀剂、高精度对准方面还有许多问题尚未解决，生产效率也比光学光刻低很多。因此，EUV技术在0.1μm甚至更小线宽器件的生产中还难以取代光学光刻技术的主流地位。
1.3 X射线光刻XRL(0.7～1.4 nmX射线接近接触式光刻)
XRL技术不采用投影系统，故其光学系统较为简单。国内有报道称已用这种技术做出了几十纳米的图形，中科院光电技术研究所和微电子中心研制的采用同步辐射光源的光刻对准系统可以做出0.15 μm线宽的GaAsPHEMT器件和0.25 μm线宽的GaAs实验电路。可以肯定地说随着XRL技术的不断完善，它必将成为加工0.1μm线宽器件的一种生产型设备。但XRL技术由于受其掩模制作、反射镜加工镀膜、精密对准、曝光视场小等因素的限制。加之生产率和加工工艺也远不如光学光刻。因此XRL技术在0.1μm线宽器件的生产中可用于小批量生产，但无法成为主流光刻技术。
1.4 157 nm(F2)准分子激光光刻
曾有人预言这种光刻技术的极限分辨力可以达到50 nm。国外已有多家公司开始研究这种新技术，瞄准的目标主要是70 nm线宽的芯片。但目前F2光刻技术所需激光器还不成熟，光学系统可能采用复杂的折射式设计，透镜材料可能只有选择昂贵的CaF2材料(仅透镜材料就可能达50万美元)，而CaF2的提纯、抛光很困难。另外，其所需的抗蚀剂技术还有待进一步解决。总之，在0.1μm线宽技术段，157 nm(F2)光刻将难以成为主流技术。不过，随着其技术难点的攻克及设备制造成本的降低，它很可能在亚0.1μm光刻技术中扮演重要角色。
1.5 193nm(ArF)准分子激光光刻
目前国际上微细加工主要处于0.18 μm线宽的水平，其主流的光刻技术是248 nm(KrF)的准分子激
光光刻。其机型主要有：ASML公司的PAS5500／550B，Nikon公司的NSR-S202A，Canon公司的FPA-4000ESI等，这些光刻机的售价一般在500～600万美元之间。随着掩模、抗蚀剂及光刻工艺的提高，248 nm(KrF)技术也能达到0.13 μm线宽的要求。但要成为0.1μm线宽器件生产的主流技术无疑困难重重，为此国际上普遍的设想是在0.13 μm技术段引入193nm(ArF)光刻，并使之在0.1μm技术段成为主流光刻技术，进而向0.07 μm技术段延伸。目前，国外已有几种商业化的193nm(ArF)激光光刻机研制成功(如表2所示)。虽然这些机型目前还不能达到生产0.1μm线宽器件的要求，但其应用前景相当乐观。（图片） 2 193nm准分子激光投影光刻的技术难点
就193nm(ArF)激光光刻技术目前状况而言，制约其快速发展的主要技术难点在于以下几个方面：
2.1 透镜材料
随着曝光光源波长的不断缩小，光学透镜材料的选择变得越来越困难。硼硅玻璃对193nm(ArF)光波的传输性能很差，基本上不能用作193nm(ArF)光学光刻的透镜材料；而石英玻璃和CaF2材料对193nm波段的吸收较强，CaF2材料难抛光且成本昂贵；对石英材料而言，193nm(ArF)的高功率照射会使其致密或收缩，导致折射率改变，最终使透镜不能使用，估计透镜寿命只有几个月或几年，这取决于透镜设计、材料质量和所使用的脉冲能量密度。熔石英具有较低的热膨胀系数，并且在193nm波段有较高的透过率，其制造技术也相对成熟，可作为193nm(ArF)光学光刻透镜的首选材料。但在整个光学系统的一些环节上也可能必须选择CaF2材料来制作镜头。
2.2 光学投影系统
光学投影系统是光刻设备研制中最为关键的环节，其设计和制造都非常复杂，目前研制出的193nm(ArF)光刻机的投影系统一般都由二三十块光学透镜组成。为此需要解决投影系统的精确理论计算、光学透镜的纯度和同质性、光学透镜的抛光光滑度、透镜的定位精度等一系列问题。对193nm(ArF)光刻而言，其投影系统一般采用折射式或反射折射式。两者的差异表现在：①折射透镜实现图形缩小的途径是通过图形的光线穿越一系列镜片和这些镜片周围的气体(一般是纯氮以减少可能的污染)时光线的折射来实现的。折射量主要取决于镜片材料，同时也要受镜片周围氮气温度和压力的影响。当温度和压力变化时，必须对由此产生的光学镜片或镜片组的实时轴向运动进行补偿。而反射折射镜头是通过在光瞳平面上引入一个反射镜，由它来实现大量图形的缩小。由于其反射光路不受温度和压力的影响，所以不用进行复杂的轴向运动补偿。②折射镜头需要用多个大直径的CaF2镜片来进行彩色校正和减少收缩影响。CaF2镜片价格昂贵，每千克CaF2的价格约为1万美元。而反射折射式只使用很少的小直径CaF2镜片，因此成本相对较低。③折射式镜头的共轭空间比反射折射式镜头大两倍。④反射折射光学系统所需的镜片数比折射光学系统要少，因此其成本要低一些，并且其设计和制造的复杂程度也有所降低。最近SVGL公司已在其最新生产的光刻机中采用了含反射折射透镜的光学系统，使分辨力有所提高。综上所述，反射折射式系统在两者的比较中占有较大的优势，无疑将会成为193nm(ArF)光刻设备的主角。但反射折射系统还有一些问题需要解决，比如：反射折射光路需要一种立方体的分束器，要确定这种立方体材料和制作这种分束器还有一定的难度。
2.3 掩模—硅片同步扫描
随着光刻设备的曝光光源波长逐渐缩短，数值孔径不断增加，其曝光场的大小必然要受到限制。而要提高生产率，又要求晶片尺寸必须不断扩大，要解决这一难题，只能采用掩模和硅片同步扫描技术。扫描系统的成像性能主要由掩模台和硅片台在曝光时的运动同步性决定。工作台的同步性，是指在限定的时间内，每个像点穿越照明光狭缝时，掩模台和硅片台相对运动的标准偏差和运动平均偏差。使用扫描系统后，扫描方向上的光学像差被平均了，有助于关键尺寸(CD)的控制和减少畸变，而且可以避免使用昂贵的投影系统。目前这项技术已较为成熟，基本可以满足生产0.1μm线宽器件的要求。
2.4 激光器
光源是光刻设备的重要组成部分。准分子激光器内充有两种按一定比例混合的惰性气体和卤素气体，这种被称为“受激聚物”的混合气体可以在远紫外光谱区产生激射脉冲。准分子激光器输出的光波波长取决于“受激聚物”的元素组成状况，ArF输出的波长为193nm。用准分子激光作为光刻光源的优点很多，主要表现在：输出光波波长短、强度高、曝光时间短(几个脉冲就可完成曝光)、谱线宽度窄、色差小、输出模式多、时间和空间基本不相干、光路设计上可以省去滤波部分等等。在0.1μm技术段光学光刻对准分子激光的要求非常高，其中最为关键的问题是如何在高重复频率下保持窄带宽和稳定性。而且要求带宽必须尽可能压缩，一般带宽值应＜1 pm，通常在光学谐振腔中插入一个可实现带宽变窄和相位延迟的模块来使193nm(ArF)激光器的带宽变窄。ArF谱线变窄能够减少用于校正色差的高成本CaF2材料的使用量。目前国际上193nm(ArF)激光器的技术开发已基本成熟，正处于向商业化生产转化的阶段，已有几家公司的产品投放市场。这些激光器的主要性能包括：激光效率约1.5%、频率约2 000 Hz、输出功率最大达20 W，寿命已经达到20亿次、转换效率约10%。随着193nm(ArF)激光器的发展和成熟，它必将成为0.1μm线宽器件大生产的首选曝光光源。
2.5 光致抗蚀剂材料
目前国外对193nm(ArF)抗蚀剂材料的研究主要集中在丙烯酸交替聚合物、环状烯族聚合物上。这些抗蚀剂的主要性质由透过率、成像能力和刻蚀性来体现。由于要满足分辨力和工艺窗口的要求，需要采用更薄的抗蚀剂层，193nm(ArF)光刻技术的成功引入要求必须有高性能单层抗蚀剂与之相匹配。由Willson小组研制的193nm(ArF)抗蚀剂表明了单层抗蚀剂能产生亚100 nm特征线宽。这种新的抗蚀剂由聚合物组成，采用了化学放大技术。他们使用的脂环族聚合物很好地把丙烯酸盐的优良透过率特性和苯乙烯的抗蚀性能结合起来，得到非常好的效果。
由于抗蚀剂在激光的照射下会产生蒸发和放气现象，必然会引起光学元件的污染。对193nm(ArF)技术而言，其CaF2光学投影系统的公差要求极为严格，即使几纳米的积聚物也可能引起光散射、像闪烁、像差，导致最终降低分辨力，光学元件的清洗也可能引起质地较软的CaF2透镜公差发生变化。为此必须研究新的抗蚀剂，清洗CaF2元件的工序及采用保护窗口等来减轻这些影响。
衡量一种设备能否进入生产线的决定性因素在于技术上的成熟与否和加工成本经济性(即设备占用成本COO)的高低，即使一种技术再成熟，如果其COO高得让人难以接受，也不可能被用于大批量生产线。目前已开发193nm(ArF)光刻设备的COO非常高，是248 nm(KrF)光刻设备在0.18 μm图形加工中的2.5～3倍。不过随着193nm(ArF)技术的不断发展和成熟，及193nm(ArF)光刻设备几年以后发展到批量生产阶段，其COO必将降低。如果能达到248 nm(KrF)光刻设备的1.5倍左右，将会被器件生产商接受，成为0.1μm线宽器件生产的主流光刻设备。
3 关于193nm(ArF)准分子激光步进扫描式投影光刻机的一些设想
目前，国内的微电子生产线上绝大部分光刻机都是价格昂贵的国外进口设备。而对最先进的、技术含量高的设备，国外往往对中国采取禁运、限运政策。为了摆脱微电子设备总是受制于人的难堪局面，国内应该在这方面加大研究力度，努力缩小与国外同行的差距。而且我们研究的出发点不能只顾眼前，应该有一定的前瞻性。目前，248 nm(KrF)光刻设备是微电子生产线上的主要设备，而几年之后将是193nm(ArF)光刻设备的天下。为此，我们应该从现在就着手193nm(ArF)光刻设备的研究，以便在未来的竞争中抢得先机。结合我国现状及中科院光电所二十余年的光刻机研究历史，首先用3年左右时间研制出0.18 μm线宽193nm(ArF)光刻机，再用2年左右时间进行技术升级，将其线宽拓展到0.1μm。
3.1 整机系统组成
193nm(ArF)准分子激光扫描步进投影光刻机由光刻物镜、掩模—硅片同步扫描系统、掩模—硅片同轴对准系统、五轴激光工件台定位系统、逐场调平调焦系统、高均匀高强
度深紫外照明系统(含波前工程技术)、硅片自动传输及硅片预对准系统、掩模传输及掩模预对准系统、整机机架及减振系统等组成。
3.2 关键单元技术
3.2.1 光刻物镜
光学投影式光刻的光刻分辨力R＝k1λ／NA，提高光刻分辨力可以通过进一步增大物镜数值孔径、缩短曝光波长及减小工艺系数k1来实现。要实现0.1μm的光刻分辨力，ø300 mm圆片的生产和生产率进一步提高的要求，如果采用193nm的曝光波长，物镜的数值孔径应达到0.75，曝光面积最好能大于26 mm×33 mm。对于193nm的波长，光刻物镜要实现这样大的数值孔径和曝光面积，一次成像分步曝光基本没有可能，即使可能其高昂的代价(成本、技术难度)也是无法忍受的，所以必须采用一维甚至二维硅片—掩模同步扫描技术。同时要实现工艺系数k1小于0.4，必须采用相移掩模、离轴照明等分辨力增强技术。
光刻物镜和同轴对准系统必须采用集成化设计，对准系统的小反射镜、空间滤波器等必须放置在光刻物镜内，整个物镜同时也是对准系统的一部分。物镜内还应设置可调光阑，以保证数值孔径可变，对光刻物镜还应进行恒温和恒气压控制。
3.2.2 掩模—硅片同轴对准技术
同轴对准系统主要功能是在套刻曝光前捕捉对准过零点，即测出硅片在机器坐标系中的坐标(x、y、øz)，掩模在机器坐标系中的坐标(x、y、øz)，并测出掩模相对于硅片的位置值，以便实现套刻。
3.2.3 五轴精密激光定位硅片工件台技术
硅片工件台功能主要有：实现掩模—硅片同步扫描、步进曝光、对准扫描、协助硅片上下片等。
3.2.4 掩模—硅片同步扫描技术
主要功能是用于增大曝光面积。包括一维x掩模扫描运动和短行程一维x硅片扫描运动。
3.2.5 高均匀高强度深紫外照明技术
其主要功能是：实现对激光扩束、高均匀高强度照明、改变部分相干因子σ等。更重要的是实施减小工艺因子k2的波前工程技术，如环形照明等。
3.2.6 逐场调平调焦技术
按照DOF＝k2λ／NA2，考虑到采用波前工程技术，k2取0.7，焦深也仅只有0.36 μm，必须采用逐场调平技术，所谓逐场调平技术(fieldbyfield leveling)是针对每一个曝光场进行调平调焦，其调平是针对曝光场局部小区域的倾斜，调焦是针对整个曝光场内多个点进行平均调焦，这样必将大大提高调平调焦精度，从而能有效利用有限焦深。逐场调平调焦技术是能否实现0.1μm光刻分辨力的一项相当关键的技术。
3.3 一般技术单元系统
包括硅片自动传输及机械预对准系统，光学硅片预对准系统，掩模库、掩模传输及掩模预对准系统，整机机架及减振系统。这些技术单元虽然精度要求相对低些，但自动化程度要求非常高，同时要求高效率、高可靠性，难度也非常大，并且工作量巨大。
4 结束语
微电子技术在20世纪取得了辉煌的成就，随着信息高速公路的实现，信息技术革命在21世纪必然会掀起新的高潮，因此处于基础地位的微电子加工设备必须快速发展，以适应人类信息社会的要求。目前微电子器件大生产的特征线宽正处于0.18 μm阶段，其主流光刻设备是248 nm(KrF)光刻设备。而随着技术的发展，三四年之后0.1μm线宽器件将成为主角。193nm(ArF)光刻设备由于具有其它光刻技术所无法比拟的种种优势，必将成为0.1μm技术段的主流曝光技术。我国也应该在这方面加强人力、物力、财力的投入，瞄准未来先进技术，开展高新光刻设备的研究，以期在未来的竞争中抢得先机。
参考文献
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作者单位：中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209
9/20/2005
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