一文了解光刻机成像系统及光学镀膜技术

高端光刻机研发是一个系统工程，涉及到各方面技术的持续改进和突破，在材料科学方面涉及低吸收损耗石英材料、高纯度薄膜材料的开发，在精密光学领域涉及精密光学加工技术、镀膜技术、光学集成装配技术等，在精密机械方面涉及到纳米精度的位移控制技术等，这些技术发展中涉及的加工和检测设备也都是各时代最尖端的设备，因此高精度光刻机也被称为“人类历史上最精密”的机器之一。  

光刻机发展历程

半导体集成电路制造的工艺流程由美国著名半导体厂商仙童公司开发的台面晶体管制备方法确立：整个过程按照需要在硅基片上制作的结构制作掩模板，然后用照相制版的方法，将结构缩小并显影在硅片表面，实现器件结构从掩模板到硅片的转移(光刻)。   成像系统的分辨率是制约光刻机能够实现的半导体器件最小尺寸的关键，随着半导体集成电路的发展，半导体器件的尺寸越来约小，有限尺度的硅片面上容纳的器件数目越来越多，对光刻机镜头分辨能力的要求也持续提高。  

光刻机分辨率的持续提高，是推动半导体集成电路的发展按照摩尔定律发展的关键，因此研发更高分辨率的光刻机，成为各光刻机供应商持续的追求。光刻机分辨率和工作波长和系统的数值孔径确定：

其中k1为工艺因子，λ为曝光波长，NA为物镜的数值孔径。根据公式，降低光刻机的曝光波长是提高光刻机分辨率的重要方法。

到目前为止，根据光刻机的曝光波长，光刻机共经历了5代产品。其中第一代和第二代光刻机分别采用汞灯产生的436nm g线和365nm i线作为光刻光源，可满足0.8µm 到0.35µm制程的芯片生产。这两代光刻机普遍采用接触/接近式曝光方式，结构简单，售价便宜。

第三至第五代光刻机采用投影式光刻技术，通过投影成像方法将掩膜板上的电路图按比例精确缩小成像到硅片上。

投影光刻机通常采用4:1或5:1的缩小成像方式曝光，其分辨率和镜头的数值孔径和波长相关。

第5代光刻机采用EUV光作为光源，光刻机单台售价高达1亿美元。

193nm干式光刻机的制程达到65nm，采用浸没式光刻方法，用高折射率液体H2O代替空气作为出射介质，193nm光刻机的制程可以提高到22 nm，因此193nm光刻机在目前和未来相当长的时间内，都将是高端IC加工的核心设备。  

193nm光刻机的核心结构如图所示，其中包含的照明模式设置系统和投影成像系统分别包含20多个光学透镜，增透膜的性能严重影响光刻机光学系统的整体透过率，例如假设每个表面的光反射和吸收损耗是0.5%，则系统由镜面反射和薄膜吸收导致的光能量损耗可达40%，因此提高光刻机镜头增透膜的性能是高精度光刻机研发过程中的一个关键技术。然而相对于常规的成像系统，193nm光刻机镀膜包含一些独特的技术难点。  

成像光学系统采用大量的球面光学元件调整光束的传播方向。随着系统对成像质量的要求越来越高，光在元件表面的反射会产生大量的杂散光，显著降低成像质量，因此在镜片表面镀制各种性能的光学薄膜成为保证高精度成像系统性能的一条技术途径。      

光学镀膜技术与分类

物理气相沉积、化学气相沉积和液相沉积这三大类方法是目前主要的薄膜制备方法，每种类型制备方式中又可细分。

物理气相沉积是在真空条件下采用物理方法将材料气化成气态原子或分子，然后在基底表面沉积的薄膜的技术。

化学气相沉积是在高温环境下利用基板表面的的化学反应制备薄膜，主要应用于半导体集成电子技术，如在硅基板上外延沉积集成电路中的介电膜。

液相沉积是利用溶液化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，不需要真空环境，设备简单，其应用涉及电子元件、表面涂敷和装饰等。

光学薄膜主要采用物理气相淀积法制备，目前经常采用的有热蒸发、溅射和离子镀等方法。

热蒸发是物理气相沉积镀膜中最早发展起来的，并得到广泛应用。

热蒸发是在真空状态下进行的，在真空室内，当膜料被加热时，其原子就会从表面逸出，然后在基底上凝结形成薄膜，这就是热蒸发的简单过程。

常用的热蒸发方式有电阻蒸发、电子束蒸发以及离子束辅助蒸发。

对于金、银、铝等低熔点金属、硫化锌、硒化锌等硫硒化物、氟化镁、氟化镱等氟化物的蒸发一般采用电阻热蒸发方法，原因是这些材料的熔点低，容易蒸发。在选择蒸发源材料时候，需要考虑其与薄膜材料的湿润性、是否与薄膜材料产生化学反应。对于氧化硅等氧化物、钨等难熔金属等的蒸发一般采用电子束蒸发方式。电子束直接轰击膜料，其能量密度高(可达10E9 W/cm2)，是蒸发难熔金属和高熔点介质材料的比较好的方式。   离子束辅助沉积(IAD)是一种辅助沉积方法，在采用电阻蒸发或者电子束蒸发膜料的过程中，离子源产生荷能离子，沉积粒子通过与这些荷能离子进行碰撞获得较大的动能，从而改变薄膜生长的过程。

运用离子束辅助沉积技术可改进光学薄膜的性质、改善薄膜的结晶性、方向性、附着强度、薄膜的致密性和表面形貌等。

磁控溅射镀膜技术

磁控溅射镀膜是利用荷能离子轰击靶材表面使靶材原子获得反冲动能而脱离靶材表面并最终沉积在衬底表面的一种真空镀膜技术。磁控溅射的工作原理如图所示。在磁控阴极靶头上施加负偏压从而使溅射气体被击穿而发生辉光放电。在放电过程中所产生的溅射气体离子（一般为Ar 离子）在阴极靶表面等离子体鞘层中的高能电场作用下加速轰击靶材表面。高能溅射气体离子对靶面的轰击一方面导致一部分靶材表面原子获得反冲能量而脱离靶面成为溅射原子并最终沉积在衬底表面；另一方面导致二次电子从靶材表面发射并在阴极靶面鞘层作用下加速进入辉光放电等离子体区。进入等离子体区的二次电子在靶面磁场的束缚作用下运动，并与溅射气体原子发生碰撞而使其电离，因此二次电子是磁控放电得以自持的重要能量来源。

靶材表面磁场对二次电子的束缚作用显著提高了靶面附近等离子体浓度，从而有效解决了普通二极溅射沉积速率低的问题。因此，电子在靶面磁场的束缚作用下的运动过程是理解磁控溅射原理的关键。下图展示了磁控溅射靶面附近的电场和磁场的分布情况。

参考文献：(1)柳存定 球面光学元件表面193nm增透膜光谱均匀性优化技术研究[D]. (2)朱国 磁控溅射镀膜相关物理过程的多尺度模拟与实验研究[D]. (3)张殷华 低吸收红外薄膜制备及其环境稳定性可靠性研究[D]. (4)孔明东 低吸收氧化物光学薄膜研究[D]. (5)王大伟 金属及合金的电子束蒸发特性的研究_[D]. (6)尚红波 浸没光刻投影物镜光学设计与像差补偿研究[D]. (7)芮大为 光刻照明系统光学设计与补偿策略研究[D]. (8)许伟才 投影光刻物镜的光学设计与像质补偿[D].  END  转载内容仅代表作者观点 不代表中国科学院半导体所立场