光刻技术

光刻技术（精选9篇）

光刻技术 篇1

摘要：本文介绍了电子束光刻技术的基本原理及发展情况, 对电子束光刻技术在现代高技术产业中的重要作用进行了论述, 并对比其他微细加工技术, 提出要大力发展我国的电子束光刻技术与设备。

关键词：微电子技术,电子束,光刻,前途

光刻是现代集成电路制造的基础工艺技术, 也是最关键、最核心的加工技术。它就像洗相片一样, 将电路图形投影到底片 (硅芯片) 上, 然后刻蚀加工出电路、元器件。制造一片集成电路, 要经过200~300多道工序, 其中要经过多次光刻, 占用总加工时间的40%~50%, 光刻工艺的水准直接决定了一国电子技术的水平。

现代微电子技术的发展基本遵循摩尔定律, 也就是说:每18个月左右, 集成电路元器件的特征尺寸要缩小1/2, 集成密度要增加一倍。西方发达国家把微电子技术作为一项战略产业, 对发展中国家严格实行技术封锁限制。像美国国会就规定, 卖给中国的集成电路关键加工设备要比美国的水平低2代。今天, INTEL (英特尔) 公司已经可以投产元器件尺寸为10 nm左右的集成电路, 而我国相应的水平只有40 nm, 加工水平相差2代 (即20 nm、10 nm) 。

我国已经在过去数个五年计划中将微电子技术列为高技术重点工程, 在一些方面取得了一定进展。这其中光刻加工设备一直是重点中的重点。目前, 国际上采用的主流工艺是光学光刻。光学光刻的光源从波长较长的红外线一直发展到了今天的紫外线, 但是光学光刻正在日益接近其物理极限, 也就是说再往小的加工, 就会遇到原理性的障碍, 而无法进行下去。各工业强国都在加紧开发下一代光刻工艺, 主要的技术方法有:x射线光刻、深紫外线投影光刻、电子束光刻、离子束光刻等。在各种方案中, 电子束光刻以其特有的魅力, 成为大有前途的下一代加工技术。

所谓电子束光刻, 就是用电子源发出电子束, 经过掩膜和电子透镜, 将图案投射到硅片上, 从而形成电子线路的工艺技术。电子束加工技术是近30年来发展起来的一门新兴技术, 它集电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代高新技术于一体, 是推动微电子技术和微细加工技术进一步发展的关键技术之一, 因而已经成为一个国家整体技术水平的象征。电子束曝光技术广泛地应用于高精度掩膜、新一代集成电路研制及新器件、新结构的研究与加工等方面。目前, 世界各国都投入了大量人力、物力、财力进行电子束微细加工技术研究。20世纪90年代以来, 美、日的一些研究部门采用电子束曝光技术, 已经制造出高精度纳米级掩膜和器件。电子束光刻也是研究新一代量子器件的有力工具。

电子束光刻中使用的曝光机一般有两种类型:直写式与投影式。直写式就是直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的芯片上, 不需要光学光刻工艺中最昂贵和制备费时的掩膜;投影式则是通过高精度的透镜系统将电子束通过掩膜图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上。一般直写式曝光机主要使用的是热场发射源 (表面镀Zr O的钨金属针尖) , 工作温度在1800K, 和冷场发射源相比可以有效地防止针尖的污染并提供稳定的光源。电子源发射出来的电子束的聚焦和偏转是在镜筒中完成的。镜筒通常包含有光阑、电子透镜、挡板、像散校正器和法拉第电流测量筒等装置。光阑的作用主要是设定电子束的会聚角和电子束电流。电子透镜的作用是通过静电力或是磁力改变电子束的运动。电子透镜类似光学透镜, 也存在球差和色差 (当外圈电子会聚比内圈电子强时就形成了球差, 而当能量有微小差异的电子聚焦在不同平面上时就形成了色差) , 从而限制了束斑的大小和会聚角的范围。像散校正器可以补偿不同方位角电子束的像差。挡板的作用是开启或关闭电子束。结合刻蚀和沉积工艺, 利用直写式曝光技术可以制备20 nm甚至更细的图形, 最小尺寸达10 nm的原理型纳米电子器件也已经制备出来。由于直写式曝光技术所具有的超高分辨率, 无需昂贵的投影光学系统和费时的掩膜制备过程, 它在微纳加工方面有着巨大的优势。但由于直写式的曝光过程是将电子束斑在表面逐点扫描, 每一个图形的像素点上需要停留一定的时间, 这限制了图形曝光的速度。直写式电子束光刻在产能上的瓶颈使得它在微电子工业中一般只作为一种辅助技术而存在, 主要应用于掩膜制备、原型化、小批量器件的制备和研发。但直写式电子束曝光系统在纳米物性测量、原型量子器件和纳米器件的制备等科研应用方面已显示出重要的作用。

投影式曝光机是指将大束的电子束, 照射到掩膜上, 然后通过掩膜上的图案缝隙, 将图案投影到芯片上。这种方法和当前的光学光刻技术是相同的。由于电子束不像光那样有光学的衍射效应, 因此可以将图案做的很小, 大大提高集成度。

这两种方法各有其优缺点, 用直写式加工方法, 电子束直接在芯片上扫描, 形成图案, 优点是省却了制作复杂、价格昂贵的掩膜, 缺点是电子束能量太小, 因而要在一个点上投射很长时间, 这就限制了加工速度, 使其不能在大规模生产中应用。而用投影式曝光加工方法, 需要制备昂贵的掩膜, 而且由于电子能量太小, 打到任何物质上都会发生反射、散射等情况, 这使得成像效果大打折扣。

然而, 这些问题都不能掩盖电子束加工技术的未来希望。例如:台湾第一大集成电路代工厂——台积电, 已经开发出了一种直写式电子束加工设备, 它用几千个电子束形成扫描阵列, 大大加快了扫描速度。美国的麻省理工学院最近开发出了新的投影式电子束加工设备, 用新开发的光刻胶, 并把它更薄地涂覆在硅片上, 从而减低了电子束的散射所带来的邻近效应, 大大加快了生产速度。

虽然上述技术上的进展并不能立即使电子束光刻技术取代光学光刻, 但正如一位哲人说过:只有登上山顶, 才能看到那边的风光!中国的半导体微细加工制造业要迎头赶上世界先进水平, 就要发挥后发优势, 正确把握技术发展的方向, 做到后发而先至。电子束光刻加工技术正是未来大有希望的发展方向。

光刻技术 篇2

引言：从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着强劲的发展态势，继续遵循 Moore 定律即芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的挑战。

集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。目前大部分芯片制造工艺采yong了 248nm 和 193nm 光刻技术。目前对于 13.5nm 波长的 EUV 极端远紫外光刻技术研究也在提速前进。

关键词：干涉，衍射，光刻。

光刻工艺的种类很多，我们以时间为线索，逐个展开如下：

1. 以Photons为光源的光刻技术

在光刻技术的研究和开发中，以光子为基础的光刻技术种类很多，但产业化前景较好的主要是紫外(UV)光刻技术、深紫外(DUV)光刻技术、极紫外(EUV)光刻技术和X射线(X-ray)光刻技术。不但取得了很大成就，而且是目前产业中使用最多的技术，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起到了重要作用。

紫外光刻技术是以高压和超高压汞(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧灯在近紫(350～450nm)的3条光强很强的光谱(g、h、i线)线，特别是波长为365nm的i线为光源，配合使用像离轴照明技术(OAI)、移相掩模技术(PSM)、光学接近矫正技术(OPC)等等，可为0.35～0.25μm的大生产提供成熟的技术支持和设备保障，在目前任何一家FAB中，此类设备和技术会占整个光刻技术至少50％的份额；同时，还覆盖了低端和特殊领域对光刻技术的要求。

深紫外技术是以KrF气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长(248 nm和193 nm)的激光作为光源，配合使用i线系统使用的一些成熟技术和分辨率增强技术(RET)、高折射率图形传递介质(如浸没式光刻使用折射率常数大于1的液体)等，可完全满足O.25～0.18μm和0．18μm～90 nm的生产线要求；同时，90～65 nm的大生产技术已经在开发中，如光刻的成品率问题、光刻胶的问题、光刻工艺中缺陷和颗粒的控制等，仍然在突破中；至于深紫外技术能否满足65～45 nm的大生产工艺要求，目前尚无明确的技术支持。相比之下，由于深紫外(248 nm和193 nm)激光的波长更短，对光学系统材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。

极紫外(EUV)光刻技术早期有波长10～100 nm和波长1～25 nm的软X光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触／接近式为主，目前的研发和开发主要集中在13 nm波长的系统上。极紫外系统的分辨率主要瞄准在13～16 nm的生产上。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素，极紫外(EUV)光刻技术是众多专家和公司看好的、能够满足未来16 nm生产的主要技术。但由于极紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈来愈高，产业化生产中由于掩模版的费用增加会导致生产成本的增加，进而会大大降低产品的竞争力，这是极紫外(EUV)光刻技术快速应用的主要障碍。为了降低成本，国外有的研发机构利用极紫外(EUV)光源，结合电子束无掩模版的思想，开发成功了极紫外(EUV)无掩模版光刻系统，但还没有商品化，进入生产线。

X射线光刻技术也是20世纪80年代发展非常迅速的、为满足分辨率100 nm以下要求生产的技术之一。主要分支是传统靶极X光、激光诱发等离子X光和同步辐射X光光刻技术。特别是同步辐射X光(主要是O.8 nm)作为光源的X光刻技术，光源具有功率高、亮度高、光斑小、准直性良好，通过光学系统的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力强；同时可有效消除半阴影效应(Penumbra Effect)等优越性。

2.以Particles为光源的光刻技术

以Particles为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻，特别是电子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用，目前仍然占有霸主地位，没有被取代的迹象；但电子束

光刻由于它的产能问题，一直没有在半导体生产线上发挥作用，因此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技术推进半导体生产线。特别是在近几年，取得了很大成就，产能已经提高到20片／h(φ200 mm圆片)。

电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射投影电子束光刻(SCALPEL)和扫描探针电子束光刻技术(SPL)。传统的电子束光刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热／冷场发射(FE)比六鹏化镧(LaB6)热游离(TE)发射的亮度能提高100～1000倍之多，因此，热／冷场发射是目前的主流，分辨率覆盖了100～200 nm的范围。但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻近效应等，有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题，由此产生了低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子显微镜(SEM)基本一样，将低能电子打入基底材料或者抗蚀剂，以单层或者多层L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)为抗蚀剂，分辨率可达到10 nm以下。扫描探针电子束光刻技术(SPL)是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜原理，将探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性化学作用，如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。另外一种比较有潜力的电子束光刻技术是SCALPEL，由于SCALPEL的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版(又称鼓膜)和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高(纳米级)、聚焦深度长、掩模版制作容易和产能高等优势，很多专家认为SCALPEL是光学光刻技术退出历史舞台后，半导体大生产进入纳米阶段的主流光刻技术，因此，有人称之为后光学光刻技术。

粒子束光刻发展较快的有聚焦粒子束光刻(FIB)和投影粒子束光刻，由于光学光刻的不断进步和不断满足工业生产的需要，使离子束光刻的应用已经有所扩展，如FIB技术目前主要的应用是将FIB与FE-SEM连用，扩展SEM的功能和使得SEM观察方便；另外，通过方便的注射含金属、介电质的气体进入FTB室，聚焦离子分解吸附在晶圆表面的气体，可完

成金属淀积、强化金属刻蚀、介电质淀积和强化介电质刻蚀等作用。投影粒子束光刻的优点很明显，但缺点也很明显，如无背向散射效应和邻近效应，聚焦深度长，大于l0μm，单次照射面积大，故产能高，目前可达φ200 mm硅片60片／h，可控制粒子对抗蚀剂的渗透深度，较容易制造宽高比较大的三维图形等等；但也有很多缺点，如因为空间电荷效应，使得分辨率不好，目前只达到80～65 nm，较厚的掩模版散热差，易受热变形，有些时候还需要添加冷却装置等等。

3．物理接触式光刻技术

通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发，但和光刻技术相提并论，并纳入光刻领域是产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing，其核心是纳米级模版的制作，物理接触式光刻技术中，以目前纳米压印技术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经达到了10 nm，而且图形的.均一性完全符合大生产的要求，目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物器件，预测也将是未来半导体厂商实现32 nm技术节点生产的主流技术。由于目前实际的半导体规模生产技术还处在使用光学光刻技术苦苦探索和解决65 nm工艺中的一些技术问题，而纳米压印技术近期在一些公司的研究中心工艺上取得的突破以及验证的技术优势，特别是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)为一些半导体设计和工艺研究中心提供的成套光刻系统(包括涂胶机、纳米压印光刻机和等离子蚀刻系统)取得的满意数据，使得人们觉得似乎真正找到了纳米制造技术的突破口。

4．其它光刻技术

光刻技术常见的技术方案如上所述的紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等，以广为业界的人们所熟悉。但近年来，在人们为纳米级光刻技术探索出路的同时，也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中，主要有干涉光刻技术(CIL)、激光聚焦中性原子束光刻、立体光刻技术、全息光刻技术和扫描电化学光刻技术等等。其中成像干涉光刻技术(IIL)发展最快，主要是利用通过掩模版光束的空间频率降低，可使透镜系统收集，然后再还原为原来的空间频率，照射衬底材料上的抗蚀剂，传递掩模版图形，可以解决传统光学光刻受限于投影透镜的传递质量和品质，无法收集光束的较高频率部分，使图形失真的问题。其他的光刻技术因为在技术上取得的突破甚微，距离应用相当遥远，此处不再赘述。

5.未来光刻技术的发展

随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，如上所述，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的，应用领域的不同会有所不同，但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言，实现其纳米水平产业化的光刻技术将分成两个阶段，即90～32 nm阶段将仍然由深紫外和极紫外光刻结合一些新的技术手段去完成，同时纳米压印和扫描探针光刻技术在45 nm技术节点将会介入进行过渡；32 nm以下的规模生产光刻技术将在纳米压印和扫描探针光刻技术之间选择。另外，FPD产业作为光刻技术应用的另外一个分支，在未来的占有率将会上升，除了已经形成的对光刻技术需求的共识外(大面积、低分辨率和1：1折反射投影式等)，一些新的技术也在开发中，如电子束光刻技术和激光直写光刻技术等。总之，未来光刻技术的发展将会更快，技术上将会更加集中，一些没有市场前景和应用的技术将会淘汰。

参考文献：

1. MicroLithography Secience and Technology_Second Edition_by Bruce M. Smith (2007)2. Resolution Enhancement Techniques in Optical Lithography_by Alfred Kwok-Kit Wong (2001)

3. Optical Imaging in Projection Microlithography_by Alfred Kwok-Kit Wong (2005)

4. Lithography Process Control_by Harry J. Levinson (1999)

5. Principles of Lithography_Third Edition_by Haryy J. Levinson (2010)

6. Field Guide to Optical Lithography_by Chris A. Mack (2006)7. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication_by Chris A. Mack (2008)

光刻胶与复合肥露投资良机 篇3

日前笔者参加了中金公司化工行业的投资策略主题会议，研究员方巍就2016年化工行业的发展趋势及投资机会阐述了观点。本次会议重点讨论了电子材料、复合肥及钛白粉三个行业，整体而言，2016年化工行业走势预计较为平稳，以光刻胶为代表的电子材料将迎来重大的发展机遇。与此同时，受益政策红利及估值优势，复合肥行业中龙头个股也已具备投资价值。另外，今年以来钛白粉出现涨价，加之国内房地产去库存的催化，以佰利联为代表的钛白粉龙头企业有望出现阶段性交易机会。

光刻胶：今年将进入高速发展阶段

作为电子工业最重要的附属产业之一，电子材料对电子制造工业有着重大的影响，在一定程度上决定了下游及终端产业的发展。按照用途划分，电子材料可分为芯片制造用化学品、半导体封装用化学品、印制线路板（PCB）化学品、液晶（LCD）用化学品和LED用化学品共五大类，包括了光致抗蚀剂（即光刻胶）、抛光液、电镀液、封装材料等，其中光刻胶市场是最被看好的领域之一。

数据显示，2014年全球光刻胶及辅助化学品的销售额约为65亿元美元，到2020年有望达到85亿美元，目前国内市场规模约11亿美元，占比18%。预计2020年国内光刻胶市场可提升至35亿美元，占比达到40%以上，将成为全球重要的消费基地。

不过，研究员方巍表示，光刻胶市场存在一定的技术壁垒，这一壁垒也限制了国内企业业绩的增长。具体来看，光刻胶价格主要由技术决定，这一技术又取决生产时的线宽。线宽越细，光刻分辨度越高，需要曝光的波长越小，价格也就越高。国内光刻胶企业目前线宽仅能做到0.25-0.1 5微米的区间范围，对应价格约为100W/吨，而国外企业的技术已经可以达到纳米级别，10纳米级别的光刻胶售价可达千万/吨。

技术的限制使得国产光刻胶多集中在PCB光刻胶等市场容量较小（规模约92亿元）的低端领域，而对于市场容量高达210亿元的集成电路高端市场而言，目前国内有实力生产的企业则寥寥无几，仅有北京科华、中科院化学所以及苏州瑞红等数家公司。也正因此，当前国内光刻胶市场已基本被国外企业垄断，国产产品市占率不足5%。

可喜的是，国内光刻胶厂商已有向高端领域拓展的趋势，包括上市公司南大光电收购北京科华、飞凯材料进军湿膜光刻胶市场等举措，预示着未来国产替代进口步伐正在加快。根据中国光刻胶发展路线图推算，预计到2020年国产光刻胶的市占率将达到30%以上，销售额达到10亿美元，是2014年产值的20倍。2016年先进封装正胶/负胶、TFT-LCD光刻胶、深紫外光刻胶等均将进入产业化生产阶段，今年或是国产光刻胶市场开启元年。

个股方面，中金公司重点推荐了聚焦平板显示材料的永太科技、光固化材料龙头飞凯材料以及半导体化学品平台型公司上海新阳。

复合肥：政策红利+估值优势

复合肥本身并无太多的投资热点可寻，但若从政策及估值角度出发，中金公司认为复合肥的投资机会已经来临。

从政策角度看，每年2月末三月初是中央一号文件发布的时间窗口，从过往数年公布的情况看，今年内容继续聚焦农业现代化的概率较高，农业或将再次成为市场热点之一。而作为农业的附属板块，复合肥也有望分得一杯羹。

从估值的角度看，方巍认为，板块内的龙头个股已进入价值投资的区间内。判断的理由有三个：1）三次股灾的打压使得当前A股市场的复合肥标的估值跌入历史低位水平，估值普遍处于15-20倍的范围内，如化肥规模最大的金正大，截止1月21日市盈率仅剩下17倍，而龙头企业本身就应该享有估值溢价，更何况农业现代化服务企业。2）市场曾将复合肥仅仅看做是农业的附属品，属于传统生产制造领域。但方巍却认为，复合肥应该是一种快消品。既然将其当成快消品，那么企业的成长性就应该来自渠道及品牌，估值不应该与制造企业一样低。3）行业当前正在引入新的经营模式，如销售渠道融合了电商概念，加入了大数据分析，从这点看，估值理应更高。

综合上述观点，在复合肥板块中金公司推荐的重点标的主要为金正大。

钛白粉：涨价+供给侧改革促行业回暖

中金公司看好钛白粉行业主要在于两点：一是企业集体涨价。2015年末科慕、亨斯迈等五大国际钛白粉巨头宣布，自今年1月1日起全球范围产品价格集体上调5%，约150美元200美元/吨。此后包括山东东佳、四川龙蟒等lO余家国内厂商紧随其后上调钛白粉价格，调价幅度在200-500元/吨范围内。近年来由于环保政策趋严，钛白粉行业已经了累计淘汰落后产能约40万吨，整体库存已在减少，预计钛白粉价格有二次上涨的预期。

二是国内供给侧改革推动行业加速整合。钛白粉的下游主要是房地产行业。去年政府高层提出将化解房地产库存作为今年的五大重点任务之一，预计今年房地产销售的回升将进一步带动钛白粉需求的增长。

不过，笔者认为，钛白粉行业投资依据或过于薄弱，首先，涨价仅仅是股价短期的催化剂，具有一定的投机性，并不能作为长期投资的理由；其次，钛白粉作为装修粉刷墙体的原料，并不能与房地产销售时点同步，一般而言，装修滞后于房地产销售平均约11个月，如此推断，即便今年政策执行有效，最终产业链效应传到至上游的钛白粉行业也需要一定的时间，反馈到业绩的时间较长。

光刻技术 篇4

近日, Pixelligent公司开发出一种据称可提高现有光刻设备分辨率的纳米晶材料, 使光学光刻可扩展至32nm以下。该公司于近期结束了一轮200万美元的股权融资, 所集资金将用于纳米晶材料的商业化, 据称该材料可用于光学光刻以及微电子的纳米复合涂料。

除用作光刻胶的纳米晶体之外, 该公司目前正在研制“可以协助散热并将热量排出芯片”的纳米复合芯片涂层。Pixelligent的秘笈包括针对具体用途定制的非晶硅纳米晶体的生产。通过将这一半导电纳米晶体与光刻聚合物相结合可以改良传统光刻胶, 能将集成电路的线宽做到更细。如果采用他们开发的纳米晶涂层, 能在利用现有芯片制造设备的基础上增加收益、降低材料成本和提高生产力。

此外, Pixelligent还开发出了一类采用特殊的感光漂白材料、基于半导体纳米晶体的可逆反差增强层 (R-CEL) , 据称可在超高分辨率下对晶圆进行2次成像。通过借助可逆的光漂白效应, R-CEL可实现超高分辨率, 避免了2次曝光的相互干扰, 同时, 还可在某个模式下有选择性地漂白以使光刻光线通过, 然后逆转到不透明的状态在第二个阶段模式再次漂白。

光刻技术 篇5

实现高PPI( 单位面积像素个数) 需要更细的线宽和更窄的间距,这往往受到光刻设备分辨率的限制。根据如下公式:

公式中R( Resolution) 为分辨率,DOF( Depth of Focus) 为焦深,λ为曝光波长,NA为光刻系统数值孔径,K1和K2为与光刻胶和工艺有关的常数。由公式( l) 和( 2) 可知,缩短波长或者增大NA均可提高分辨率,但却使焦深缩短。焦深是光刻中的重要因素[1]。考虑曝光基底———玻璃在机台上的不平度、光刻胶厚度不均匀性以及系统的调焦限制,应用于显示技术的光刻设备的焦深限度( 如±30μm) 比应用于半导体的光刻设备的焦深限度 ( 如±0. 5μm) 更大,小于限度值则难以实用,谈分辨率也没有意义。而且曝光波长和数值孔径都随着光刻设备的确定而确定,改变它们意味着设备升级,成本巨大,因此,以相移掩模为代表的分辨率增强技术受到青睐。

1982年IBM研究实验室的Marc D. Levenson等人[2]发表了有关相移掩模技术理论的论文,从那以后,相移掩模的研究逐渐成为热门课题,其应用也在半导体集成电路领域一步步展开。在半导体集成电路的应用慢慢成熟后,显示领域的研究应用也发展起来。

随着相移掩膜技术的发展,涌现出不同的种类,除了以相移膜代替铬膜的无 铬相移掩 膜 ( single PSM) 外,还有带铬的边缘相移掩膜( 在传统的二元铬掩膜上的适当透光区内增加一层相移膜层) 。边缘相移掩膜的制作方法有两种,一种是非自准直式,即增加对位曝光工序实现相移膜层的增加,其缺点是对位偏差造成边缘相移器宽度( Ws) 不能精确控制,另一种是自准直式,用干式刻蚀方法刻蚀相移膜层形成台阶( Steer-edge) ,解决了湿法刻蚀相移膜层形成斜坡( Taper-edge) 的问题,其工艺流程如图1所示,该工艺可以在一块掩膜板上制作自准直式边缘相移掩膜( rim PSM) 和无铬相移掩膜。[1,2,3,4]

本文首先进行了传统掩膜和single PSM及rim PSM( Ws = 0. 8μm) 的模拟对比,从理论上说明相移掩膜能增大镜像投影曝光机的工艺Margin,从而提高了光刻的分辨率。然后通过实验说明了rim PSM( Ws = 0. 8μm) 相对single PSM在产能和良率方面的优势。最后得到结论: rim PSM是较合适显示技术光刻细线化量产使用的相移掩膜技术。

1 软件模拟和结果分析

1. 1 软件介绍

Athena是美国Silvaco公司推出的一种商用的TCAD工具。TCAD就是Technology Computer Aided Design,指半导体工艺模拟以及器件模拟工具。ATHENA提供了一个易于使用、模块化的、可扩展的平台,能对所有关键制造步骤( 离子注入、扩散、刻蚀、沉积、光刻以及 氧化等) 进行快速 精确的模拟[6,7,8,9]。它有一个交互式、图形化的实时运行环境Deckbuild,在工艺仿真中作为仿真平台,既有仿真输入和编辑窗口,也有仿真输出和控制窗口。它还包括一个应用傅里叶变换方法和光衍射理论的光学模块( Optolith) 。

1. 2 模拟过程及结果分析

通过使用Athena软件的Deckbuild仿真平台画出Line /Space = 4μm/2μm等间隔线的掩膜图形,并模拟Canon镜像投影曝光机MPA-7800光学系统的参数,如下表1所示。

再利用该软件的OPTOLITH模块模拟光强分布,如图2所示。可以看出,不论是single PSM还是rim PSM,它们的光强分布比传统掩膜更密,这样的光强分布在光刻胶中可使光刻图形的衬比( 度) 增大,从而改善曝光容限( Exposure Margin,即曝光的工艺Margin) 。而single PSM在间距部分的光强值反而低于线宽部分的光强值,这有待于实验结果分析。

以上是离焦量( Defocus) 为0时的情况,由于MPA-7800的焦深保证范围为±30μm,所以我们还模拟了离焦量为15μm、30μm时通过掩膜得到的光刻间距情况,如图3所示( A、B、C分别代表离焦量为0、15μm、30μm,纵轴为光刻间距相对2μm的百分比) ,可以看出: 该间距随着离焦量的增大而减小,但相移掩膜与传统掩膜相比,其变化幅度小0. 192 ~ 0. 197μm。因此,在相同的设备焦深变化范围内,通过相移掩膜得到光刻间距的波动更小,更稳定( 3sigma小) 。而且single PSM和rim PSM差别不大。

2 光刻实验及结果分析

2. 1 实验介绍

实验采用的是5代的曝光机MPA-7800( 解像力Resolution = 4. 0μm) 及对应的Track机,条件如表2所示。由于不能在一块掩膜板上制作这三种掩膜,同时single PSM相对传统掩膜的模拟和实验结果已有文章论述[9],为了便于比较和节约成本,我们按照图1的工艺流程在一块掩膜板上制作了边缘相移器宽度Ws = 0. 8μm的边缘相移掩膜( rim PSM) 区域和无铬相移掩膜( single PSM) 区域,并在这两个区域设计了一样的多组等间隔线,仅取Line /Space= 4μm /2μm等间隔线为例来加以说明。

2. 2 实验结果分析

图3比较了通过无铬相移掩膜single PSM和边缘相移掩膜rim PSM得到的光刻间距Space DICD( Critical Demension after Photolithography) 与曝光量Exposure Dose的关系。可以看出,rim PSM和single PSM均有较好的曝光线性度,但得到同样的DICD时,rim PSM需要的曝光量稍小,因而曝光速度稍大( 10 mm/s) ,产能稍高。

图4展现了我们用Line /Space = 4μm/2μm等间隔线的不同掩膜在光刻后得到线宽/间距也为4μm /2μm时( rim PSM需曝光量50 mJ /cm2,singlePSM需曝光量44. 4 m J / cm2) ,光刻线条剖面的不同。显然,rim PSM得到的光刻线条剖面的坡度角更大( 约8°左右) ,由以前的工艺经验可知这样会有一个更好的工艺容限,另外single PSM得到的光刻线条剖面出现了Top Loss( 顶部凹陷) 的现象。这种曝光不良和profile坡度角都说明了single PSM相对rim PSM的劣势。

3 结 论

紫外光刻光源设计与分析 篇6

光栅位移传感器[1]是主要用于数控机床的长度测量工具。数字微镜[2]具有成像精确、光效率高、数字掩膜[3]等优点, 可以作为光刻系统中的核心器件。由于DMD芯片对紫外光具有较强的反射性[4], 因此设计了一种使用波长为405nm的LED进行照明的紫外光刻光源, 应用于线位移光栅刻划。

2 光路设计

紫外光刻光源主要由光路部分和机械结构部分两大部分组成。

2.1 光路部分

光路部分的设计要求为: (1) 光斑大小14mm×10mm, 且光斑均匀; (2) 发光半角小于4°。

由于发光半角要求较小, 如果LED芯片发出的光直接由光学系统出射, 光线近似于平行光, LED芯片内的金属丝线将会投影到照明面上, 严重影响照度的均匀性。因此考虑将LED发出的光通过耦合透镜耦合到光纤中, 采用光纤匀光, 再经过准直透镜, 实现小角度均匀照明, 可以提高照明均匀性。

紫外光刻光源的光路部分主要由紫外LED、耦合透镜组、快门、光纤、准直透镜等组成, 如图1所示。芯片参数:波长405nm, 光功率600mW。

快门安装在光纤和耦合透镜组之间用来控制光线的通断, 完成光刻过程中的照明和曝光。光刻开始时快门打开, LED发出的光线通过耦合透镜组后, 穿过快门进入光纤进行匀光, 匀光后经过准直透镜对DMD芯片进行照明。曝光的时候快门关闭, 光线无法对DMD芯片进行照明。

2.2 光源机械结构设计

紫外光刻光源的机械结构主要对光路部分进行支撑, 在设计光源机械结构的过程中需要考虑的注意事项有: (1) 散热设计:LED芯片长时间工作容易发热, 降低发光效率, 并且降低其使用寿命。 (2) 快门设计:快门垂直于光轴插入光路, 其外形和安装位置受制于其它零部件的尺寸、空间位置约束;快门运动时还要尽量降低振动, 减少对光路中其它部件的影响。 (3) 位置调节设计:LED芯片本身存在制造误差, 此误差会使耦合透镜组、LED芯片之间的距离与设计的理论距离值存在偏差。

如图2所示, 机械结构主要由散热器、镜头组件、准直透镜组件、快门组件、绝缘板、底板等组成。

底板作为安装基准, 各组成部分均安装在底板上。镜头组件固定在散热器上。快门组件固定在底板上, 快门由镜头组件上的C形开口插入光路, 且不与镜头组件接触。准直透镜组件安装在底板上, 与镜头组件通过光纤连接在一起。绝缘板采用聚甲醛制成, 聚甲醛材料具有机械强度高、机械加工性能强、尺寸稳定性好的特点, 并且其绝缘性可以将散热器、镜头组件与底板绝缘。光源的具体结构如图3所示。

1.散热器2.镜筒一3.导向螺钉4.差动螺母5.镜筒二6.镜筒三7.光纤8.编码器9.电机压盖10.电机11.电机座12.底板13.调节垫14.快门15.紧定螺钉16.耦合透镜组17.LED芯片18.绝缘板

作为光源的LED芯片17长时间工作容易发热, 针对此问题设计了散热器1, 并在IED芯片17和散热器1接触面之间涂导热硅胶, 使两个面紧密接触达到最好的散热效果。

快门组件由快门14、电机10、编码器8、电机压盖9、电机座11、调节垫13等组成。电机压盖9和电机座11对电机10进行夹持, 快门14固定在电机10轴上。通过修整调节垫13, 可以使快门14与镜筒三的C形切口的端面保持平行。快门14的运动由电机10、编码器8进行闭环控制。

快门的开关依靠转动运动来实现, 其产生的机械冲击较小, 因此设计的快门结构如图4所示, 将其按90°角

度间隔分成通光区域和遮光区域。工作时快门14沿同一方向转动, 在照明状态下, 快门14转到通光区域;在曝光状态下快门14转到遮光区域。

为了使快门14的尺寸和转动惯量最小, 将快门组件自下向上安装于镜头组件正下方。

LED17与镜头组件分别安装在散热器上。在装调时除了要求耦合透镜组16与LED芯片17同轴外, 同时由于LED芯片17自身存在的制造误差, 导致其与耦合透镜组16之间的空气间隔需要经过调节才能达到最佳的照明效果。

针对以上情况, 设计了具有差动螺母调节机构的镜头组件。由于快门组件自下向上安装于镜头组件正下方, 因此在调节耦合透镜组16和LED芯片17之间距离的时候应该保证耦合透镜组16只沿光轴直线移动, 而不能转动。

镜头组件由耦合透镜组16、镜筒一、导向螺钉、差动螺母、镜筒二、镜筒三、光纤7、紧定螺钉15及固定螺栓组成。镜筒一、导向螺钉3、差动螺母4、镜筒三、紧定螺钉15组成差动位移调节机构。镜筒二和镜筒三固定在一起组成镜筒, 此镜筒在导向螺钉3的限位下只能沿镜筒一的轴线移动。耦合透镜组16安装在镜筒内。差动螺母4与镜筒三之间的螺纹为M34×0.5, 差动螺母4与镜筒一间的螺纹为M44×0.75。转动差动螺母4一周, 可以使其向左移动0.75mm, 同时差动螺母4带动镜筒三向右移动0.5mm, 所以镜头组件相当于整体向右移动0.75-0.5=0.25mm, 即镜头组件向LED芯片17移动了0.25mm。如果在差动螺母4外表面上等分50格刻度, 相当于每转1格调节量为0.25÷50=0.005mm。在装配时, 先将透镜组镜头组件预装在距离理论位置±0.1mm处, 调节差动螺母机构, 以达到最佳照明效果, 最后将紧定螺钉15拧紧, 保持此位置不变。

3 结语

本文对DMD用紫外光刻光源的光路部分和机械结构部分进行了设计。提出了设计过程中的注意事项。有针对性的使用散热器和导热硅胶解决LED芯片的散热问题;设计了一种可以进行闭环角度控制的转动机械快门, 完成照明和曝光过程的切换;同时采用差动螺母机构, 调节光源达到最佳照明效果。

摘要：设计了一种应用于以数字微镜为核心器件的光刻系统中的紫外光刻光源。提出了设计过程中需要注意的散热、快门、位置调节等事项, 并针对性的对光源进行了详细设计。

关键词：紫外光刻光源,散热,快门,位置调节

参考文献

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[3]饶玉芬.无掩膜光刻系统的研究与设计[D].南昌:南昌航空大学, 2010.

光刻技术 篇7

近年来,在超精密加工领域中,对平台的运动控制精度要求越来越高,超精密控制技术也越来越受到重视。光刻机作为IC制造业的核心设备,而双工件台系统是光刻机运动控制的核心组成部分,实现定位、扫描和上下片等动能。其运动控制性能对光刻机的精度有很大的影响[1]。光刻机自转电机作为双工件台系统的一部分,其功能是实现工件台的定位以及跟踪。本文设计了运动控制卡的控制模块,利用FPGA集成度高以及编程快速灵活等特点,在FPGA芯片中定义了信号传输协议,将RS485接口接收到的数字信号传输到DSP的芯片中,并将DSP中利用算法得到的控制量以数字信号的形式传输到电机驱动上,保证了信号的完整性和准确性。DSP作为控制模块的核心,扩展了FLASH存储器用于存储程序,在实现控制算法的基础上,保证了控制系统的快速性和准确性。工件台主要通过驱动芯片2SD106AI-17设计功率放大电路来驱动自转电机,实现自转电机的抓卡机构的180度旋转。自传电机位置信号通过绝对式圆光栅测量,所得到的数字信号通过RS485接口传送给FPGA进行处理。光刻机工件台自转电机控制系统在02专项“双工件台系统样机研发”的实验中,到了设计的要求。

2 控制系统总体设计

整个控制系统由运动控制模块(运动控制卡)、接口电路模块、驱动电路模块、执行机构和传感器组成。总体设计框图如图1所示。

运动控制模块(运动控制卡)以可编程逻辑器件FP GA为硬件核心,设计底层电路模块以及定义信号传输协议;以DSP为控制模块的核心,通过串行通信接口SCI不断的接收抓卡机构(执行机构)的角度位置信息,并且通过低通滤波得到精度比较高的角速度信息;由外部中断触发中断子程序,在其内执行控制算法,实现对自转电机的控制。

驱动电路。采用芯片2SD106AI-17驱动外接大功率IGBT电路,用以驱动三相异步电机。

执行机构。采用三相异步电机作为自转电机,在永磁同步电机上安装抓卡机构,二者共同构成执行机构。三相异步电机本身结构简单,制造方便,运行性能好,并可节省各种材料,价格便宜。满足控制系统的要求。

传感器模块。采用绝对式圆光栅测量自转电机的角度变化,通过圆光栅读数头输出数字信号,在FPGA中定义信号传输协议,本文采用Bi SS-C协议,通过RS485接口接收和发送数据。

3 控制系统硬件设计

本文所用控制系统硬件包括传感器模块和驱动模块两部分,传感器模块主要设计控制系统所用的传感器,根据设计要求和性能指标,本文采用绝对式圆光栅;驱动模块主要设计三相异步电机的驱动电路。

3.1 传感器模块

本实验采用英国Renishaw公司的RESA30USA350B绝对式圆光栅,它具有精细栅距的光栅系统、具有极好的抗污染能力。绝对式圆光栅采用高精度圆光栅,在36000rad/min的超高速下可实现1nm的分辨率,并且提供了各种串行协议,本文采用Bi SS-C协议。绝对式圆光栅结构如图2所示。

绝对式圆光栅可以测量执行机构的绝对角位置,在固定圆光栅原点后,圆光栅的每一个位置绝对唯一。圆光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件,它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅固定在工件台上,并绕其一周;光栅读数头固定在抓卡机构上,二者随着抓卡机构的移动而相对移动。当安装光栅时,要严格保证标尺光栅和光栅读数头的指示光栅的平行度以及两者之间的间隙[2]。光栅读数头的光源经过光路系统变为平行光,投射在圆光栅的指示光栅和标尺光栅上。测量时,外部运动的抓卡机构旋转带动指示光栅一起旋转,而标尺光栅不动,则透过的光线可形成莫尔条纹。光敏元件检测到透射来的光信号,输出近似正弦电压信号,电压信号经过放大、整形等电路形成位置的数字信号,通过FPGA中定义的通信协议和圆光栅的分辨率转化为抓卡机构的位置的大小和运动方向。

3.2 驱动模块

2SD106AI-17是驱动IGBT专用芯片,内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路。驱动电路接收到的信号首先在IGD单元进行解码,并把解码后的PWM信号进行放大,来驱动IGBT模块,三块驱动芯片与三块IGBT模块相互连接,每个模块的1引脚与三相异步电机的三个接线端直接相连,并在编程中给PWM信号加入死区时间。本设计中用到的IGBT模块为SEMIKRON公司研发的SMK200GB128D。驱动电路的设计原理图如图3所示。

4 控制系统软件设计

控制系统用可编程逻辑器件FPGA设计硬件逻辑电路以及定义信号传输协议,本文传感器信号传输协议采用Bi SS-C协议,具有快速性和实时性等特点。控制器采用DSP TMS320C6414芯片,该芯片不仅有电机控制所需要的外设模块,还有1M的片上SRAM存储器、32位EMIF、2个32位的定时器以及200MHz的时钟,最重要的是计算速度比较快,能够适用于实时性比较高的运动控制系统中。

4.1 通信协议

Bi SS协议是由德国IC-HAUS公司开发研制的,是一种全双工同步串行总线通信协议,它在硬件上兼容工业标准SSI(同步串行接口协议)总线协议,现已经成为运动控制领域传感器通信协议的国际化标准。它满足实时、双向和高速的传感器通信[3]。

在本文中绝对式圆光栅采用C模式(单向)Bi SS串行协议,它是一种用于从光栅采集位置数据的快速同步串行接口,主接口获取时钟和数据传输速度,光栅为从接口,由两个单向差分线组成。Bi SS-C协议的数据时序如图4所示:

当空闲时,主接口使MA时钟线保持高电平,SLO线保持高电平表示光栅已经可以采集数据;当开始准备传输数据时,主接口开始在MA上传输时钟脉冲来触发圆光栅采集位置数据并发送;在MA的第二个上升沿的时刻,SLO线由高电平变为低电平,在完成“Ac K”周期后,每一个MA时钟的上升沿触发光栅发送数据的每一位;当所有数据都传完后,时钟停止,MA线置高电平;当光栅未准备进行下一个请求周期时,SLO线将置低电平,直到请求周期的到来;当光栅准备进行下一个请求周期时,它将SLO线置高电平,并通知主接口光栅已准备就绪,可以进行位置采集。

串口发送数据的状态机一共有18个状态。s0为空闲状态,等待指令发送触发信号Command Signal置1,表示读数操作命令已完成,则进入s1状态;在s1状态,等待写信号EMIFWrite信号置1,表示当前时刻读数操作已完成,可以进行数据发送操作,进入s2状态;此时确定发送数据的地址,保证数据都存在双口RAM中,则进入s3状态;此时如果数据信号RS485TXDIN不为0,当前时刻有数据可以读,则进入s4状态,如果信号RS485TXDIN无数据传送,则进入空闲状态s0,继续等待指令发送触发信号,在s4状态,时钟CLOCK出现上升沿,FPGA从双口RAM中发送起始位,发送结束后进入s5状态,之后一直到s13状态,每一个状态根据时钟CLOCK的上升沿发送一位数据,直到停止位,进入s14状态;此时判断发送的数据是否是最后一个字节数据,如果不是最后一个数据,Data Num置0,则重新进入s4状态,从下一个字节开始继续发送双口RAM中的数据,直到发送完最后一个数据,Data Num置1,进入s15状态,等待结束位发送完毕,结束数据发送,进入s16状态。状态s16,s17把双口RAM中的数据清零,之后重新进入s0状态等待下一帧的数据的到来,再从开头不断重复整个状态机过程。图5为串口发送状态机。

图6为控制系统串口的读数时序图。FPGA采用Al tera公司的EP2S60F102014N芯片,FPGA编程采用Qu artus II 11.0软件[4],从而实现串口的读写时序。串口通信的波特率为57600bps,串口读传感器的数据格式为每帧为6个字节,包含8位的报文头、26位位置数据和6位的CRC检验等。串口RS485给驱动器的数据一帧包含6个字节,每个字节10位,包括起始位、8位数据位和停止位;第一个字节为报头文0x55;第二、第三字节为位置高位和位置低位;第四、第五字节为控制量高低位;最后一个字节为CRC校验位,检验发送的数据是否正确。

4.2 算法的设计与实现

DSP是核心控制器,本文采用软件CCS3.3对软件部分进行编程,软件Code Composer Studio3.3是美国德州仪器公司(TI)为DSP设计的开发软件,适用于几乎所有的DSP芯片[5]。控制系统采用三环PID控制自转电机的位置和角速度,从内到外依次为电流环、速度环和位置环。其中,电流环是在电机驱动内,主要作用在于提高系统的快速性以及抑制电流环内部的干扰等;速度环主要是为了提高系统的带宽、增强系统抗负载扰动的能力和抑制速度波动等;位置环用来保证系统静态精度和动态特性[6]。三环PID控制系统流程图如图7所示。控制过程中对圆光栅的位置信号和速度信号进行低通滤波,提高位置的精度。

从圆光栅发送的位置数据,不断通过RS485接口实时地发出,在控制程序的通过外部中断不断接收RS485接口的数据。先判断串口数据是否正确,在正确的前提下,在中断程序中把26位数字信号转换成64位的浮点型自转电机位置数据,如果检验串口数据不正确,则舍弃这一次数据,运用上一时刻的位置数据进行当前时刻的控制计算。

外部中断子程序:通过RS485接口接收传感器数据触发外部中断,读取自转电机的位置,通过双环PID算法对自转电机进行控制。通过实验不断的调试,中断时间设定为0.2ms,此时程序算法运算完后,还有120us的剩余时间,可以再添加其他算法程序。

5 系统测试结果

给自转电机抓卡机构阶跃信号,它的响应曲线如图8所示。根据响应曲线计算得到自转电机控制系统的稳态误差为0.09度,无超调量,调整时间为0.85s,可以看出,控制系统的稳定性、准确性和快速性都达到要求。

6 结束语

本文对工件台自转电机精确定位和跟踪问题,采用Altera公司的EP2S60F102014N和TI公司的TMS320C6414芯片,定义信号传输协议,以自传电机为执行机构,设计了工件台自转电机控制系统,完成了自转电机的快速精确定位以及跟踪。通过实验验证,控制系统的各项指标都达到要求。

参考文献

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[7]徐加彦,王伟峰等.基于补偿原理的光刻机掩模台多电机控制研究[J].自动化技术与应用,2015,34(2):5-8.

光刻技术 篇8

光刻技术是半导体及相关产业发展和进步的关键技术, 传统的光刻技术有紫外光刻、电子束光刻等, 然而这些技术有着各自的缺点, 结构复杂, 依赖于光学系统进行成像, 分辨率受限于衍射极限。在过去的几十年中, 传统光刻技术发挥了重大作用;但另一方面, 随着在应用中技术问题的增多、用户对应用本身需求的提高, 寻找解决技术障碍的新方案、找到下一代可行的技术路径, 去支持产业的进步也显得非常紧迫, 大量的研发和开发资金投入到了这场竞赛中。在这场技术竞赛中, 纳米压印工艺得到人们的普遍关注, 它的分辨率已经达到了10nm, 目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物器件, 也将是未来半导体厂商实现32 nm技术节点生产的主流技术。由于纳米压印工艺在一些公司的研究中心工艺上取得的突破以及验证的技术优势, 使得人们看到了找到纳米技术突破口的可能。

1 纳米压印工艺的概况分析

纳米压印工艺的首次提出是1995年, 美国明尼苏达大学的周郁教授 (Stephen Y chou) 提出了关于纳米压印光刻工艺的首个专利申请 (US5772905A) 。随后, 纳米压印工艺获得了广泛的关注, 不断取得发展和进步。其通过物理接触方式进行图像转印和图形加工, 是一种低成本、高效率的光刻技术, 结构原理简单, 且不依赖于光学系统成像, 因而不受衍射极限的限制, 可获得较高的分辨率。

1.1 纳米压印工艺专利申请量年度分布

图1为纳米压印工艺专利申请量从1996-2012年的年度分析, 自1995年纳米压印工艺被首次提出后, 收到了人们的关注, 得到了极大的重视和发展。

图2对纳米压印光刻技术的国内专利申请量进行了年度分析, 国内与国际申请量相比有很大的差距, 且很多都是国外公司进行的中国申请, 国内申请人提出的专利申请量相较之下更少, 且经过浏览发现, 很多是高校申请, 足以见得, 在纳米压印工艺这一技术的研究上, 尚未引起国内的足够重视, 还处于小范围研究阶段, 更未获得实际产业化的推动。

1.2 纳米压印工艺专利申请的主要申请人分析

可见, 处于申请量前十的申请人都是外国公司, 其中MOLECULAR和ASML远远领先于其他公司, 同时, 纳米压印工艺的创始人周郁教授也有着61项纳米压印工艺的专利申请, 其针对该工艺进行了拓展研究, 值得重点关注。

2 纳米压印工艺的技术分支及相关重要专利

纳米压印工艺的主流技术分支有:热纳米压印技术;紫外固化纳米压印技术;微接触印刷技术。其中, 热纳米压印技术是最早提出的纳米压印技术, 通过施加压力使硬模板的图形转移到已加热到玻璃态的热塑性聚合物中;紫外压印技术是一种压印成型转移技术, 采用刚性好的透明材料作为模板, 模板与光固化的有机聚合物接触, 采用紫外光固化成型, 最终实现图案的转移;微接触印刷技术通过在PDMS模板表面形成自组装单分子层, 当模板与金属、金属氧化物或半导体表面轻接触几秒后, 单分子层转移至上述基底, 完成了图案转移。

图4对纳米压印工艺的传统技术分支的专利申请量进行了统计分析, 从图中可以发现, 在三个技术分支中, 热纳米压印和紫外固化压印处于主流发展中, 而紫外固化压印技术, 由于其主要利用UV紫外光对预聚合物进行固化, 对温度环境没有热纳米压印要求苛刻, 且成形过程中外在机械应力小, 避免了结构变形, 以及采用透明模板可方便图形对准, 由于这些优点的存在, 已经成为纳米压印工艺中处于主导发展的技术分支。

2.1 热纳米压印工艺的发展及重要专利

2.1.1 热纳米压印技术

美国明尼苏达大学的周郁教授提出了关于纳米压印光刻工艺的首个专利申请 (US5772905A) , 该专利即是采用的热纳米压印技术, 热纳米压印技术是指通过施加压力使硬模板的图形转移到已加热到玻璃态的热塑性聚合物中的压印技术, 利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻胶, 加热至光刻胶的玻璃态, 然后加压于模板并保持温度和压力一段时间, 玻璃态光刻胶填充掩膜板图形间隙, 降低温度后脱模, 从而将图形从模板转移到基板上的光刻胶。最后采用刻蚀去除残留光刻胶, 就将图形转移到基板上。

2.1.2 基于施压和加热方式改进的热纳米压印技术

上文对热纳米压印技术进行了简单介绍, 其最主要的特点是需要将光刻胶加热到玻璃化温度之上, 常产用加热板加热, 然而该加热方法会造成热量的散失, 加热和降温的过程会浪费大量的时间, 在热纳米压印技术的发展中, 很多新的加热方法被不断提出, 如台湾清华大学发表的文章 (“Ultrasonics for nanoimprint lithography”, Chien Hung Lin et.al, Proceedings of 2005 5th IEEE conference on nanotechnology, 2005) 中, 采用超声波对光刻胶进行直接加热, 缩短加热时间, 获得了良好的压印图形转移效果。

同样的, 在传统的热纳米压印技术中, 通常采用机械压力进行施压, 很容易造成受力不均, 导致图案加工效果的劣化, 很多新的施压方法被不断提出, 如周郁教授提出的公开号为WO03/099536A1的专利申请, 采用了电场或磁场一起挤压压模面, 可以不需要机械压力机也不需要密封模具和衬底之间的区域, 可实现大面积高清晰和均匀度的纳米压印;同样的, 周郁教授提出的公开号为US2004/0131718A1的专利申请, 利用流体压力进行施压, 同样取得了良好的效果, 实现了压印图案的高清晰度和均匀度。

2.2 紫外固化压印工艺的发展及重要专利

紫外固化压印技术由C G Willson教授提出, 在以其作为发明人, MOLECULAR IMPRINTS公司作为申请人的一个公开号为US2004/0112862A1的专利申请中, 涉及了紫外固化压印工艺的具体原理和操作流程, 其要求高精度掩膜板, 且要求掩膜板对紫外光是透明的, 一般采用Si O2材质作为掩膜板, 在基板上旋涂一层液态光刻胶, 光刻胶要求粘度低、对紫外光敏感, 利用较低的压力将模板压在光刻胶之上, 液态光刻胶填满模板空隙, 从模板背面用紫外光照射, 紫外光使得光刻胶固化, 脱模后用蚀刻出去残留的光刻胶, 将图案从模板转移到基板上。

相较于热纳米压印技术而言, 紫外固化压印技术不需要加热, 可以在常温下进行, 避免了热膨胀因素, 也缩短了压印时间, 且掩膜板透明, 易于实现层与层之间的对准, 然后设备较为昂贵, 对工艺和环境要求高, 且缺少加热过程, 光刻胶中气泡难以排出。在生产中, 经常对紫外固化压印技术和步进技术相结合, 形成步进快闪纳米压印技术, 采用小模板分步压印紫外固化的方式, 提高了大面积基板上压印转移的能力, 但是对位移精度和驱动精度有一定要求。

2.3 微接触印刷工艺的发展及重要专利

微接触印刷技术由哈佛大学的Whitesides G M等人提出, 该技术通常需要用链烷硫醇或其他分子如膦酸、烷基硅氧烷和异氰化物等处理已成型的PDMS表面形成自组装单分子层, 当模板与金属、金属氧化物或半导体表面轻微接触几秒钟后, 单分子层便转移到这一基底上, 该技术具有无残留膜的优点。

2.4 新型纳米压印技术的发展及重要专利

在传统纳米压印技术的基础上, 许多相似的压印技术相继衍生而出, 这些技术都是基于模板压印的概念, 能够实现纳米结构制造。且这些技术的形成很多是为了克服传统技术的缺陷, 如解决纳米压印热循环问题所提出的溶剂辅助压印技术, 为解决加热过程影响效率所提出的激光辅助直接压印技术, 为克服不连续生产工艺过程所提出的滚轴式纳米压印技术等等。其中, 以激光辅助直接压印技术和滚轴式纳米压印技术最为受到关注。

激光辅助压印技术就是用高能准分子激光透过掩膜板直接熔融基板, 在基板上形成一层熔融层, 该熔融层取代传统光刻胶, 然后将模板压入熔融层中, 待固化后脱模, 将图案从掩膜板直接转移到基板之上。因为是直接将图案转移到基板上, 不需要蚀刻过程, 也减少了曝光和蚀刻等工艺, 可以大大减少纳米压印时间, 降低生产成本。具体技术细节可参见周郁教授的公开号为的专利申请。

纳米压印技术大都是不连续的生产工艺过程, 难以进行大规模和大面积的生产, 为了进行量产, 只能采用很大的掩膜板或者需要高对准精度和自动化操作的步进紫外固化技术。大掩膜板加工困难, 且易损坏, 步进紫外固化技术工艺环节多, 控制难度大。为了克服上述难题, 滚轴式纳米压印技术出现, 其具有连续压印、产量高、成本低和系统组成简单等优点。该技术有两种实现工艺:一种是滚轴式压印技术和热纳米压印技术的结合, 将掩膜板直接制作到滚轴上, 滚轴的转动将图形连续的压入已旋涂好光刻胶的基板上;另一工艺是将滚轴式压印技术和紫外固化压印技术相结合, 紫外光固化压印技术中光刻胶本身就是液态, 可以将紫外光束很好的控制到滚轴和光刻胶分离的区域, 从而进行固化和脱模。

3 纳米压印工艺的技术挑战

尽管压印光刻在图形转移方面有着其他技术不可比拟的优势, 然而由于其工艺特点, 其存在着许多关键的技术挑战。纳米压印技术和传统的光刻技术不同, 其采用物理接触方法, 需要采用等比例的压印模板, 这就决定着, 模板分辨率决定了压印图案的分辨率, 因而, 高分辨率模板的制造是其面临的挑战之一。同时, 除了微接触印刷、激光辅助压印等技术外, 纳米压印技术都存在着脱模这一工序, 而石英和聚合物之间具有较强的粘附性, 脱模过程中聚合物的粘结会对压印质量产生重大的影响。同时, 脱模过程聚合物的粘结和压印过程中气泡的转移, 对这些转移图形的缺陷控制也是面临的一个关键的技术挑战。

4 结束语

纳米压印技术作为一种相对较新的光刻技术, 与当前主流光刻技术有着其特有的优势, 其不受曝光波长衍射极限的物理限制, 且技术简单, 设备成本较低, 以其高分辨率、高效率、低成本和工艺过程简单的特点, 引起了日益增长的关注, 本文对纳米压印技术的发展进行了专利分析, 并介绍了当前重要的几种技术分支, 对其原理、工艺、优缺点进行分析介绍。最后对纳米压印衍生出的技术挑战进行了简要综述分析。

摘要：光刻技术是半导体及其相关产业发展和进步的关键技术之一, 传统光刻技术有着各自的缺点, 结构复杂, 分辨率受限于衍射极限。随着在应用中技术问题的增多, 寻找解决技术障碍的新方案、找到下一代可行的技术路径, 备受人们的关注。在这场技术竞赛中, 纳米压印工艺得到人们的普遍关注, 它的分辨率不受限于衍射极限, 图形的均一性符合大生产的要求, 使得人们看到找到纳米技术的突破口的可能。本文统计、分析了全球纳米压印工艺的专利申请文件, 并通过相关重点专利对纳米压印工艺进行了分析介绍, 继而针对纳米压印工艺的发展所遇到的关键技术挑战进行了归纳。

微电子光刻实验净化工作台设计 篇9

为了解决以上两个问题，一种新型净化工作台被设计出来。制作完成后，实验表明，该净化工作台可以有效地阻挡有毒化学物质，减少实验人员带入工作台工作区的灰尘颗粒数量，改造成本极为低廉几乎不增加任何制造成本。

1 常用低成本净化工作台结构分析

常规的垂直层流净化工作台结构型式如图1所示。一般工作台由箱体、初效过滤器、通风机、高效过滤器和作业区等组成。室内空气在通风机的强制作用下，经初效过滤器过滤后，由风机压至高效过滤器，滤清后的洁净空气呈垂直层流状送至作业区。被送入作业区的气体，一般可以采用两种方式流出：一是通过敞开的工作面直接排放到大气中，这样实验操作人员将迎面被操作台中的气体吹到，如果气体带有毒性，将对实验人员造成伤害；二是通过操作台面下端出气，一般用抽风机来提高气体的流出效率。但是，这可能会在作业区中吸入外界空气，对作业区的洁净度产生不良影响。特别是在操作过程中，由操作人员带入的灰尘颗粒容易残留在作业区中。

2 导流分压式双正压净化工作台的设计和特点

2.1 实验需求

在高校的微电子、半导体物理实验中，光刻实验是必不可少的实验之一。光刻实验对环境的洁净度要求很高，一般高校在没有财力建设洁净室的情况下，净化工作台成为了进行光刻实验不可缺少的必要设备。一般来说光刻实验进行的步骤有：旋涂光刻胶；光刻胶的前烘；曝光；显影；后烘等步骤构成。在这些实验步骤中所涉及的化学药品较多，而这些化学药品的溶剂多为苯类物质，如果处理不当将给实验人员带来较大的伤害。同时，由于实验的步骤较多，实验人员需要频繁地从净化工作台中取、放物品，这将引入大量的灰尘影响工作时的洁净度。因此，设计一种低成本，有效阻隔有毒气体，提高工作时洁净度的净化工作台显得十分重要。

2.2 导流分压式双正压净化工作台的结构设计

基于以上的设计要求,一种新型的导流分压式双正压净化工作台结构如图2所示。设计的具体思路如下：

(1)在净化工作台的高效过滤器出风口与散流板之间增加一个导流分压区。导流分压区的结构如图3所示。导流分压区以高效过滤器出风口和散流板为上下两个面，形成一个腔体，在两面之间用一块倾斜的隔板将该腔体分为两个封闭的梯形区域，如图3中的A和B所示。

(2)作业区内气体的流出。由于实验中所使的药品易挥发出苯、二甲苯等有机溶剂，工作腔体内的气体必须从固定管道排到实验室外，这样才能减少对人体的伤害，因此，在工作台面下增加了一个抽气机达到抽走工作腔体内气体的目的。

(3)净化工作台的其他结构与现有的净化工作台相同，没有特别的改变。

2.3 导流分压式双正压净化工作台的工作原理和特点

该净化工作台最大的特点是能在作业区内形成高、低两个正压区域。这是由于导流分压区的图3A区域中，位于高效过滤器出风口的气体流入面面积大，在散流板上的气体流出面面积小。由于流出的面积小于流入的面积，出气流速将大于进气流速，这将在作业区内形成高正压。图3B区域中，气体流入面积小于流出面积，出气流速将小于进气流速，在作业区内所形成的气压较小。高正压区靠近操作人员，即对大气始终保持正压阻止大气中的灰尘进入工作腔体，又使得低正压区中的有毒气体无法越过，保护了操作人员。同时，操作人员操作时，必须通过高正压区，这就起到了类似传递窗的作用，减少了操作人员带入作业区中的灰尘颗粒。低正压区为主要工作区域，保持正压可以保证作业区的洁净度达到设计要求。通过调节隔板的角度和位置，可以轻松调节高气压区的宽度和气压。

3 实验测定结构

表1为在高正压区和低正压区所测定的风速，风机转速通过电压调节。从实验数据看，在不同的风机转速下，高低正压区中的风速差值基本保持在0.2m/s。这说明当确定了导流分压区的结构后，高、低正压区的风速差值基本与高效过滤器出口处的风速无关。

从比例关系上看，在低速时，高低气压区的气体流量比大，气体的压强差大，此时的隔离效果应最好。但是，一般净化工作台风速要求大于0.36m/s，因此选用风机电压为180V时，其洁净效果和气体隔离效果最为理想，已通过烟雾实验获得验证。

净化工作台洁净度测试均可以达到100级。噪声测定使用经校验的精密声级计。测定结果为55～60dB,A声级。

从测试结果可以看出：工作台各项性能指标均满足设计要求，达到了预期效果。说明该工作台设计合理，性能可靠，可以批量生产并在各个领域推广使用。

4 结束语

导流分压式双正压净化工作台是一种构思新颖,结构独特的新产品。它引入导流分压区的概念，简单地通过将普通净化工作台的散流板下移形成导流分压区，用一块倾斜的隔板分隔导流分压区进行导流分压，在作业区内形成了高低两个正压区，有效阻挡了作业区内有毒化学物质对人体的伤害，减少了工作时带入作业区的灰尘数量，因而该产品具有广泛的应用和发展前景。

参考文献