无掩模光刻降低成本的下一代光刻技术.pdf

无掩模光刻 : 降低成本的下一代光刻技术据国际市场调研公司VLSI 报道，尽管浸入式光刻技术似乎为全球半导体工艺路线图又打开了一扇明亮的窗，但是昂贵的价格，又让人望而生畏据估计一台浸入式光刻机的价格在0.2 ～0.3 亿美元以上， 而一架波音 737 的飞机价格也仅为 0.23 亿美元因此一个显而易见的问题，有多少客户能买得起除了昂贵的价格之外，如果真要建一个能满足下一代技术45 nm/Φ300 mm芯片厂，估计要投资30-35 亿美元其实，不仅浸入式光刻具有成本高的缺点，如今，随着器件特征尺寸的继续缩小，器件的开发成本都越来越高，已经到了阻碍新品继续开发的地步尤其在进入纳米尺度之后， 采用光刻掩模已成为各种光刻技术方法中一项可决定其应用前景的关键技术，但同时，掩模成本在整个光刻成本中可占份额也不断攀升掩模的价格，也是呈直线上升态势， 平均的价格如 180nm的掩模，每套为 26 万美元， 130 nm为 87 万美元， 90 nm为 150 万美元， 65nm为 300万美元， 45 nm 为 600 万美元下表给出光刻尺寸在100 nm 以下各种光刻掩模成本的比较，由于掩模版价格日益高涨，全球掩模版厂商竞争更加激烈，2004年整个掩模行业艰难前行。

2004 年 10 月同本凸版印刷（ Toppan Printing）同意收购美围杜邦光掩模（Dupont photomasker ），收购价近 65 亿美元表：光刻尺寸≤ 100nm的各种光刻掩模成本光学光刻技术下一代光刻（ NGL ）技术193nm ArF光刻157 F2光刻XRL SCALPEL EUVL 掩模工厂建设费（亿美元）/ 亿元3.15 3.20 2.20 1.87 2.16 ( 来源：“无掩模光刻技术的前景”，电子工业专用设备，2005 （8）1-3) 因此，开发无掩模的电子束直接在硅片上的光刻技术成为潮流全球业界已经进行了至少 10 年以上的努力，但成效甚微一个主要原因，速度太慢，不能适用于工业化量产 2005 年 1 月国际半导体联盟International Sematech主办全球无掩模大会（ Maskless Meeting），会上光刻专家讨论了无掩模光刻技术的前景， 推出了众多的无掩模光刻工具无掩模光刻工具是基于电子束光刻技术，关键是要解决电子束光刻技术生产效率低下的缺点目前业界对无掩模光刻技术的普遍看法是：它是降低光掩模不断飞升的一个潜在解决方案， 是一种有前途的光刻候选技术。

但是近期它可能只是一个细分的光刻技术，不能替代主流的光刻技术，如浸入式光刻和EUVL （极紫外光刻）无掩模光刻技术生产公司和设备情况IMS nanofabrication在全球无掩模光刻年会上，奥地利的IMS nanofabrication公司透露了一项用 400万电子束可在现场进行可编程掩模的无掩模光刻装置，将来可进行45 nm及以下器件的制造在年会上， IMS提交了取名为 PLM-2的多电子束无掩模光刻技术的论文，2003 年 2 月 IMS及 Leica 曾首次披露过此项技术 IMS表示，新的设备是由Leica 及 IMS多年来在多电子束方面的共同研发基础上有了新的突破此次新的设备是基于Leica 名为 SB350DW 直接写入电子束曝光装置的平台，与以前单电子束的SB350DW 不同的是， 新装置采用了在单柱体内可以提供掩模价格（亿美元） /万元4.3 6.3 3.5 2.7 6.0 400 万条能够被分开的电子束装置由一个100keV的单电子束聚光镜及扫描硅片基台组成，技术的关键在于镜头的孔径板，它的功能像一个可编程掩模，能据需要变化，能随机开与闭机器自带了一个集成的180 nm CMOS 器件，孔径板像许多紧挨小孔的马赛克一样，当光源到达板时， 成千上万的电子束径能被分开，并形成图形投射在硅片表面。

IMS透露新的装置其缩小倍率为200倍，其 5 keV 的电子枪能提供1 mm的束径机器的套准精度为20 nm及分辨率为 perpixel时 180 nm 据称，2006年 IMS能提供 alpha 样机， 2008 年方可提供生产的机型该公司还在联合研究不同于 SB350DW 下一代新型电子束工具Multibeam System初创公司 Multibeam System 在大会上推出了多电子束技术，面向无掩模光刻应用它是一种基于所谓静电可扩展光学（Electrostatic scalable optics ）的技术该公司利用l0 条电子束光柱开发出一种用于无掩模光刻的工具，极大地提高了生产效率，它特别适用于ASIC设计和芯片代工厂，预计2007 年上市，售价 1500 万美元Novelx Novelx 公司是一家在美国仅成立3年的公司，它发明了一种在电子束无掩模光刻中使用的单元模块技术该技术是一种采用MEMS 方法制造的单元模块集成电子束阵列，或者称之为“模块化的无掩模光刻技术”公司采用MEMS 加上 RF陶瓷技术自行制造单元阵列每个模块由4 个阵列组成，也即1×4 结构包括由 4 个 TF发射器，一组集成镜头及其它部件。

实际上，每个模块支持一个1 keV电子束柱，成为一个单一的子系统从理论上仅需要12×12 的阵列就能够组成一台多束的电子束无掩模光刻装置现在 Novelx 公司计划作为 OEM 出售单元模块，客户可根据各种不同的需要，来配置系统目前已能做到每小时1～5 片Φ300 mm硅片的光刻需求Novelx 公司的总裁 Lawrence Muray 表示，公司没有计划出售整套无掩模光刻系统，而更倾向于仅提供单元模块技术Novelx 也己与美国 DARPA 签订合同，并得到基金支持公司正在开发基于上述技术的一种扫描电子显微镜，不过主攻方向还是无掩模光刻技术E Beam公司全球第一台无掩摸光刻设备由日本E beam公司研制成功在2002 年，日本东芝公司和另外3 家公司—— TEL、EBara及 Dai NipponScreen ——合资成立了 E-Beam公司该公司采用低能电子束技术，其产品将可以适用于65 nm器件的制造在2004 年由 Sematech支持的全球无掩模光刻技术年会上，E Beam透露己经研制成功低能电子束直接在硅片上的光刻系统，可以称之为准无掩模（Quasi maskless）应用。

E Beam的第一台样机己于 2004 年 7 月发给一个不愿透露姓名的客户，第二台将发往TEL的客户作进一步的系统验证按 E Beam的资料，系统仍处在研发及验证阶段该系统采用可变矩形束加上矢量扫描投影技术来达到更高的速度应用目前该系统采用5 keV的低能电子束，已能达到生产 Φ200 mm硅片每小时 2 片(对于所有种类的光刻层 ) 而真正的目标应为10片/h 当采用 1∶1 的镜头时，系统的分辨率可达100 nm 电子束的束径为 5μm2 ，束流为 1A/cm2，套刻精度为± 28 nm 系统采用一对英特尔的 2.8 GHz 的 Xeon处理器和 Linux 操作系统作为数据的转换系统而数据转换单元总的存储容量为8 GB截止目前， EBeam 仅得到了 2800 万美元的基金支持朗讯贝尔实验室2004年 9 月，朗讯贝尔实验室被美国国防部高级研究计划局（DARPA ）选中，开发无掩模光刻技术，并将这种技术用于设计、开发并演示基于MEMS的空间光调制器（ SLM ）这项合同任务来自圣地亚哥空军海军战争系统中心(Space and Naval warfare Systems Center San Diego)，投资 950 万美元，合同期为 4 年。

目前贝尔实验室正在与Coming Trople 、杜邦掩模、 Lincoln实验室合作，并与 ASML 保持密切联系贝尔实验室所开发的MEMS SLM 技术包含独立性高l0 倍的可移动微镜，这意味着下一代微电子加工中光掩模蚀刻系统特征尺寸可能缩小至 50 nmASML2004 年 ASML 与贝尔实验室联合研发无掩模光刻技术方面有所突破，这对ASIC生产和小批量的芯片代工厂来说，为甩开掩模版、降低光刻成本迎来了曙光无掩模光刻专利情况从无掩模光刻技术专利看，申请“大户”为荷兰ASML 公司从光刻的光学系统到方法及调制，它共有13 项专利在美国、日本、中国等国家申请2004 年 5 月 28 日，ASML 在中国申请了 “使用空间光调制器阵列的无掩模光刻系统和方法”的中国专利（CN1573561 ）该系统可包括照明系统，目标物，空间光调制器（ SLM ）和控制器从专利权项分析，在目标物接收光之前，SLM可使来自照明系统的光形成图案SLM可包括前组 SLM和后组 SLM 前和后组中的 SLM根据目标物的扫描方向而改变控制器可根据光脉冲期间信息，有关 SLM 物理布局信息，和目标物扫描速度其中至少之一，来发送控制信号。

通过使用多种方法，该系统还可校正剂量的非均匀性此外， ELM TECHNOLOGY CORP于 2004年 1 月 27 日申请的美国专利US2005130351 介绍了一种新的无掩模光刻方法通用型制造IC 方法，是在柔韧膜上形成非常薄的低应力双电材料，例如二氧化硅或氮化硅和半导体层半导体层最初形成标准厚度， 然后被蚀刻和抛光 另一种方法则是将柔韧膜相互连接形成多层，多模连接，封装在多芯模件中此方法可用于平板显示器、无掩模光刻、 3D IC 制造等多方面从无掩模光刻专利年份看， 基本都为 2000年之后公开， 特别是 2003 年之后，相关专利数量增长较多， 也从另一个方面反映了无掩模光刻是近期的研发热点同时，作为ITRS下一代光刻的研究技术之一，其未来仍然值得期待无掩模光刻当前发展遇到的问题在 2005年 1 月的全球无掩模光刻技术大会上，业界认为，虽然目前无掩模光刻工具已问世，但总体产出率仍低下目前基于光学无掩膜板 (O-ML2)和带电粒子无掩膜板 (CP-ML2) 的无掩模光刻技术还面临着几个重大的技术挑战，如电子束较正、 芯片上的像素验证和检查；与光刻工艺的兼容性；影响特征尺寸覆盖的重合误差等。

对于电荷微粒无掩模存在的特殊问题有：电子束与产出率的可延展性、电子束稳定性 / 可靠性、电子束源稳定性/ 腐蚀剂精确度 / 射入噪声等对于光掩模存在的问题有：激光要求、分辨率可延展性、调制器等总之，无掩模光刻技术还是一种新颖的光刻技术，有待解决的技术问题还很多但其较低的成本也将使其在未来继续受到关注。