一文看懂光刻胶技术发展史

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浸没光刻;在与浸没光刻相对的干法光刻中,光刻透镜与光刻胶之间是空气。光刻胶直接吸收光源发出的紫外辐射并发生光化学反应。在浸没光刻中,光刻镜头与光刻胶之间是特定液体。这些液体可以是纯水也可以是别的化合物液体。光刻光源发出的辐射经过这些液体的时候发生了折射,波长变短。这样,在不改变光源的前提条件下,更短波长的紫外光被投影光刻胶上,提高了光刻加工的分辨率。下图左展示了一个典型的浸没光刻系统。

( 典型的浸没光刻系统)

双重光刻;双重光刻的意思是通过两次光刻使得加工分辨率翻倍。实现这个目的的一种方法是在第一次光刻过后平移同一个光罩进行第二次光刻,以提高加工分辨率。下图右展示了这样一个过程。下图右中双重光刻子进行了两次涂胶,两次光刻和两次刻蚀。随着光刻胶技术的进步,仅需要一次涂胶,两次光刻和一次刻蚀的双重光刻工艺也成为可能。

( 双重光刻使加工分辨率翻倍)

浸没光刻和双重光刻技术在不改变 193nm波长ArF光刻光源的前提下,将加工分辨率推向10nm的数量级。与此同时,这两项技术对光刻胶也提出了新的要求。在浸没工艺中;光刻胶首先不能与浸没液体发生化学反应或浸出扩散,损伤光刻胶自身和光刻镜头;其次,光刻胶的折射率必须大于透镜,液体和顶部涂层。因此光刻胶中主体树脂的折射率一般要求达到1.9以上;接着,光刻胶不能在浸没液体的浸泡下和后续的烘烤过程中发生形变,影响加工精度;最后,当浸没工艺目标分辨率接近10nm时,将对于光刻胶多个性能指标的权衡都提出了更加苛刻的挑战。浸没 ArF 光刻胶制备难度大于干性 ArF 光刻胶,是 ArF光刻加工分辨率突破 45nm 的关键之一。

在双重曝光工艺中,若光刻胶可以接受多次光刻曝光而不在光罩遮挡的区域发生光化学反应,就可以节省一次刻蚀,一次涂胶和一次光刻胶清洗流程。下图左展示了一次不合格的双重曝光过程。由于在非曝光区域光刻胶仍然会接受到相对少量的光刻辐射,在两次曝光过程后,非曝光区域接受到的辐射有可能超过光刻胶的曝光阈值E0,而发生错误的光刻反应。在下图右中,非曝光区域的光刻胶在两次曝光后接受到的辐射能量仍然小于其曝光阈值E0,因此下图右是一次合格的双重曝光。从这个例子可以看出,与单次曝光不同,双重曝光要求光刻胶的曝光阈值和光刻光源的照射强度之间的权衡。

EUV(极紫外光)光刻技术是20年来光刻领域的最新进展。由于目前可供利用的光学材料无法很好支持波长13nm以下的辐射的反射和透射,因此 EUV 光刻技术使用波长为13.5nm的紫外光作为光刻光源。EUV(极紫外光)光刻技术将半导体制程技术在10nm以下的区域继续推进。在 EUV 光刻工艺的 13.5nm 波长尺度上,量子的不确定性效应开始显现,为相应光源,光罩和光刻胶的设计和使用带来了前所未有的挑战。目前 EUV 光刻机只有荷兰 ASML 有能力制造,许多相应的技术细节尚不为外界所知。

在即将到来的 EUV 光刻时代,业界预期已经流行长达 20 年之久的 KrF、ArF 光刻胶技术或将迎来全面技术变革。

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