三星電子晶圓代工事業(yè)部在國際互連技術(shù)大會(huì)（IITC, International Interconnect Technology Conference）上發(fā)表了一篇主題為“EUV Minimum Pitch Single Patterning（EUV單圖案最小節(jié)距）”的論文。我們?yōu)榇颂貏e準(zhǔn)備了這篇博文，希望將論文內(nèi)容和EUV（極紫光外刻）技術(shù)的特點(diǎn)分享給更多人。

1. 首先來介紹光刻工藝

提起半導(dǎo)體，光刻工藝則是其中最受關(guān)注的關(guān)鍵詞之一。EUV，則是用于光刻工藝的一項(xiàng)技術(shù)。我們先來深度了解一下光刻工藝，從而更好地理解EUV。

A. 在雕刻前進(jìn)行繪制

在進(jìn)行切割或雕刻前，我們首先要做的就是繪制圖案。即提前把圖案畫好，以準(zhǔn)確地在想要的部分上切割或雕刻。光刻步驟就類似于圖案繪制的過程。半導(dǎo)體的生產(chǎn)，可以理解為堆疊和切割的重復(fù)，利用光刻工藝則可以讓我們在想要切割的位置繪制圖案。

B. 蓋印圖案

我們在日常生活中通常用筆來畫草圖，而通過光刻工藝的英文名稱Photolithography中包含的Photo（照片、圖案）這一詞綴不難看出，光刻工藝多少與照片、圖像有些淵源。如圖[1]操作所示，光刻，是通過光將圖案印在膠片上。

將想要繪制的圖案制成薄板，使用該薄板讓光或被阻隔或被透射，照射在需要的位置，顯影圖案。我們把這里使用的薄板，稱為掩膜（Mask）或光罩（Reticle）。

類似照相機(jī)原理的光刻工藝。為克服尺寸的局限性和確保精確度，薄板上的圖形應(yīng)比所需照射的圖形尺寸大，中間再通過透鏡（Lens）聚集光來縮小尺寸進(jìn)行照射。

圖[1]類似照相機(jī)原理的光刻工藝。為克服尺寸的局限性和確保精確度，薄板上的圖形應(yīng)比所需照射的圖形尺寸大，中間再通過透鏡（Lens）聚集光來縮小尺寸進(jìn)行照射。

但是，如果把光投射到紙上形成影子，影子的形狀不會(huì)自行永久留在紙上。若要像照片一樣，將照相機(jī)鏡頭照進(jìn)來的光留下，我們則需要膠片將光留影。在光刻工藝中，涂覆的光刻膠（PR, Photo Resist）便起到膠片的作用。光刻膠在光的作用下，會(huì)產(chǎn)生本身特性的變化。如圖[2]所示，將光刻膠涂覆到想要切割的物質(zhì)上后，當(dāng)光穿過掩膜照射時(shí)，受光的和未受光區(qū)域之間，光刻膠會(huì)出現(xiàn)性質(zhì)差異。利用這種差異，在光刻膠的受光或未受光區(qū)域中，根據(jù)需要保留和移除所需區(qū)域，這個(gè)過程就是顯影（Develop）。換言之，顯影的區(qū)域便是掩膜的圖案區(qū)域。這一系列過程被稱為成像（Patterning），因?yàn)檫@是將掩膜的圖案(Pattern)顯影在想要切割的物質(zhì)上的過程。

圖[2]光刻膠有兩種。留下未受光部分，并保留與掩膜遮擋部分相同的形狀時(shí)稱為正膠（Positive PR）；另一種與其相反，留下受光部分，并保留與掩膜穿透部分相同的形狀時(shí)稱為負(fù)膠（Negative PR）。

在成像之后，需要進(jìn)行蝕刻（Etch）工藝來切割物質(zhì)，蝕刻會(huì)在整個(gè)區(qū)域一并進(jìn)行，留有光刻膠的部分會(huì)被保留下來，從而得出目標(biāo)圖案。

至此，我們已經(jīng)了解了光刻工藝的基本作用和原理。如此看來，光刻工藝似乎是通過掩膜照射光即可完成的簡單工藝。那么，在半導(dǎo)體行業(yè)中，光刻工藝的發(fā)展卻為何如此受矚目呢？

2. 為什么要發(fā)展光刻工藝？

為了讓工藝更加精細(xì)化，也就是使用更小的晶體管來生產(chǎn)半導(dǎo)體，我們需要克服很多因素的局限。其中之一就是光刻工藝。那么，光刻工藝面臨的“攔路虎”到底是什么呢？

A. 影響成像的光的衍射和干涉

當(dāng)光通過狹窄的縫隙時(shí)，會(huì)發(fā)生偏離原來的行進(jìn)方向，出現(xiàn)擴(kuò)散的衍射現(xiàn)象，以及兩列光波相遇疊加或抵消的干涉現(xiàn)象，這就是影響成像的最大障礙。

如圖[3]所示，光由于自身具備的衍射特性，在通過狹窄的縫隙時(shí)無法直行，而是以該縫隙為中心形成扇形波動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)散。衍射的特點(diǎn)是縫隙越窄或波長越長，擴(kuò)散的范圍就越大。

在以上兩種情況下，衍射現(xiàn)象更明顯，波長擴(kuò)散的范圍也更大。波長變長的情況為(a)→(b)，縫隙寬度變窄的情況為(c)→(d)。

圖[3]在以上兩種情況下，衍射現(xiàn)象更明顯，波長擴(kuò)散的范圍也更大。波長變長的情況為(a)→(b)，縫隙寬度變窄的情況為(c)→(d)。

而圖[4]更為復(fù)雜，衍射的光經(jīng)過兩個(gè)以上的縫隙擴(kuò)散，并相互產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如圖[4]的(a)所示，如果縫隙的寬度和縫隙的間距相較于波長來說足夠?qū)?，就不?huì)有問題，但如果像(b)一樣寬度變窄且縫隙之間的距離更近，就無法在光刻膠上正確顯影所需的形狀。也就是說，圖案的線條越細(xì)（縫隙窄）、排列越密（縫隙之間的間距越窄），就越難以繪制。

圖[4]通過較窄的縫隙時(shí)，衍射的光的擴(kuò)散范圍會(huì)更廣，就會(huì)在更大的區(qū)域內(nèi)發(fā)生大量干涉現(xiàn)象，從而光無法準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)期的位置。

隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸也越來越小。因此，光刻工藝中需要繪制的線條寬度越來越窄，且密度越來越大。這也就意味著光刻工藝的難度越來越大。

那么，我們是如何攻克光刻工藝所面臨的這些壁壘呢？

3. 即使迂回曲折，也要準(zhǔn)確達(dá)到目的地！

要想克服光刻工藝所面臨的局限性，有很多種方法。讓我們先來了解一下間接克服光的衍射、干涉相關(guān)問題的幾個(gè)例子。

A.多重成像技術(shù)（Multi Patterning Technology）：如果難以一次繪制完成，就分成兩次繪制！

在經(jīng)過狹窄的道路時(shí)，您是不是也和別人撞到過肩膀？但如果大家走路的時(shí)候，距離遠(yuǎn)一點(diǎn)，就可避免碰撞。對(duì)引起光之間相互干涉現(xiàn)象的問題，我們采取的解決方法也與此類似：即加寬縫隙之間的間隔，減少光與光之間的干涉。如圖[5] (a)所示，對(duì)于較窄間距的四個(gè)縫隙，原來只進(jìn)行一次成像，但現(xiàn)在通過(b)和(c)將其分為兩次、每次兩個(gè)縫隙來成像，便擴(kuò)大了縫隙之間的間距，并減少了干涉。

圖[5]如果將因縫隙過窄，無法正常成像的(a)分成(b)和(c)進(jìn)行兩次操作，則縫隙之間間距會(huì)擴(kuò)大，此時(shí)可以按照所需形狀進(jìn)行成像。

這種方式被稱為多重成像技術(shù)，因?yàn)樗M(jìn)行了多次成像。

B.光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）：印小做大；印大做??！

在射箭打靶時(shí)，如果我們瞄準(zhǔn)了靶心但箭射偏，我們通常會(huì)根據(jù)方向偏離情況，在下一次將箭相應(yīng)地向相反方向瞄準(zhǔn)拉弦，也就是將誤差考慮進(jìn)來，重新計(jì)算。與之類似，在創(chuàng)建掩膜時(shí)對(duì)成像出現(xiàn)的誤差相應(yīng)調(diào)整，就是光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC, Optical Proximity Correction）。如圖[6]的過程所示，這是從結(jié)果中獲得反饋后，故意將掩膜進(jìn)行失真制作的方法。

圖[6]在進(jìn)行光刻（Photo）和蝕刻（Etch）工藝流程時(shí)，由于光本身的特性導(dǎo)致成像未能正常完成，從而不同于掩膜的形狀，會(huì)出現(xiàn)部分變厚或變薄，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?，或出現(xiàn)與鄰近部分粘連的情況。這一過程就是參考這種誤差結(jié)果，來失真更改掩膜本身的形狀進(jìn)行操作，從而得到原本想要的形狀。

4. 為了直接解決問題而作出的努力

此外，我們還通過各種方法克服光自身特性給光刻工藝帶來的局限性。但歸根結(jié)底，在變小的圖案中，若要解決光的本身特性所帶來的問題，減少光的波長才是最根本的方法。（參考圖[3]） 因此，我們也一直在努力減少波長。下一期的文章，我們將介紹光刻工藝的發(fā)展所帶來的波長變化過程，以及最近備受關(guān)注的EUV所具備的特點(diǎn)。

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