在毫米級晶圓上，繪制納米級圖案

三星電子晶圓代工事業(yè)部在國際互連技術(shù)大會（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. 用更細(xì)的筆即可畫出更細(xì)的線！

在上一篇博文中，我們了解了光刻技術(shù)（Photolithography）所面臨的阻礙，并在文章結(jié)尾處提到了如何從根本上解決光的性質(zhì)帶來的局限性，即縮短波長，因?yàn)椴煌牟ㄩL會帶來不同程度的衍射現(xiàn)象。而短波長，能夠縮小衍射的擴(kuò)散角度，最終克服光刻工藝的局限性。如圖[1]所示，正如想要畫出細(xì)線就需要細(xì)毛筆一樣，想要突破繪制的局限，用波長更短的光即可。

圖[1] 波長 (Wavelength) 變短類似于畫圖的毛筆變細(xì)。

因此，如圖[2]所示，為了繪制更小的圖案，光刻工藝經(jīng)歷了繪制所用光的波長逐漸變短的發(fā)展歷程。

圖[2] 大體來說，光刻工藝使用的光從燈泡光照變?yōu)榱思す?。具體到激光，則是從利用 Kr（氪，Krypton）的 KrF （氟化氪）激光發(fā)展到利用 Ar（氬，Argon）的 ArF （氟化氬）激光來改變光源，達(dá)到縮短波長的目的。

然而，為了滿足制作更小晶體管的需求，ArF (193 nm) 的波長也不夠短。于是，EUV (極紫光，Extreme Ultra Violet) 應(yīng)運(yùn)而生了。

2. EUV (極紫光，Extreme Ultra Violet) 的出師表

為了打破波長的局限性，EUV 解決方案如同彗星一般登場！

EUV 最大的特點(diǎn)就是波長短。為了達(dá)到精密繪制的目的，我們需要短的波長，從而需要引入 EUV。

正如圖[3]所示，我們使用的是波長極短的 EUV，只有 13.5 nm。

圖[3] 將波長與我們所熟知物體的大小進(jìn)行類比。先前使用的 ArF 是波長為 193 nm的一種 DUV (深紫外光，Deep UV)，而波長為 13.5 nm的 EUV 甚至比分子更小。

先前使用的 ArF 的波長為 193 nm，而 EVU 的波長僅為 13.5 nm，就波長的差異而言，EUV 本身可以說是一個(gè)巨大的變化。那么，光刻工藝在應(yīng)用了這一巨大變化的主角 EUV 之后，又具備了什么特點(diǎn)呢？讓我們來仔細(xì)了解一下。

A. 強(qiáng)大的等離子體發(fā)出的短波

在上方的圖[3]中，可以看到組成彩虹顏色的光的范圍。按照波長由長到短的順序，依次羅列了能夠燒傷人們皮膚的紫外線、可穿透肌肉的 X 射線，還有強(qiáng)大到能夠殺死癌細(xì)胞的伽瑪射線。我們也可由此看出，波長越短的光，所蘊(yùn)含的能量就越大。而相應(yīng)地，在發(fā)射更短波長的光時(shí)，需要的能量也通常會更多。做個(gè)類比，想要打出全壘打，棒球就要飛得更遠(yuǎn)、更快，那么揮舞棒球棒的力度也要更大。然而，先前用于發(fā)射 DUV 光的激光，不具備足夠的能量，無法發(fā)出我們所需的短波。因此，如圖[4]所示，EUV 使用了處于極高能量狀態(tài)的等離子體（Plasma），即氣體被分離為電子和離子的狀態(tài)，是固體、液體、氣體之外的另外一種物質(zhì)狀態(tài)，具有很高的能量。

圖[4] 讓 CO2 激光（Laser）與掉落的 Sn（錫）準(zhǔn)確碰撞來產(chǎn)生等離子體，并使用鏡子將等離子體生成的光集合起來，最終產(chǎn)生 EUV。

如圖[4]所示，產(chǎn)生 EUV 必須使用一種特制的工具：集合光的鏡子！ 鏡子，不僅可用來產(chǎn)生 EUV，更是使用 EUV 的整個(gè)工藝流程中不可或缺的重要因素。下面就讓我們來了解一下 EUV 技術(shù)中的核心要素：鏡子。

B. 反射光學(xué) - 使用鏡子而非放大鏡

光的特點(diǎn)是波長越短，就越容易被其它物質(zhì)吸收。EUV 的波長極短，甚至能被大氣吸收。而為防止這種情況出現(xiàn)，EUV 設(shè)備（使用了 EUV 的光刻工藝設(shè)備）在工序開始前，先將內(nèi)部進(jìn)行了真空處理。在操作 EUV 工藝時(shí)使用鏡子，也是為了減少光被吸收的類似情況：假如讓波長極短的 EUV 通過透鏡，則會被透鏡大量吸收。因此，通過用鏡子替代先前的透鏡，讓光進(jìn)行反射而非透射，則可以減少吸收量。只有極大降低吸收量從而讓光像圖[5]一樣安全地到達(dá)光刻膠，才能進(jìn)行完整的繪制。

圖[5] 直到 DUV，光刻技術(shù)都一直在使用透鏡，而 EUV 波長較短，使用透鏡會加大吸收率。為改善這一問題，我們使用了吸收率相對較低的反射模式，即通過鏡子來實(shí)現(xiàn)。

講到這里，大家可能會產(chǎn)生一個(gè)疑問。用來透射光的掩膜怎么辦？ 利用 EUV 的光刻工藝中所用的掩膜同樣是運(yùn)用反射原理制成的。如圖[6]所示，將原本(a)形式，遮擋和透射光的掩膜，換成像 (b) 形式，反射和吸收光的掩膜。

圖[6] 為了盡可能降低吸收率，EUV 掩膜使用了 Mo（鉬）和 Si（硅）多層疊加結(jié)構(gòu)的反射鏡，并通過充當(dāng)保護(hù)膜角色的保護(hù)層（Protection）來保護(hù)鏡子。不應(yīng)出現(xiàn)反射現(xiàn)象的區(qū)域，則使用吸收層（Absorber）（TaN）來吸收光。

通過圖[7]，可以直觀地了解以上關(guān)于 EUV 光刻工藝的解釋。

圖[7] 展示了 EUV 光刻工藝的整個(gè)曝光（向晶片上照射光的）過程。

下面再對 EUV 和 ArF 進(jìn)行簡單的比較，對比內(nèi)容如圖[8]所示。

圖[8] ArF 光刻工藝?yán)眉す猱a(chǎn)生光，并使用透鏡（Lens）和透射型(Transmittive)掩膜。EUV 則與之不同，它利用等離子體產(chǎn)生光，并使用鏡子 (Mirror) 和反射型(Reflective)掩膜。

如圖[8]所示，EUV 光刻工藝與先前的工藝完全不同，可以畫出之前無法畫出的更小圖案。然而， EUV 的優(yōu)勢，并不僅僅在于能夠畫出更小的圖案。

3. 畫出以前難以實(shí)現(xiàn)的圖案，省去反復(fù)繪制的麻煩，一次搞定！

在前面的第一章博文中，我們介紹到，為了打破波長的局限性，一個(gè)圖案不得不分成幾次進(jìn)行繪制。這就是 MPT (多重圖案技術(shù)，Multiple Patterning Technology)。MPT 技術(shù)雖然具有繪制小圖案的優(yōu)勢，但如圖[9](a)所示，它的缺點(diǎn)是需要多個(gè)掩膜，而且需要進(jìn)行多次工序操作。然而使用波長較短的 EUV 時(shí)，就可以像圖[9](b)一樣，僅通過一個(gè)掩膜和一次工序，便繪制出圖案。

圖[9] 使用四個(gè)相同掩膜進(jìn)行繪制的 ArF 和僅使用一個(gè)掩膜進(jìn)行繪制的 EUV。

這種改進(jìn)具有時(shí)間、良率和費(fèi)用上的優(yōu)勢。

A. 時(shí)間 - 縮短了工序時(shí)間

在獲取結(jié)果的過程中，如果步驟增多，相應(yīng)地，耗時(shí)也會變長。舉個(gè)簡單的例子來說明，圖[9]的(a)工廠做出一個(gè)面包需要四個(gè)小時(shí)，(b)工廠做一個(gè)面包則只需要一個(gè)小時(shí)。這是因?yàn)椴襟E的精簡大大提升了工序的速度。

B. 良率 - 降低污染，提高良率

多個(gè)步驟，就意味著相應(yīng)存在多次污染的可能。比如白色黏土，反復(fù)揉捏，就容易變臟。在半導(dǎo)體工藝中，污染是導(dǎo)致良率降低的原因，而 EUV 可減少污染，從而起到提高良率的作用。

C. 費(fèi)用 - 降低掩膜制作成本

制作掩膜也需要成本。原本的工藝需要制作多張掩膜，但使用 EUV 后，所需的掩膜會減少到一張，制作成本也相應(yīng)減少。

4. 工欲善其事,必先利其器

如上所述，EUV 的出現(xiàn)給光刻工藝帶來了很大優(yōu)勢，如今我們要做的，就是努力去探索如何才能更加有效地利用這一利器。

審核編輯黃宇