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單圖案最小節距）”的論文。我們?yōu)榇颂貏e準備了這篇博文，希望將論文內容和EUV（極紫光外刻）技術(shù)的特點(diǎn)分享給更多人。
1. 首先來(lái)介紹光刻工藝
提起半導體，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技術(shù)。我們先來(lái)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(huà)好，以準確地在想要的部分上切割或雕刻。光刻步驟就類(lèi)似于圖案繪制的過(guò)程。半導體的生產(chǎn)，可以理解為堆疊和切割的重復，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(lái)畫(huà)草圖，而通過(guò)光刻工藝的英文名稱(chēng)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(guò)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(chēng)為掩膜（Mask）或光罩（Reticle）。
類(lèi)似照相機原理的光刻工藝。為克服尺寸的局限性和確保精確度，薄板上的圖形應比所需照射的圖形尺寸大，中間再通過(guò)透鏡（Lens）聚集光來(lái)縮小尺寸進(jìn)行照射。
圖[1]類(lèi)似照相機原理的光刻工藝。為克服尺寸的局限性和確保精確度，薄板上的圖形應比所需照射的圖形尺寸大，中間再通過(guò)透鏡（Lens）聚集光來(lái)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，將照相機鏡頭照進(jìn)來(lái)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，當光穿過(guò)掩膜照射時(shí)，受光的和未受光區域之間，光刻膠會(huì )出現性質(zhì)差異。利用這種差異，在光刻膠的受光或未受光區域中，根據需要保留和移除所需區域，這個(gè)過(guò)程就是顯影（Develop）。換言之，顯影的區域便是掩膜的圖案區域。這一系列過(guò)程被稱(chēng)為成像（Patterning），因為這是將掩膜的圖案(Pattern)顯影在想要切割的物質(zhì)上的過(guò)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(chēng)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(chēng)為負膠（Negative PR）。
在成像之后，需要進(jìn)行蝕刻（Etch）工藝來(lái)切割物質(zhì)，蝕刻會(huì )在整個(gè)區域一并進(jìn)行，留有光刻膠的部分會(huì )被保留下來(lái)，從而得出目標圖案。
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(lái)，光刻工藝似乎是通過(guò)掩膜照射光即可完成的簡(jiǎn)單工藝。那么，在半導體行業(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化，也就是使用更小的晶體管來(lái)生產(chǎn)半導體，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
當光通過(guò)狹窄的縫隙時(shí)，會(huì )發(fā)生偏離原來(lái)的行進(jìn)方向，出現擴散的衍射現象，以及兩列光波相遇疊加或抵消的干涉現象，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(guò)狹窄的縫隙時(shí)無(wú)法直行，而是以該縫隙為中心形成扇形波動(dòng)進(jìn)行擴散。衍射的特點(diǎn)是縫隙越窄或波長(cháng)越長(cháng)，擴散的范圍就越大。
在以上兩種情況下，衍射現象更明顯，波長(cháng)擴散的范圍也更大。波長(cháng)變長(cháng)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，衍射現象更明顯，波長(cháng)擴散的范圍也更大。波長(cháng)變長(cháng)的情況為(a)→(b)，縫隙寬度變窄的情況為(c)→(d)。
而圖[4]更為復雜，衍射的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)以上的縫隙擴散，并相互產(chǎn)生干涉現象。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(cháng)來(lái)說(shuō)足夠寬，就不會(huì )有問(wèn)題，但如果像(b)一樣寬度變窄且縫隙之間的距離更近，就無(wú)法在光刻膠上正確顯影所需的形狀。也就是說(shuō)，圖案的線(xiàn)條越細（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(guò)較窄的縫隙時(shí)，衍射的光的擴散范圍會(huì )更廣，就會(huì )在更大的區域內發(fā)生大量干涉現象，從而光無(wú)法準確到達預期的位置。
隨著(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸也越來(lái)越小。因此，光刻工藝中需要繪制的線(xiàn)條寬度越來(lái)越窄，且密度越來(lái)越大。這也就意味著(zhù)光刻工藝的難度越來(lái)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，也要準確達到目的地！
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(lái)了解一下間接克服光的衍射、干涉相關(guān)問(wèn)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(guò)狹窄的道路時(shí)，您是不是也和別人撞到過(guò)肩膀？但如果大家走路的時(shí)候，距離遠一點(diǎn)，就可避免碰撞。對引起光之間相互干涉現象的問(wèn)題，我們采取的解決方法也與此類(lèi)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，對于較窄間距的四個(gè)縫隙，原來(lái)只進(jìn)行一次成像，但現在通過(guò)(b)和(c)將其分為兩次、每次兩個(gè)縫隙來(lái)成像，便擴大了縫隙之間的間距，并減少了干涉。
圖[5]如果將因縫隙過(guò)窄，無(wú)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 )擴大，此時(shí)可以按照所需形狀進(jìn)行成像。
這種方式被稱(chēng)為多重成像技術(shù)，因為它進(jìn)行了多次成像。
B.光學(xué)鄰近效應修正（OPC）：印小做大；印大做??！
在射箭打靶時(shí)，如果我們瞄準了靶心但箭射偏，我們通常會(huì )根據方向偏離情況，在下一次將箭相應地向相反方向瞄準拉弦，也就是將誤差考慮進(jìn)來(lái)，重新計算。與之類(lèi)似，在創(chuàng )建掩膜時(shí)對成像出現的誤差相應調整，就是光學(xué)鄰近效應修正（OPC, Optical Proximity Correction）。如圖[6]的過(guò)程所示，這是從結果中獲得反饋后，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致成像未能正常完成，從而不同于掩膜的形狀，會(huì )出現部分變厚或變薄，嚴重時(shí)甚至會(huì )消失，或出現與鄰近部分粘連的情況。這一過(guò)程就是參考這種誤差結果，來(lái)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(wèn)題而作出的努力
此外，我們還通過(guò)各種方法克服光自身特性給光刻工藝帶來(lái)的局限性。但歸根結底，在變小的圖案中，若要解決光的本身特性所帶來(lái)的問(wèn)題，減少光的波長(cháng)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(cháng)。下一期的文章，我們將介紹光刻工藝的發(fā)展所帶來(lái)的波長(cháng)變化過(guò)程，以及最近備受關(guān)注的EUV所具備的特點(diǎn)。
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