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无掩模光刻:降低成本的下一代光刻技术

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-21   关键字:光刻  无掩模  

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
掩模价格(亿美元)/万元
4.3
6.3
3.5
2.7
6.0

 
 
 
 
 
 
 
 
(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 nm。

ASML

2004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。

参考文献
1、无掩模光刻技术的前景  电子工业专用设备 2005(8)1-3
 
2、无掩模光刻技术的最新进展  电子工业专用设备  2005(2) 1-2
 
3、US2005130351
 
4、ITRS 2005

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