衍射極限附近的光刻工藝

光刻機(jī)最大噱頭是光源為13.5納米的ASML光刻機(jī)，臺(tái)積電用這型號(hào)光刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)了5納米制程，而英特公司和三星公司沒有做到，特別要注意這里不是五納米線寬，而是制程。線寬是光刻機(jī)的性能指標(biāo)，是長(zhǎng)度單位，極限值是衍射極限值，一般接近波長(zhǎng)值，大于波長(zhǎng)值，所以很容易有這樣的錯(cuò)誤想法：

注意臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了5納米制程，而不是ASML光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)的，三星也用了，它至今沒有達(dá)到5納米制程，特別要注意不是達(dá)到了5納米線寬。但是，很多人在混淆這個(gè)概念，直接就說ASML光刻機(jī)是5納米光刻機(jī)，國(guó)產(chǎn)只能實(shí)現(xiàn)90納米。如果理解成線寬，都接近或微微超過半寬度，如果這樣理解，國(guó)內(nèi)又無法開發(fā)出13.5納米光源，趕上和超越ASML光刻機(jī)，只能是水中撈月的空幻。

所以，一定要注意線寬和制程的區(qū)別！ASML的光刻機(jī)只能接近衍射極限，臺(tái)積電的制程是臺(tái)積電的說法，只說明用的比三星英特好，制程不是長(zhǎng)度概念。第二，衍射極限接近波長(zhǎng)不準(zhǔn)確，應(yīng)該是衍射極限值=波長(zhǎng)/Na，Na值在0.05到0.75之間。13.5納米光源由于只能采用離軸光路，這是致命的，又只能采用反射式光路，球差和平場(chǎng)兩個(gè)要求難保證，所以一般Na值0.05。而193納米光源水浸潤(rùn)后相當(dāng)于132納米光源，Na值一般0.5。所以兩種光源幾乎無差異。而193納米光源特殊設(shè)計(jì)鏡頭， 使Na值達(dá)0.75，就有可能達(dá)到比13.5納米更好的效果。

第三，那么臺(tái)積電的制程比三星和英特更好又是什么回事？使用光刻機(jī)還有幾個(gè)因素：一，光刻膠，布膠是有講究的，它也決定最后刻線寬度。二，電路的掩膜制造，也決定最終線寬。三，五納米制程的真實(shí)的線寬是，每平方毫米5000萬只晶體管，每平方微米50只，單個(gè)晶體管占20000平方納米，也就是平均140納米的見方。比起13.5納米波長(zhǎng)，相差十倍多，所以對(duì)193納米浸潤(rùn)后的光源相當(dāng)于132納米，都在衍射極限以內(nèi)。

我最近關(guān)于麥?zhǔn)戏匠探M的研究，發(fā)現(xiàn)這個(gè)衍射極限值是否是它，我已經(jīng)懷疑，這是以后的事。第四，刻線寬度是否可以突破上述這個(gè)值，不完全取決于這個(gè)值，還和光刻機(jī)的使用有關(guān)系，這個(gè)可以用衍射理論說清楚的，這里我不講。第五，本來光刻機(jī)和它的應(yīng)用，已經(jīng)觸及衍射極限，本該有一個(gè)基礎(chǔ)理論的重大突破，它的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光刻機(jī)的極限線寬。

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涉及光刻機(jī)。

研發(fā)光刻機(jī)研發(fā)涉及多個(gè)專業(yè)，光學(xué)、機(jī)械加工、電子電路、化學(xué)等。

光刻機(jī)涉及到的知識(shí)有：光學(xué)、機(jī)械加工、電子電路、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)。光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。分辨率是對(duì)光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。

光刻的分辨率受受光源衍射的限制，所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。對(duì)準(zhǔn)精度是在多層曝光時(shí)層間圖案的定位精度。曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。

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對(duì)光源系統(tǒng)的要求

a.有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越??；[波長(zhǎng)越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對(duì)于精度控制要求越高，因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。]

b.有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；

c.曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。[一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來衡量光是否均勻分布]

常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g 線（436 nm）或i 線（365 nm）。

對(duì)于波長(zhǎng)更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如KrF 準(zhǔn)分子激光（248 nm）、ArF 準(zhǔn)分子激光（193 nm）和F2準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。

曝光系統(tǒng)的功能主要有：平滑衍射效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光照明和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等。

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集成電路制造中利用光學(xué)- 化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。

常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

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第一步是模板的加工。一般使用電子束刻蝕等手段，在硅或其他襯底上加工出所需要的結(jié)構(gòu)作為模板。由于電子的衍射極限遠(yuǎn)小于光子，因此可以達(dá)到遠(yuǎn)高于光刻的分辨率。

第二步是圖樣的轉(zhuǎn)移。在待加工的材料表面涂上光刻膠，然后將模板壓在其表面，采用加壓的方式使圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。注意光刻膠不能被全部去除，防止模板與材料直接接觸，損壞模板。

第三步是襯底的加工。用紫外光使光刻膠固化，移開模板后，用刻蝕液將上一步未完全去除的光刻膠刻蝕掉，露出待加工材料表面，然后使用化學(xué)刻蝕的方法進(jìn)行加工，完成后去除全部光刻膠，最終得到高精度加工的材料。

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適用了20余年的摩爾定律近年逐漸有了失靈的跡象。從芯片的制造來看，7nm就是硅材料芯片的物理極限。不過據(jù)外媒報(bào)道，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打破了物理極限，采用碳納米管復(fù)合材料將現(xiàn)有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm。那么，為何說7nm就是硅材料芯片的物理極限。

　芯片的制造工藝常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm來表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工藝。現(xiàn)在的CPU內(nèi)集成了以億為單位的晶體管，這種晶體管由源極、漏極和位于他們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流通斷的作用。

　　而所謂的XX nm其實(shí)指的是，CPU的上形成的互補(bǔ)氧化物金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長(zhǎng)。

　　柵長(zhǎng)越短，則可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶體管——Intel曾經(jīng)宣稱將柵長(zhǎng)從130nm減小到90nm時(shí)，晶體管所占得面積將減小一半；在芯片晶體管集成度相當(dāng)?shù)那闆r下，使用更先進(jìn)的制造工藝，芯片的面積和功耗就越小，成本也越低。

　　柵長(zhǎng)可以分為光刻?hào)砰L(zhǎng)和實(shí)際柵長(zhǎng)，光刻?hào)砰L(zhǎng)則是由光刻技術(shù)所決定的。 由于在光刻中光存在衍射現(xiàn)象以及芯片制造中還要經(jīng)歷離子注入、蝕刻、等離子沖洗、熱處理等步驟，因此會(huì)導(dǎo)致光刻?hào)砰L(zhǎng)和實(shí)際柵長(zhǎng)不一致的情況。另外，同樣的制程工藝下，實(shí)際柵長(zhǎng)也會(huì)不一樣，比如雖然三星也推出了14nm制程工藝的芯片，但其芯片的實(shí)際柵長(zhǎng)和Intel的14nm制程芯片的實(shí)際柵長(zhǎng)依然有一定差距。

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納米壓印技術(shù)是一種新型的微納加工技術(shù)。該技術(shù)通過機(jī)械轉(zhuǎn)移的手段，達(dá)到了超高的分辨率，有望在未來取代傳統(tǒng)光刻技術(shù)，成為微電子、材料領(lǐng)域的重要加工手段。

中文名

納米壓印技術(shù)

外文名

Nanolithography

概念

納米壓印技術(shù)，是通過光刻膠輔助，將模板上的微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到待加工材料上的技術(shù)。報(bào)道的加工精度已經(jīng)達(dá)到2納米，超過了傳統(tǒng)光刻技術(shù)達(dá)到的分辨率。這項(xiàng)技術(shù)最初由美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Stephen. Y. Chou（周郁）教授在20世紀(jì)90年代中期發(fā)明。

加工過程

納米壓印技術(shù)分為三個(gè)步驟。

第一步是模板的加工。一般使用電子束刻蝕等手段，在硅或其他襯底上加工出所需要的結(jié)構(gòu)作為模板。由于電子的衍射極限遠(yuǎn)小于光子，因此可以達(dá)到遠(yuǎn)高于光刻的分辨率。

第二步是圖樣的轉(zhuǎn)移。在待加工的材料表面涂上光刻膠，然后將模板壓在其表面，采用加壓的方式使圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。注意光刻膠不能被全部去除，防止模板與材料直接接觸，損壞模板。

第三步是襯底的加工。用紫外光使光刻膠固化，移開模板后，用刻蝕液將上一步未完全去除的光刻膠刻蝕掉，露出待加工材料表面，然后使用化學(xué)刻蝕的方法進(jìn)行加工，完成后去除全部光刻膠，最終得到高精度加工的材料。

優(yōu)勢(shì)

由于納米壓印技術(shù)的加工過程不使用可見光或紫外光加工圖案，而是使用機(jī)械手段進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，這種方法能達(dá)到很高的分辨率。報(bào)道的最高分辨率可達(dá)2納米。此外，模板可以反復(fù)使用，無疑大大降低了加工成本，也有效縮短了加工時(shí)間。因此，納米壓印技術(shù)具有超高分辨率、易量產(chǎn)、低成本、一致性高的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有望代替現(xiàn)有光刻技術(shù)的加工手段。

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光柵光譜儀的工作原理首先是衍射光柵，它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個(gè)表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗(yàn)射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通常刻線密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。入射光經(jīng)光柵衍射后，相鄰刻線產(chǎn)生的光程差。光柵方程將某波長(zhǎng)的衍射角和入射角通過光柵常數(shù)d起來，為入射光波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)次，取等整數(shù)。式中的“”號(hào)選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側(cè)時(shí)取正號(hào)，在法線兩側(cè)時(shí)取負(fù)號(hào)

光柵光譜儀，是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器。通過光譜儀對(duì)光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦化自動(dòng)顯示數(shù)值儀器顯示和分析，從而測(cè)知物品中含有何種元素。光柵光譜儀被廣泛應(yīng)用于顏色測(cè)量、化學(xué)成份的濃度測(cè)量或輻射度學(xué)分析、膜厚測(cè)量、氣體成分分析等領(lǐng)域中。

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。為更好協(xié)助各位使用者選擇，在此做一簡(jiǎn)要介紹。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

在曲率半徑為R的凹面反射光柵的主截面上(即通過光柵中心而垂直于光柵刻線的平面)，存在一個(gè)直徑為R的圓。當(dāng)狹縫和光柵都在這個(gè)圓上時(shí)，則這個(gè)圓就是狹縫衍象焦點(diǎn)的軌跡。這個(gè)圓稱為羅蘭(Rowland)圓，這時(shí)凹面光柵同時(shí)起到準(zhǔn)直與聚焦的作用。

光柵方程同樣也適用于凹面光柵：d(sinα+sinβ)=ml (m=0，±1，±2……)

但式中光柵常數(shù)d并不是光柵刻線間的距離d’，而是d’在弦上的投影，即d=d’cosα。在凹面光柵表面上，刻線是不等距離的，而光柵圓弧所對(duì)應(yīng)的弦上是等距離的。由于凹面光柵曲率半徑比羅蘭圓大一倍，所以必須保證凹面光柵的中點(diǎn)與羅蘭圓相切，其他各點(diǎn)對(duì)稱地偏離羅蘭圓。

衍射極限附近的光刻工藝講解

光子納米射流是一種高強(qiáng)度，極窄的亞波長(zhǎng)電磁場(chǎng)區(qū)域，它是由介電微球或微柱體的Mie散射對(duì)電磁場(chǎng)的聚焦作用產(chǎn)生的。光子納米射流廣泛應(yīng)用于激光加工、納米光刻、光學(xué)高密度存儲(chǔ)以及超分辨率顯微鏡。

從徑向偏振光的角度出發(fā)，使用一種介電圓環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)光束進(jìn)行聚焦，由于徑向偏振光在焦點(diǎn)區(qū)域可以產(chǎn)生較強(qiáng)的縱向場(chǎng)，通過優(yōu)化圓環(huán)的尺寸、折射率以及與物鏡焦點(diǎn)的相對(duì)位置，可以得到超過90%光束質(zhì)量的縱向光子納米射流，而且強(qiáng)度相比于未使用圓環(huán)時(shí)可以提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，并在高折射率下可以獲得半高全寬小于衍射極限尺寸的光斑，因此該結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)可以在粒子加速、光鑷以及拉曼光譜學(xué)中有所應(yīng)用。

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光刻機(jī)的最高分辨率是有固定公式按納米計(jì)算的。

分辨率是對(duì)光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。分辨率公式為R=k1?λ/NA，公式中中R代表分辨率；λ代表光源波長(zhǎng)；k1是工藝相關(guān)參數(shù)，NA(NumericalAperture)被稱作數(shù)值孔徑，是光學(xué)鏡頭的一個(gè)重要指標(biāo)，一般光刻機(jī)設(shè)備都會(huì)明確標(biāo)注該指標(biāo)的數(shù)值。