摘 要：介绍了无掩模光刻技术的现状、存在的问题和前景展望；说明了无掩模光刻技术的最大优点即是降低掩模成本；同时还介绍了电子束光刻技术及其改进。

关键词：无掩模光刻, 电子束光刻, 掩模版,光刻

中图分类号：TN305．7 文献标识码：A 文章编号：1004-4507(2005)08-0001-03

作为下一代光刻技术(NCL：Next Generation Lithography，即小于32 nm工艺节点的光刻技术)的候选技术有：极紫外线光刻技术(EUVL)、纳米压印光刻技术(NIL)、X射线光刻技术(XRL)→接近式X射线光刻技术(PXL)→准直等离子光刻技术(CPL)、电子束光刻技术(EBI：Electron Btam Lithography)和离子束光刻技术(IBL)等[1]。世界普遍认为，有望达量产的下一代光刻技术极可能是EUVL和NIL。随着芯片特征尺寸的不断缩小，从0．13 μm→90 nm→65 nm→45 nm→32 nm→22 nm。按．ITRS2003要求，2004年应达90 nm，这意味着半导体产业已全面地从深亚微米步入纳米尺度。尤其在进入纳米尺度之后，光刻掩模技术己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，同时，掩模成本在整个光刻成本中可占份额也不断攀升，表1给出光刻尺寸在100 nm以下各种光刻掩模成本的比较，其中SCALPEL(Scatlering angular limitation projection electron lithography)为散射角限制的电子束投影光刻[2]。193 nmArF浸入式光刻机可望扩展至45 nm节点，可是其掩模版价格昂贵，其费用将高达500～600万美元。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月日本凸版印刷(Toppan Printing)同意收购美国杜邦光掩模(Dupont photomasker)，收购价近6．5亿美元。在光刻中如何降低掩模成本，采用无掩模光刻技术已成为光刻业界热门的话题，也成为光刻工程师研究的一个重要课题。2005年1月International Semateeh主办了全球无掩模大会(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。

1 电子束光刻技术

电子束光刻的优点是分辨率高，可超过光学光刻，达30nm。其缺点是：(1)生产效率低；(2)电子的散射易造成邻近效应，导致曝光在芯片上的图形尺寸与掩模版上的图形尺寸没有简单的对应关系。为了改善后者，1989年贝尔实验室朗讯工作组推出了SCALPEL(散射角度限制的电子束投影光刻)，其结构由图l所示[2]。掩模版由极薄的氧化硅膜和薄的高原子序数金属(如钨)膜组成。平行的高能电子束入射到掩模版上，穿过氮化硅膜的电子基本上不散射，而穿过金属膜的电子散射严重。这些电子再经过磁透镜聚焦后穿过一个置于焦平面上的角度限制光阑，此时散射严重的电子透过率很低，而低散射的电子都能穿透过去。所有电子再通过一个磁透镜形成平行束，被投影在晶圆上，平行的电子束投影采用4倍缩小设计。这种方法可光刻50～100 nm的图形，主要用于ULSI和MEMS，如比利时IMEC微电子中心在研究45 nm节点的高K绝像层和金属栅极时采用精密的电子束光刻技术来完成极细线宽的光刻。但是SCALPEI技术的最大挑战是如何提高其生产效率，由于空间电荷效应的存在，光刻尺寸的缩小和提高生产效应是一对矛盾，如何解决其空间电荷效应和晶圆表面热效应是研究SCALPEL的重要课题。

在电子束投影曝光中，为了提高曝光效率，实现大量平行像素投影，业界推出了PREVAIL(Projection Reduction Exposwre Variable Axis Immersion Lensen)技术，曝光面积可达l mm2，图2给出PREVAIL系统中电子光柱体的结构示意图。从位于电子光柱体上方的电子枪发射出来的电子通过高压电场加速进入电子光柱体。通过成形光阑将电子束截取成方形并具均匀能量分布的电子束。成形后的电子束经过一个曲线可变轴透镜(CVAL：Curvilinear。Variable Axis Lens)系统，在掩模版上成像面积为1 mm2的能量均匀分布的方形电子束。该系统最大电子束偏转距离为±10 mm，CVAL可修正电子束进行大范围偏转引起的畸变，减少了工件台移动的次数，从而提高了曝光效率。穿过掩模版的电子束继续进入一组束偏转／移轴偏转器，将电子束移到其子场位置。最后通过物镜4倍缩小投影到晶圆相应的部位，投影在晶圆上的范围可达±2．5 mm。这种采用电子束扫描和晶圆工件台步进相结合的曝光方法大大提高了曝光效率。

2 无掩模光刻技术及设备

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，不能替低主流的光刻技术，如浸入式光刻和EUVL。正如International Sematech高级院士和2005年1月International Sematech主办的无掩模研讨会组织者Walt Trybula所说："面向前沿光刻应用的掩模研发成本正在成为许多IC制造商日益关注的问题。很明显，无掩模光刻是解决掩模成本问题的潜在方案"。在这次无掩模大会上，不少公司演示了多单束、多束和光学方法制造的无掩模光刻工具。奥地利IMS Nanofabricution GmbH与德国Leia Microsystems AG 共同推出采用可编程序掩模的无掩模光刻工具，名为PLM一2。它采用400万电子束，可用于≤45 nm节点。PLM一2基于Leia公司现有的直接写入电子束平台SB350DW。PLM-2缩小倍数为200，5 keV电子枪，电子束直径l nm，覆盖精确度为20 nm，分辩率为180 nm／像素，2006年推出首款产品，2008年推出可用于光刻量产的产品。这两家公司正在研究下一代新型电子束上具，不同于SB350DW[3]。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10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设计和晶圆代工厂，预计2007年上市，售价1500万美元。

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Corning 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10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50nm。

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生产和小批量的晶圆代工厂来说，为甩开掩模版、降低光刻成本迎来了曙光。

在2005年1月的全球无掩模光刻技术大会上，业界还认为：虽然目前无掩模光刻工具己问世，但总体产出率仍低下。目前基于0一ML2和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、晶圆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：电子束与产出率的折哀和可延展性、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。