【光刻】二重曝光加工技术（Double exposure processing technology）

　　从光源到光学系统，到掩模，到光刻胶，到设计技术，所以能够增强分辨率的措施都采用了。图一反应了k1因子自2000年以来下降的过程和今后几年的变化趋势。可以看出，k1因子从2000年初的0.4以上已经降到目前的0.3的水平。中间在2004年有所回升是因为引入了浸没式曝光技术，大数值孔径使对k1因子的要求有所降低。但随着65nm工艺开始进入大生产，k1因子有进一步下降，目前稳定在0.3左右的水平。如果光学曝光仍然沿用193nm波长深紫外光源，则下一步进入45nm工艺要求k1因子继续下降。但k1因子最终将接近它的理论极限，即0.25。实现32nm工艺要求k1因子小于0.25。目前唯一能够突破k1因子理论极限的技术就是二重曝光（double exposure）或二重加工（double processing）技术。

图一：自2000年以来k1因子的变化发展趋势

　　二重曝光或二重加工是指通过两次曝光或加工来增加图形密度。对光学曝光而言，最难实现的曝光图形是等间距或等周期密集分布图形。这是因为密集曝光图形之间光强分布相互影响，使图形分辨极为困难。所以，同样的图形尺寸，稀疏或孤立图形要比密集图形的光学曝光更容易实现。过去集成电路工艺技术水平都是最小线宽（minimum feature size）衡量，例如谈到0.35nm、0.25nm、或0.18nm工艺是指电路最小线宽尺寸。但最小线宽不能真实反映电路的集成度，也就是说没有反应出线条的密集程度。所以自2001年以来半导体工业界引入了“半周期”（half pitch）的概念。图形的半周期不但包括了线宽，还包括了线条之间的间距。所半周期90nm表示线宽为90nm，线间距也是90nm。对曝光技术而言，实现半周期90nm的图形要比实现90nm单线条困难的多。为了实现密集图形的曝光，可以分两次曝光稀疏图形，让两次曝光的图形重叠，最后合成图形就是原来设计的密集图形。图二比较了二重曝光、二重加工与传统一次曝光工艺的区别。二重曝光比较简单，但由于在同一光刻胶上曝光，两次曝光在光刻胶内的光能量分布会相互影响。因此要求光刻胶是非线性的或无记忆效应的。或将第一次曝光显影后的光刻图形“冻结”（freeze），然后另涂光刻胶进行第二次曝光。二重加工是在第一次曝光后将光刻胶图形转移到刻蚀掩模材料上，然后再次涂胶曝光。两次曝光是相互独立的。无论二重曝光或二重加工，它们共同的挑战是图形的精准对准问题。两次曝光图形的对准需要保持在1.5-3nm精度之内。

图二：传统一次曝光工艺与二重曝光、二重加工比较

　 　二重加工技术可以突破k1因子理论极限，因为对于每个单次加工，其k1因子仍然在理论极限之上。只是在两次加工图形合成后实现更低的k1因子的效果。二重加工可以沿用193nm波长曝光光源，可以用在“干式” 或“湿式”曝光技术中，所有以往开发的分辨率增强技术都可以继续使用，对现有集成电路生产工艺改动最小，因此受到了半导体工业界普遍欢迎。鉴于目前极紫外曝光技术仍未完善，还有许多技术问题仍在解决之中，可能无法在22nm的节点进入集成电路大生产。半导体工业界已将基于193nm波长的二重加工技术为32nm以下集成电路的首选技术。实际上，工业界已经证明二重加工技术可以实现16nm甚至11nm的半周期图形。

需要注意的是，尽管光学曝光技术一直在不懈追求越来越高的分辨率，但在超大规模集成电路制造的20-30道曝光工序中，只有少数的几道用到最高分辨率的曝光技术。表一是各代表集成电路的总曝光层数和不同曝光层的图形尺寸。以1G的DRAM芯片为例，在总数的26层的曝光工艺中，只有5层要求最高的分辨率。因此，混合曝光（mix-and-match lithography），即高级曝光技术与中、低级曝光技术的混合使用，是集成电路曝光技术的主要特点[1]。

表一：不同集成度的DRAM芯片中需要的掩模层数与分辨率要求

参考文献：

[1] 崔铮，《微纳米加工技术及其应用》，高等教育出版社，2013.04,65-67；