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极紫外光刻给光学技术带来的挑战 王占山 同济大学精密光学工程技术研究所，物理系，上海，200092 摘要：本文概述了极紫外光刻技术的发展，阐明了极紫外光刻技术的特点，说明了极紫外光刻的关键光学技术。极紫外光刻中光学元件的评价需要采用随空间波长变化的表面功率谱密度进行评价，分析了不同区域内表面误差对极紫外光刻系统性能的影响，给出了极紫外光刻对相应空间波长区域的技术要求和现在技术能够达到的水平。根据这些问题，重点说明了极紫外光刻如何将光学加工、检测和镀膜技术带到了原子尺度。最后建议我国能够抓紧时间，尽快启动相关研究，推动我国相关领域的发展。 1 引言 自上世纪6O年代以来，集成电路制作技术取得了飞速的发展，一直按照“摩尔定律”预言的轨迹前进。“摩尔定律”是美国因特(Intel)公司创始人之一的Goldon Moore于1965年提出的，即每隔约18-24个月，集成电路单个芯片上的晶体管数目将增加1倍，集成电路中最细刻线的宽度减小0.7倍，这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。目前，集成电路已从上世纪60年代每个芯片上只有几十个器件发展到现在每个芯片上可包含10亿个以上的器件。在集成电路飞速发展过程中，光刻技术的进步起到了极为关键的作用,其决定了集成电路最小刻线的宽度，即集成电路的集成度。 为了紧跟迅速发展的集成电路制作技术，美国、欧洲、日本、韩国与台湾的半导体产业协会合作制订了《国际半导体技术蓝图》（ITRS），自2001年起，每隔一年就会有新版出现，而在双年时，则会对蓝图进行修订。在近5年的国际半导体技术蓝图中，我们可以明显地看出，什么技术被淘汰，什么技术得到确定。如：对90nm线宽的光刻技术，2001年还有多种选择，到2003年就完全确定下来。2005年给出的蓝图，比原来几年的蓝图都简单，原因是大家都比较清楚什么样的光刻技术是未来需要的。变化最大的是，157nm光刻技术、电子束投影光刻技术、离子束投影光刻技术、接近式电子束光刻技术和X射线接近式光刻技术都退出了光刻技术的主流。有两个主要的原因导致了上述变化，其一是193nm浸入式光刻技术的飞速发展，其二是极紫外光刻技术的进步。虽然在2005年的发展蓝图中还有微压印技术和无掩模光刻技术，但人们普遍接受的看法是极紫外光刻技术将成为下一代光刻技术，至于是193nm的浸入式光刻技术还是极紫外光刻技术用来生产45nm线宽的集成电路和32nm线宽的集成电路有待于两种技术的发展。谁的性能价格比好，谁就进入市场。微压印技术由于存在掩模制作极其困难的问题，无掩模光刻技术还不成熟，同时，这两种技术都与现有的光刻技术有个兼容问题，想走入大规模集成电路的生产线还有一定的难度。随着今年荷兰ASML公司推出两套适用性极紫外光刻样机进入生产工艺的开发，相信极紫外光刻技术真正进入生产领域指日可待。 我国在极紫外光刻相关技术研究方面有一定的积累，如在极紫外正入射高反射多层膜方面取得了接近国际先进水平的成果，但真正按照极紫外光刻技术的要求还有非常大的差距。本文结合极紫外光刻对光学技术的要求，分析极紫外光刻对光学技术提出的挑战。对这些挑战的回答，使得传统光学技术走入了纳米和亚纳米时代。 2 极紫外光刻技术的发展 上世纪80年代末期，日本NTT公司最先验证了极紫外光刻技术在制作微小线宽器件方面的能力，此后，美国和日本都在极紫外光刻方面进行了深入和广泛的研究，主要是验证极紫外光刻是否具有可以制作集成电路的能力。美国光学学会于1991年至1994年，连续四年召开了极紫外光刻学术会议，开始三届会议的名称是软X射线光刻，到1994年会议才正式将其更名为极紫外光刻。这期间，美国和日本都投入了大量的人力和物力开展研究，取得了很大的进步。开始时，美国的极紫外光刻技术研究是在能源部的三个实验室Sandia国家实验室（SNL）、Livermore国家实验室（LLNL）、Berkley国家实验室（LBNL）、ATT公司和大学里进行的，并于1996年研制成功了由两块球面反射镜组成缩小镜头的具有光刻功能的极紫外光刻原理样机，刻制出了线宽达50nm的线条，之后用其又完成了100nm线宽集成电路样品的制作，实现了对极紫外光刻技术得到了初步的认识。1997年，Intel成立了包括AMD，Motorola，Micron，Infineon和IBM的EUV LLC，并与由LBNL，LLNL和SNL构成的虚拟国家技术实验室（VNL）签订了EUVL联合研发协议（CRADA），开始了进行由四块非球面反射镜组成的EUVL工程测试样机，并于2001年完成整个设备的装配和测试，进行了工艺实验研究。1999年，EUVL被负责下一代光刻技术的SEMATECH选定为实现50nm及小