衍射極限附近的光刻工藝

光刻機最大噱頭是光源為13.5納米的ASML光刻機，臺積電用這型號光刻機，實現(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。線寬是光刻機的性能指標，是長度單位，極限值是衍射極限值，一般接近波長值，大于波長值，所以很容易有這樣的錯誤想法：

注意臺積電實現(xiàn)了5納米制程，而不是ASML光刻機實現(xiàn)的，三星也用了，它至今沒有達到5納米制程，特別要注意不是達到了5納米線寬。但是，很多人在混淆這個概念，直接就說ASML光刻機是5納米光刻機，國產(chǎn)只能實現(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，國內又無法開發(fā)出13.5納米光源，趕上和超越ASML光刻機，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的光刻機只能接近衍射極限，臺積電的制程是臺積電的說法，只說明用的比三星英特好，制程不是長度概念。第二，衍射極限接近波長不準確，應該是衍射極限值=波長/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，球差和平場兩個要求難保證，所以一般Na值0.05。而193納米光源水浸潤后相當于132納米光源，Na值一般0.5。所以兩種光源幾乎無差異。而193納米光源特殊設計鏡頭， 使Na值達0.75，就有可能達到比13.5納米更好的效果。

第三，那么臺積電的制程比三星和英特更好又是什么回事？使用光刻機還有幾個因素：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的線寬是，每平方毫米5000萬只晶體管，每平方微米50只，單個晶體管占20000平方納米，也就是平均140納米的見方。比起13.5納米波長，相差十倍多，所以對193納米浸潤后的光源相當于132納米，都在衍射極限以內。

我最近關于麥氏方程組的研究，發(fā)現(xiàn)這個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值，不完全取決于這個值，還和光刻機的使用有關系，這個可以用衍射理論說清楚的，這里我不講。第五，本來光刻機和它的應用，已經(jīng)觸及衍射極限，本該有一個基礎理論的重大突破，它的意義遠遠大于光刻機的極限線寬。

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涉及光刻機。

研發(fā)光刻機研發(fā)涉及多個專業(yè)，光學、機械加工、電子電路、化學等。

光刻機涉及到的知識有：光學、機械加工、電子電路、化學等多個學科知識。光刻機的主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產(chǎn)效率等。分辨率是對光刻工藝加工可以達到的最細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。對準精度是在多層曝光時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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對光源系統(tǒng)的要求

a.有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；[波長越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對于精度控制要求越高，因為衍射現(xiàn)象會更嚴重。]

b.有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

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）。

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

曝光系統(tǒng)的功能主要有：平滑衍射效應、實現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實現(xiàn)強光照明和光強調節(jié)等。

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

常規(guī)光刻技術是采用波長為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）媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質層上的一種工藝。

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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構作為模板。由于電子的衍射極限遠小于光子，因此可以達到遠高于光刻的分辨率。

第二步是圖樣的轉移。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，然后使用化學刻蝕的方法進行加工，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)外媒報道，勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限，采用碳納米管復合材料將現(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其實指的是，CPU的上形成的互補氧化物金屬半導體場效應晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。

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

　　柵長可以分為光刻柵長和實際柵長，光刻柵長則是由光刻技術所決定的。 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，因此會導致光刻柵長和實際柵長不一致的情況。另外，同樣的制程工藝下，實際柵長也會不一樣，比如雖然三星也推出了14nm制程工藝的芯片，但其芯片的實際柵長和Intel的14nm制程芯片的實際柵長依然有一定差距。

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

中文名

納米壓印技術

外文名

Nanolithography

概念

納米壓印技術，是通過光刻膠輔助，將模板上的微納結構轉移到待加工材料上的技術。報道的加工精度已經(jīng)達到2納米，超過了傳統(tǒng)光刻技術達到的分辨率。這項技術最初由美國普林斯頓大學的Stephen. Y. Chou（周郁）教授在20世紀90年代中期發(fā)明。

加工過程

納米壓印技術分為三個步驟。

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構作為模板。由于電子的衍射極限遠小于光子，因此可以達到遠高于光刻的分辨率。

第二步是圖樣的轉移。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，然后使用化學刻蝕的方法進行加工，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

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

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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，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質膜，就構成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通?？叹€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。光柵方程將某波長的衍射角和入射角通過光柵常數(shù)d起來，為入射光波長，m為衍射級次，取等整數(shù)。式中的“”號選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側時取正號，在法線兩側時取負號

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

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

光柵分為刻劃光柵、復制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機械刻劃而成；復制光柵是用母光柵復制而成。典型刻劃光柵和復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，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)，存在一個直徑為R的圓。當狹縫和光柵都在這個圓上時，則這個圓就是狹縫衍象焦點的軌跡。這個圓稱為羅蘭(Rowland)圓，這時凹面光柵同時起到準直與聚焦的作用。

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，而光柵圓弧所對應的弦上是等距離的。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與羅蘭圓相切，其他各點對稱地偏離羅蘭圓。

衍射極限附近的光刻工藝講解

光子納米射流是一種高強度，極窄的亞波長電磁場區(qū)域，它是由介電微球或微柱體的Mie散射對電磁場的聚焦作用產(chǎn)生的。光子納米射流廣泛應用于激光加工、納米光刻、光學高密度存儲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)結構對光束進行聚焦，由于徑向偏振光在焦點區(qū)域可以產(chǎn)生較強的縱向場，通過優(yōu)化圓環(huán)的尺寸、折射率以及與物鏡焦點的相對位置，可以得到超過90%光束質量的縱向光子納米射流，而且強度相比于未使用圓環(huán)時可以提高約一個數(shù)量級，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，因此該結構預計可以在粒子加速、光鑷以及拉曼光譜學中有所應用。

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光刻機的最高分辨率是有固定公式按納米計算的。

分辨率是對光刻工藝加工可以達到的最細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；k1是工藝相關參數(shù)，NA(NumericalAperture)被稱作數(shù)值孔徑，是光學鏡頭的一個重要指標，一般光刻機設備都會明確標注該指標的數(shù)值。