文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了什么是X射線光刻

隨著極紫外光刻（EUV）技術面臨光源功率和掩模缺陷挑戰，X射線光刻技術憑借其固有優勢，在特定領域正形成差異化競爭格局。

接近式X射線光刻

X射線光刻掩模版

投影式X射線光刻

接近式X射線光刻

X射線光刻作為下一代微納加工技術的關鍵方向，其核心優勢在于利用波長僅1nm量級的X射線（能量范圍1~10 keV）實現超精細圖案化。

與傳統光學光刻不同，X射線的短波長特性使其衍射效應可忽略不計，理論上可突破光學衍射極限，為3nm及以下節點芯片制造提供解決方案。

一、X射線源技術體系

當前主流X射線源包含四大技術路線：

電子碰撞源（占比約70%應用）

原理：高能電子束轟擊鎢/鉬等難熔金屬靶材，通過內殼層電子躍遷產生特征X射線，同步伴隨韌致輻射形成連續譜

特點：設備成熟度高，但存在靶材熱負載問題（鎢熔點3422℃）

激光等離子體源

機制：高功率激光聚焦產生高溫等離子體（溫度達106 K），通過軔致輻射和線輻射復合產生X射線

優勢：脈沖式輸出，峰值亮度可達1012W/cm2

放電等離子體源

結構：通過脈沖氣體放電形成Z箍縮等離子體，適用于大面積均勻輻射

應用場景：平板顯示器修復領域

同步加速器光源

特性：基于相對論電子在磁場中偏轉產生的同步輻射，具有高準直性和偏振特性

局限：設備體積龐大（北京同步輻射裝置周長240m），僅限實驗室使用

二、接近式X射線光刻系統架構

系統構成三要素：

輻射單元：電子碰撞源為核心組件，需配置鈹窗（厚度0.1-0.5mm）實現真空隔離

光路系統：采用1:1成像架構，典型配置參數

工作距離D：1m（光闌至掩模間距）

間隙G：25μm（掩模與晶圓間距）

環境控制：充氦氣（壓力<100Pa）或真空腔體（<10-4Pa）

工件臺系統

步進式運動機構（精度±50nm）

掩模-晶圓對準系統（采用莫爾條紋技術，對準精度<100nm）

三、接近式曝光工藝優化

性能提升路徑

光源優化：

采用多極磁聚焦電子槍，將電子束斑尺寸壓縮至50μm以下

實施脈沖式曝光（脈寬<1μs），降低熱負載效應

掩模技術突破

開發鉭基吸收體（Ta/TaN多層膜），實現20:1線寬比

應用應力補償層（SiNx/SiO2復合膜），控制膜層翹曲<5μm

環境控制創新

氦氣純度控制：H2O含量<1ppm，避免X射線吸收

振動隔離：采用主動阻尼平臺，振動幅值<0.1nm（1-100Hz）

四、行業應用展望

當前接近式X射線光刻系統已在以下領域實現產業化突破：

先進封裝：TSV轉接板加工（線寬/間距<1μm）

MEMS器件：加速度計彈簧結構制作（厚度變異<2%）

光子芯片：硅基波導刻蝕（側壁粗糙度<5nm）

X射線光刻掩模版

一、基底材料選擇：低Z元素薄膜的必然性

X射線光刻掩模版的基底材料選擇遵循獨特的光學定律：由于X射線穿透性與材料原子序數（Z值）呈負相關，低Z元素薄膜成為唯一可行方案。

典型材料體系包含三大方向：

氮化硅（Si?N?）體系

優勢：與硅基底工藝兼容性優異，LPCVD制備溫度可控制在700-850℃

局限：硬度（HV≈15GPa）低于碳化硅，抗輻射劑量閾值約5×10? rad

碳化硅（SiC）體系

特性：硬度達HV≈28GPa，熱導率490 W/(m·K)，在10 keV X射線處吸收系數僅0.03 cm?1

突破：采用化學氣相沉積（CVD）結合高溫石墨基座，實現單晶4H-SiC外延生長

金屬薄膜體系

鎢（W）方案：在5 keV處吸收系數0.35 cm?1，但熱膨脹系數（4.5×10??/K）與硅差異顯著

金（Au）方案：作為應急替代方案，需配合鈦（Ti）粘附層使用

二、吸收層薄膜制備工藝：應力控制的精密工程

吸收層薄膜制備的核心挑戰在于多層膜應力管理，典型工藝流程包含：

低壓化學氣相淀積（LPCVD）

參數優化：在650℃下，通過調節SiH?/NH?比例（從1:3到1:10），實現薄膜壓應力從-200 MPa至+150 MPa的調控

創新技術：采用等離子體增強CVD（PECVD）在250℃低溫制備氮化硅，殘余應力控制在±50 MPa以內

摻雜選擇性刻蝕技術

實施步驟：在硅基底背面注入硼離子（能量150 keV，劑量5×101? cm?2），形成1μm厚的重摻雜層（電阻率<0.01 Ω·cm）

刻蝕優勢：利用TMAH溶液（25wt%，80℃）實現硅與重摻雜層刻蝕速率比達400:1

三、掩模版制作工藝流程：雙工藝路徑解析

復雜工藝流程：

多層膜堆疊

基底：2μm LPCVD Si?N?/Si(100)

功能層：500nm Ta/Au（Ta 50nm粘附層，Au 450nm吸收層）

硬掩膜：200nm Cr

光刻膠：10μm AZP 1350（正膠）

圖形轉移關鍵步驟

反應離子刻蝕（RIE）參數：CF?/O?=4:1，功率300W，壓強50mTorr，實現Cr:AZP選擇比>5:1

電鍍工藝：采用亞硫酸金鈉體系，電流密度0.5A/dm2，獲得純度99.99%的金圖形

簡化工藝流程

技術瓶頸：鎢刻蝕需解決CF?/SF?混合氣體對Si?N?基底的攻擊問題，當前最佳選擇比（W:Si?N?）僅15:1

突破方向：開發Cl?/BCl?基氣體組合，在100℃低溫下實現W:Si?N?選擇比提升至40:1

四、圖形畸變控制：多維誤差補償策略

四大畸變源及解決方案：

電子束直寫誤差

補償技術：采用鄰近效應校正（PEC）算法，結合蒙特卡洛模擬，將50kV電子束散射范圍控制在<30nm

壓緊不均勻性

機械優化：采用氣浮式壓緊裝置，通過壓力反饋控制實現面內壓力波動<0.5%

薄膜應力失配

應力平衡設計：在吸收層下方引入50nm SiO?應力補償層，使總應力控制在±20 MPa以內

熱膨脹差異

材料配對：選擇熱膨脹系數匹配的Ta（6.3×10??/K）與Si（2.6×10??/K），通過金屬間化合物形成梯度過渡層

五、基底層減薄技術：透明度與機械強度的博弈

納米多孔硅技術

制備工藝：電化學陽極腐蝕形成孔隙率50%的多孔硅層，彈性模量從190GPa降至10GPa

強化措施：表面滲碳處理（1000℃，甲烷氣氛），形成3μm厚SiC保護層

復合支撐結構

結構設計：采用直徑200mm的石墨環支撐，配合鈦合金銷釘定位，實現基底有效厚度減至50μm

性能指標：在1g加速度下，面形精度（PV值）保持<50nm

六、行業應用與技術前沿

典型應用場景

先進封裝：2.5D轉接板TSV加工（孔徑<2μm，深寬比>10:1）

MEMS器件：諧振式壓力傳感器彈簧結構（線寬變異系數<1%）

光子集成電路：氮化硅波導刻蝕（側壁粗糙度Ra<2nm）

技術發展趨勢

極紫外兼容性：開發TaN/Ru多層膜，實現X射線/EUV雙模掩模版

智能掩模技術：集成壓電薄膜傳感器，實時監測圖形變形量

自修復材料：探索形狀記憶合金基底，通過局部加熱實現亞微米級形變校正

X射線光刻掩模版技術正處于材料創新與工藝突破的交匯點，通過跨學科技術融合，正在開辟超越傳統光學光刻的新維度。隨著5nm以下節點技術的推進，掩模版技術將從單純圖形載體演變為智能化的光刻系統核心組件。

投影式X射線光刻

一、系統架構與工作原理

投影式X射線光刻系統采用全反射式光學架構，其核心設計邏輯源于X射線與物質的相互作用特性。

系統光路可分解為四大模塊：

等離子體X射線源

激發機制：采用受激準分子激光（如XeCl，308nm）轟擊液態錫靶，產生13.5nm波長的EUV輻射

脈沖特性：重復頻率50kHz，單脈沖能量達5mJ/cm2，實現125W平均功率輸出

聚光與照明系統

多層膜反射鏡：采用40對Mo/Si周期結構，每層厚度精確控制在6.9nm（Mo）和4.2nm（Si）

掠入射角設計：入射角控制在15°，實現X射線收集效率最大化

反射式掩模版

基底材料：采用熱導率優異的超低膨脹玻璃（ULE，CTE<10??/K）

吸收層結構：60nm TaN薄膜（EUV波段吸收率>95%），表面粗糙度Ra<0.2nm

球面成像反射鏡組

四鏡系統：采用Wolter型非球面設計，表面誤差PV值<0.5nm

數值孔徑：NA=0.3，實現0.1μm分辨率下的景深>1μm

二、反射鏡技術與材料科學突破

反射鏡性能是系統成像質量的關鍵制約因素，技術突破集中在：

多層膜沉積技術

磁控濺射工藝：在200mm直徑基底上實現Mo/Si周期厚度誤差<0.05nm

界面粗糙度控制：采用低溫沉積（<100℃），將層間擴散控制在<0.3nm

納米精度加工

應力補償技術：通過離子束拋光（IBF）實現面形精度PV<0.2nm

污染控制：在超潔凈室（ISO 1級）內組裝，碳氫化合物污染度<5000個/m3

熱管理方案

主動冷卻系統：采用液氦循環，將反射鏡溫度波動控制在±0.01℃

熱變形補償：通過有限元分析優化支撐結構，實現熱膨脹抵消

三、光源技術與波長優化

13.5nm波長的選擇基于三大物理優勢：

反射率特性

Mo/Si多層膜在13.5nm處反射率達70%（單層界面），四鏡系統累積反射率>25%

相比5nm波長，反射率提升3倍，顯著降低光源功率需求

材料吸收特性

典型光刻膠（如PMMA）在13.5nm處吸收系數0.3μm?1，實現50:1的線寬比控制

掩模版吸收層厚度優化至60nm，在保證吸收率的同時降低熱負載

等離子體產生效率

錫靶激光等離子體源在13.5nm波長處的轉換效率達2%

相比Xe氣體源，碎片產生率降低80%，延長反射鏡維護周期

四、掃描曝光與動態成像技術

系統采用雙掃描曝光模式實現大面積曝光：

同步掃描機制

掩模版與晶圓以1:1速度比反向掃描，速度精度控制在±0.1%

采用激光干涉儀（分辨率0.1nm）實現位置閉環控制

拼接精度控制

視場尺寸26mm×33mm，通過六自由度微動臺實現視場間重疊誤差<50nm

采用莫爾條紋技術，實現跨視場套刻精度<3nm

劑量控制算法

脈沖能量監測：實時校正脈沖能量波動（目標值±0.5%）

灰度曝光技術：通過脈沖數量調制實現邊緣粗糙度（LER）<2nm

五、關鍵技術挑戰與突破方向

當前技術瓶頸及解決方案包括：

反射鏡壽命問題

錫污染控制：采用磁場約束等離子體，將錫沉積速率控制在<0.1nm/h

離子清洗技術：開發氬氣簇離子束（GCIB）清洗工藝，實現反射率恢復>95%

光源穩定性

預脈沖技術：采用雙激光脈沖（預脈沖+主脈沖），將等離子體穩定性提升至σ<1%

碎片過濾：設計三級碎片過濾系統，關鍵光學元件污染周期延長至>10?脈沖

系統集成度

真空集成：采用差分真空系統，實現光源區（10??Pa）與曝光區（10?3Pa）壓力隔離

熱隔離設計：通過熱屏蔽結構將光源熱負載對成像系統的影響控制在<0.1℃

六、行業應用與技術前瞻

投影式X射線光刻技術正在開辟三大應用前沿：

邏輯器件制造

3nm節點以下FinFET加工，實現接觸孔直徑<12nm

采用雙重曝光技術，突破單次曝光分辨率極限

存儲器技術

3D NAND垂直溝道刻蝕，層數突破500層

采用自對準多重成像（SAMP）技術，實現層間對準精度<5nm

異構集成

2.5D轉接板微凸點加工，間距<4μm

結合自組裝單分子層技術，實現銅互連電阻降低30%

未來技術發展將聚焦三大方向：

高NA系統：開發NA=0.55系統，實現8nm分辨率

光源創新：探索自由電子激光（FEL）光源，實現10kHz重復頻率

智能光刻：集成機器學習算法，實現實時像差校正與劑量優化