三星电子晶圆代工事业部的EUV单图案最小节距
（Minimum Pitch Single Patterning）
三星电子晶圆代工事业部在国际互连技术大会*上发表了一篇主题为“EUV Minimum Pitch Single Patterning（EUV单图案最小节距）”的论文。希望通过这篇文章，可以将论文内容，以及EUV（极紫光外刻）技术的特点分享给大家。
提起半导体，光刻是其中最受关注的关键词之一。EUV是用于光刻工艺的一项技术。为了更好地理解EUV，我们先来深度了解一下光刻工艺。
A.在雕刻前进行绘制
在进行切割或雕刻前，首先要做的是绘制图案。即提前把图案画好，以准确地在想要的部分上切割或雕刻。光刻步骤类似于图案绘制的过程。而半导体的生产制造，可以理解为是重复的堆叠和切割。利用光刻工艺，在想要切割的位置绘制图案。
B.盖印图案
在日常生活中，我们通常用笔来画草图。而通过光刻工艺的英文名称（Photolithography）中的Photo（照片、图案）这一词缀不难看出，光刻工艺多少与照片、图像有些渊源。如图[1]操作所示，光刻，是通过光将图案印在胶片上。
将想要绘制的图案制成薄板（也被称为掩膜（Mask）或光罩（Reticle）），使用薄板让光被阻隔或者透射过去，照射在需要的位置，从而显影出图案。
图[1] 类似照相机原理的光刻工艺。为克服尺寸的局限性，确保精确度，薄板上的图形应比所需照射的图形尺寸大，中间再通过透镜（Lens）聚集光来缩小尺寸进行照射。
但是，如果把光投射到纸上形成影子，影子的形状不会永久性留在纸上。若要像照片一样，将照相机镜头照进来的光留下，则需要通过胶片将光留影。在光刻工艺中，涂覆的光刻胶（PR, Photo Resist）便起到胶片的作用。光刻胶在光的作用下，自身特性会产生变化。
如图[2]所示，将光刻胶涂覆到想要切割的物质上后，当光穿过掩膜照射时，在受光和未受光区域之间，光刻胶会出现性质差异。利用这种差异，在光刻胶的受光或未受光区域中，可根据情况保留和移除所需区域，这个过程就是显影（Develop）。换言之，显影的区域便是掩膜的图案区域。将掩膜的图案（Pattern）显影在想要切割的物质上的过程，被称为成像（Patterning）。
图[2]光刻胶有两种。留下未受光部分，并保留与掩膜遮挡部分相同的形状时称为正胶（Positive PR）；另一种与其相反，留下受光部分，并保留与掩膜穿透部分相同的形状时称为负胶（Negative PR）。
在成像之后，需要进行蚀刻（Etch）工艺来切割物质，蚀刻会在整个区域一并进行，留有光刻胶的部分会被保留下来，从而得出目标图案。
至此，我们已经了解了光刻工艺的基本作用和原理。看来，光刻是一个相当简单的工艺，似乎通过掩膜照射光即可完成。可是，为什么光刻技术的进步和发展，会引起半导体行业的如此关注呢？
为了让工艺更加精细化，使用更小的晶体管来生产半导体，需要克服很多因素的局限。其中之一就是光刻工艺。那么，光刻工艺面临的“拦路虎”到底是什么呢？
影响成像的光的衍射和干涉
当光通过狭窄的缝隙时，会偏离原来的行进方向，出现扩散的衍射现象，以及两列光波相遇叠加或抵消的干涉现象，这就是影响成像的最大障碍。
如图[3]所示，光由于自身具备的衍射特性，在通过狭窄的缝隙时无法直行，而是以该缝隙为中心形成扇形波动进行扩散。衍射的特点是缝隙越窄或波长越长，扩散的范围就越大。
图[3] 在以上两种情况下，衍射现象更明显，波长扩散的范围也更大。波长变长的情况为(a)→(b)，缝隙宽度变窄的情况为(c)→(d)。
而图[4]更为复杂，衍射的光经过两个以上的缝隙扩散，并相互产生干涉现象。如图[4]的(a)所示，如果缝隙的宽度和间距相较于波长来说足够宽，就不会有问题。但如果像(b)一样宽度变窄，且缝隙之间的距离更近，就无法在光刻胶上正确显影所需的形状。也就是说，图案的线条越细（缝隙窄），排列越密（缝隙之间的间距越窄），就越难以精准绘制图案。
图[4] 通过较窄的缝隙时，衍射的光的扩散范围会更广，会在更大的区域内发生大量干涉现象，从而使光无法准确到达预期的位置。
随着工艺技术的发展，晶体管的尺寸越来越小。因此，光刻工艺中需要绘制的线条宽度也越来越窄，而密度越来越大。这也就意味着光刻工艺的难度变得越来越大。
要想克服光刻工艺所面临的局限性问题，有很多种方法可以用。首先，我们拿间接克服光的衍射、干涉问题来举例吧。
A.多重成像技术（Multi Patterning Technology）：如果难以一次绘制完成，就分成两次绘制！
在经过狭窄的道路时，您是不是也和别人撞到过肩膀？但如果大家走路的时候，距离远一点，就可避免碰撞。对引起光之间相互干涉现象的问题，采取的解决方法也与此类似：即加宽缝隙之间的间隔，减少光与光之间的干涉。
如图[5] (a)所示，对于较窄间距的四个缝隙，原来只进行一次成像，但现在通过(b)和(c)将其分为两次、每次两个缝隙来成像，便扩大了缝隙之间的间距，减少了干涉。
图[5] 如果将因缝隙过窄，无法正常成像的(a)分成(b)和(c)进行两次操作，则缝隙之间的距离会扩大，此时可以按照所需形状进行成像。
因为进行了多次成像，所以这种方式被称为多重成像技术。
B.光学邻近效应修正（OPC）：印小做大；印大做小！
在射箭打靶时，如果瞄准了靶心但箭却偏离了方向，通常会根据情况，在下一次将箭相应地向相反方向瞄准拉弦，也就是将误差考虑进来，重新计算。与之类似，在创建掩膜时对成像出现的误差进行相应调整，这就是光学邻近效应修正（OPC, Optical Proximity Correction）。如图[6]的过程所示，这是从结果中获得反馈后，故意将掩膜进行失真制作的方法。
图[6] 在进行光刻（Photo）和蚀刻（Etch）工艺流程时，由于光本身的特性导致成像未能正常完成，从而与掩膜的形状不同，会出现部分变厚或变薄，严重时甚至会消失，或出现与邻近部分粘连的情况。这一过程就是参考这种误差结果，来失真更改掩膜本身的形状进行操作，从而得到原本想要的形状。
但是，如果把光投射到纸上形成影子，影子的形状不会永久性留在纸上。若要像照片一样，将照相机镜头照进来的光留下，则需要通过胶片将光留影。在光刻工艺中，涂覆的光刻胶（PR, Photo Resist）便起到胶片的作用。光刻胶在光的作用下，自身特性会产生变化。
在变小的图案中，若要解决光的本身特性所带来的问题，减少光的波长才是最根本的方法。（参考图[3]） 因此，我们也一直在努力减少波长。
下一期的文章，将和大家分享光刻工艺的发展所带来的波长变化过程，以及最近备受关注的EUV所具备的特点。
*国际互连技术大会：IITC, International Interconnect Technology Conference
原文始发于微信公众号（三星半导体和显示官方）：三星半导体｜在晶圆上用光“画画”
English 
Chinese