双重图形技术（Double Patterning, DP）是半导体制造中用于实现关键尺寸（Critical Dimension, CD）小于45nm芯片的关键技术。
与非线性双重曝光技术不同，双重图形技术不存在材料与产率方面的问题，因此被广泛应用于先进半导体制造中。双重图形技术通过单次或两次独立曝光实现图形转移，并可进一步推广至三重和四重图形技术，本文对其进行简单的介绍，分述如下：
LELE技术通过两次独立的光刻和刻蚀步骤，将密集的线空图形转移到基底材料上。这种方法直接且有效，适用于复杂图形的制造。
1. 第一次光刻与刻蚀：在光刻胶上形成半密集图形，并通过刻蚀将图形转移到硬掩模上。
3. 第二次光刻与刻蚀：在硬掩模上再次进行光刻，使用位置偏移的掩模图形，形成与第一次图形错开的半密集图形。
4. 图形转移：将硬掩模上的图形转移到下层的氧化物层中。
硬掩模（如SiN、SiON、TiN等无机材料或旋涂碳等有机材料）因其与基底材料之间的高刻蚀选择性，常用于LELE工艺中，以提高图形转移的精度和效率。
LFLE技术通过减少一次刻蚀步骤来降低成本，同时保持较高的产率和设计灵活性。
2. 光刻胶冻结：使用表面固化剂或热固化方法使光刻胶线条对第二次光刻不敏感。
3. 第二次光刻：在已冻结的光刻胶上再次旋涂光刻胶，并进行曝光和显影，形成偏移后的线条图形。
4. 刻蚀：将两次光刻形成的图形组合作为掩模，通过刻蚀将图形转移到氧化硅层。
LFLE工艺步骤少，成本低，但需要考虑两次光刻工艺之间及其与冻结步骤之间的相互影响，如光刻胶之间的混合和扩散等。
SADP技术利用光刻胶作为牺牲层，在其两侧生成间隔层，从而实现图形的自对准。
2. 间隔层沉积：通过化学气相沉积（CVD）将间隔层材料均匀地沉积到光刻胶上。
3. 各向异性刻蚀：去除除附着在光刻胶侧壁上的间隔层材料。
4. 光刻胶去除：选择性地清除光刻胶材料，留下间隔层作为掩模。
5. 刻蚀基底：使用间隔层作为掩模对基底进行刻蚀。
SADP技术仅含一次光刻步骤，避免了两次光刻之间的套刻误差。然而，间隔层材料的间距受牺牲层图形关键尺寸和侧壁均匀性的影响，可能导致周期摆动现象。
通过两次SADP工艺，可以实现自对准四重图形（SAQP）技术，进一步减小光刻图形的周期。
综上所述，双重与多重图形技术在先进半导体制造中发挥着重要作用，通过不同的工艺组合和优化，可以实现高精度、高效率的图形转移，满足日益缩小的芯片尺寸需求。
双重显影（Double Tone Development, DTD）技术是由Asano首次提出的，该技术通过分别对光刻胶的高剂量曝光区和低剂量曝光区进行显影，实现了图形周期的有效缩小。
DTD技术是一种创新的自对准双重图形技术，其基本原理如下图所示。
1. 曝光：使用线空图形对光刻胶进行曝光，光刻胶中酸的浓度在最低值（蓝色区域）和最高值（红色区域）之间变化。
2. 第一次后烘（PEB）：触发光刻胶中的脱保护反应，使光刻胶在碱性显影液中可溶。
3. 第一次正显影：形成与掩模版图相同周期的沟道图形。
4. 第二次负显影：采用有机溶剂进行，制备出位置交错的沟道图形，从而将图形周期缩小一半以上。
5. 刻蚀：将频率翻倍后的光刻胶沟道图形转移到下层材料中。
DTD技术可在涂胶显影机上完成整个工艺流程，提高了生产效率。
与其他双重图形技术相比，DTD技术受到设计图形的限制，需要特定的光刻胶材料和精确的工艺控制。
第二次后烘过程中的脱保护反应对光刻胶形貌的影响至关重要，直接影响第二次显影后的图形质量。
尽管DTD技术具有许多吸引人的特性，但目前仍停留在实验室阶段，尚未广泛应用于商业半导体制造领域。
在半导体制造中，选择合适的双重或多重图形技术对于实现高精度、高效率的图形转移至关重要。不同技术具有各自的优缺点和适用范围。
LELE需要多次光刻和刻蚀，增加了工艺时间和成本。
LFLE通过减少一次刻蚀步骤降低了成本，但需要使用两种不同的光刻胶，增加了工艺复杂度。
SADP/SAQP和DTD是自对准双重图形技术，仅需一次光刻曝光，降低了对套刻精度的要求。
这些技术对设计版图有一定限制，并可能需要额外的曝光步骤来形成最终图形。
SADP/SAQP要求逻辑电路采用网格化设计，图形只能在同一方向上。
随着技术的不断发展，双重/多重图形技术已经在先进制造工艺中获得广泛应用，特别是在SADP/SAQP和LELE技术方面。
多重图形技术结合EUV光刻技术，可以制备特征尺寸小于10nm的图形，进一步推动了先进光刻技术的发展。
未来的研究将继续关注套刻控制、工艺优化以及新材料和新工艺的开发，以满足日益缩小的芯片尺寸需求。
原文始发于微信公众号（中国科学院半导体研究所）：光刻——双重与多重图形技术
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