雙重圖形技術（Double Patterning, DP）是半導體制造中用于實現關鍵尺寸（Critical Dimension, CD）小于45nm芯片的關鍵技術。
與非線性雙重曝光技術不同，雙重圖形技術不存在材料與產率方面的問題，因此被廣泛應用于先進半導體制造中。雙重圖形技術通過單次或兩次獨立曝光實現圖形轉移，并可進一步推廣至三重和四重圖形技術，本文對其進行簡單的介紹，分述如下：
LELE技術通過兩次獨立的光刻和刻蝕步驟，將密集的線空圖形轉移到基底材料上。這種方法直接且有效，適用于復雜圖形的制造。
1. 第一次光刻與刻蝕：在光刻膠上形成半密集圖形，并通過刻蝕將圖形轉移到硬掩模上。
3. 第二次光刻與刻蝕：在硬掩模上再次進行光刻，使用位置偏移的掩模圖形，形成與第一次圖形錯開的半密集圖形。
4. 圖形轉移：將硬掩模上的圖形轉移到下層的氧化物層中。
硬掩模（如SiN、SiON、TiN等無機材料或旋涂碳等有機材料）因其與基底材料之間的高刻蝕選擇性，常用于LELE工藝中，以提高圖形轉移的精度和效率。
LFLE技術通過減少一次刻蝕步驟來降低成本，同時保持較高的產率和設計靈活性。
2. 光刻膠凍結：使用表面固化劑或熱固化方法使光刻膠線條對第二次光刻不敏感。
3. 第二次光刻：在已凍結的光刻膠上再次旋涂光刻膠，并進行曝光和顯影，形成偏移后的線條圖形。
4. 刻蝕：將兩次光刻形成的圖形組合作為掩模，通過刻蝕將圖形轉移到氧化硅層。
LFLE工藝步驟少，成本低，但需要考慮兩次光刻工藝之間及其與凍結步驟之間的相互影響，如光刻膠之間的混合和擴散等。
SADP技術利用光刻膠作為犧牲層，在其兩側生成間隔層，從而實現圖形的自對準。
2. 間隔層沉積：通過化學氣相沉積（CVD）將間隔層材料均勻地沉積到光刻膠上。
3. 各向異性刻蝕：去除除附著在光刻膠側壁上的間隔層材料。
4. 光刻膠去除：選擇性地清除光刻膠材料，留下間隔層作為掩模。
5. 刻蝕基底：使用間隔層作為掩模對基底進行刻蝕。
SADP技術僅含一次光刻步驟，避免了兩次光刻之間的套刻誤差。然而，間隔層材料的間距受犧牲層圖形關鍵尺寸和側壁均勻性的影響，可能導致周期擺動現象。
通過兩次SADP工藝，可以實現自對準四重圖形（SAQP）技術，進一步減小光刻圖形的周期。
綜上所述，雙重與多重圖形技術在先進半導體制造中發揮著重要作用，通過不同的工藝組合和優化，可以實現高精度、高效率的圖形轉移，滿足日益縮小的芯片尺寸需求。
雙重顯影（Double Tone Development, DTD）技術是由Asano首次提出的，該技術通過分別對光刻膠的高劑量曝光區和低劑量曝光區進行顯影，實現了圖形周期的有效縮小。
DTD技術是一種創新的自對準雙重圖形技術，其基本原理如下圖所示。
1. 曝光：使用線空圖形對光刻膠進行曝光，光刻膠中酸的濃度在最低值（藍色區域）和最高值（紅色區域）之間變化。
2. 第一次后烘（PEB）：觸發光刻膠中的脫保護反應，使光刻膠在堿性顯影液中可溶。
3. 第一次正顯影：形成與掩模版圖相同周期的溝道圖形。
4. 第二次負顯影：采用有機溶劑進行，制備出位置交錯的溝道圖形，從而將圖形周期縮小一半以上。
5. 刻蝕：將頻率翻倍后的光刻膠溝道圖形轉移到下層材料中。
DTD技術可在涂膠顯影機上完成整個工藝流程，提高了生產效率。
與其他雙重圖形技術相比，DTD技術受到設計圖形的限制，需要特定的光刻膠材料和精確的工藝控制。
第二次后烘過程中的脫保護反應對光刻膠形貌的影響至關重要，直接影響第二次顯影后的圖形質量。
盡管DTD技術具有許多吸引人的特性，但目前仍停留在實驗室階段，尚未廣泛應用于商業半導體制造領域。
在半導體制造中，選擇合適的雙重或多重圖形技術對于實現高精度、高效率的圖形轉移至關重要。不同技術具有各自的優缺點和適用范圍。
LELE需要多次光刻和刻蝕，增加了工藝時間和成本。
LFLE通過減少一次刻蝕步驟降低了成本，但需要使用兩種不同的光刻膠，增加了工藝復雜度。
SADP/SAQP和DTD是自對準雙重圖形技術，僅需一次光刻曝光，降低了對套刻精度的要求。
這些技術對設計版圖有一定限制，并可能需要額外的曝光步驟來形成最終圖形。
SADP/SAQP要求邏輯電路采用網格化設計，圖形只能在同一方向上。
隨著技術的不斷發展，雙重/多重圖形技術已經在先進制造工藝中獲得廣泛應用，特別是在SADP/SAQP和LELE技術方面。
多重圖形技術結合EUV光刻技術，可以制備特征尺寸小于10nm的圖形，進一步推動了先進光刻技術的發展。
未來的研究將繼續關注套刻控制、工藝優化以及新材料和新工藝的開發，以滿足日益縮小的芯片尺寸需求。
原文始發于微信公眾號（中國科學院半導體研究所）：光刻——雙重與多重圖形技術
