EUV到來之前的頂梁柱，你真的了解浸入式光刻嗎？

　　如果歷史可以重演的話，日本人Takanashi一定會重新選擇申請專利的時間。1984年，正是他在一項美國專利中定義了浸入式光刻機最基本的結構特征，即在最后一級物鏡與光刻膠之間充入一層透明的液體。只可惜這項專利誕生的“過早”，真正意義上的浸入式光刻要在若干年后才會出現，Takanashi也因此與巨額專利費擦肩而過。

　　然而歷史的發(fā)展就是這樣奇妙，一個當時甚為大膽的想法在日后也許就會風光無限。浸入式光刻從最初的想法雛形到現如今推動摩爾定律繼續(xù)前進，其間經歷波折無數，未來也注定不會是平坦大道。它的魅力究竟在哪里，未來又會有哪些發(fā)展趨勢呢？就讓我們帶著對浸入式光刻的疑問一探究竟吧。

　　為什么是浸入式光刻？

　　自從摩爾定律被提出，人類的想象力就得到了無限發(fā)揮的空間。每一次尺寸縮小就意味著制程上的革新，一幕幕工藝上的改朝換代就這樣不斷上演，浸入式光刻也就此走上了歷史舞臺。

　　浸入式光刻的原型實驗在上世紀90年代開始陸續(xù)出現。1999年，IBM的Hoffnagle使用257nm干涉系統(tǒng)制作出周期為89nm的密集圖形。當時使用的浸入液是環(huán)辛烷。但因為當時對浸入液的充入、鏡頭的沾污、光刻膠的穩(wěn)定性和氣泡的傷害等關鍵問題缺乏了解，人們并未對浸入式光刻展開深入的研究。

　　2002年以前，業(yè)界普遍認為193nm光刻無法延伸到65nm技術節(jié)點，而157nm將成為主流技術。然而，157nm光刻技術遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數材料會強烈地吸收157nm的光波，只有CaF2勉強可以使用。但研磨得到的CaF2鏡頭缺陷率和像差很難控制，并且價格相當昂貴。雪上加霜的是它的使用壽命也極短，頻繁更換鏡頭讓芯片制造業(yè)無法容忍。

　　正當眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時，時任TSMC資深處長的林本堅提出了193nm浸入式光刻的概念。在157nm波長下水是不透明的液體，但是對于193nm的波長則是幾乎完全透明的。并且水在193nm的折射率高達1.44，而可見光只有1.33！如果把水這樣一種相當理想的浸入液，配合已經十分成熟的193nm光刻設備，那么設備廠商只需做較小的改進，重點解決與水浸入有關的問題，193nm水浸式光刻機就近在咫尺了。同時，193nm光波在水中的等效波長縮短為134nm，足可超越157nm的極限。193nm浸入式光刻的研究隨即成為光刻界追逐的焦點。

　　浸入式光刻是指在光刻機投影鏡頭與半導體硅片之間用一種液體充滿，從而獲得更好分辯率及增大鏡頭的數值孔徑，進而實現更小曝光尺寸的一種新型光刻技術（下圖）。

　　浸入式光刻示意圖

　　讓我們看一下光刻系統(tǒng)分辨率的著名Rayleigh方程：

　　R=kλ/NA

　　式中λ是光的波長，NA是系統(tǒng)中透鏡的數值孔徑，k是分辨率系數，代表了所有的其它工藝變量。顯而易見，減小曝光光源的波長并增加投影透鏡的NA都可以提高分辨率。自從193nm波長成為主攻方向以后，增大NA成為了業(yè)界人士孜孜不倦的追求。表1是提高193nm ArF浸入式光刻機NA的方案。由此可見，浸入液、光刻設備和其它相關環(huán)節(jié)的緊密配合是浸入式光刻技術前進的保證。

　　誰是水以后的接班者？

　　將液體置于主鏡頭和硅片之間，入射光線自然而然地就會穿透比空氣折射率更高的液體，這種方式本身并沒有提高特定投影圖像的分辨率，但是它卻能夠賦予光刻機的鏡頭更高的數值孔徑。

　　NA=n sinα，其中n是透鏡周圍介質的折射系數，α是透鏡的接受角。傳統(tǒng)的“干法”光刻系統(tǒng)中，介質是折射系數為1的空氣，則NA的理論最大值為1。采用具有更高折射系數的液體，浸入技術有可能使系統(tǒng)的NA》1。比如使用折射率為1.44的去離子水后，NA的理論最大值即為1.44。在193nm曝光系統(tǒng)中，分辨率R=kλ/NA就可以達到k*193/1.44=132mn。如果液體不是水而其它液體，但折射率比1.44高時，則實際分辨率可以非常方便地再次提高，也這是浸入式光刻技術能很快普及的原因。Nikon上海的技術部副總經理田曉明介紹說，水作為浸入液的一大優(yōu)勢是它與193nm光刻膠的反應很小，并且可以通過光刻膠的改進或是增加頂部覆蓋層來降低水的影響。這也是水能夠被廣泛應用的原因之一。

　　浸入式光刻的數值孔徑大小是與使用液體的折射率是直接相關的。因此，人們正在著眼于尋找除水以外具有更大折射率的液體。早在2005年SPIE Microlithography的年會上，JSR和DuPont等公司就已經公布了它們的高折射率液體的研發(fā)計劃。在選擇高折射率液體時，考慮的重點包括：與光刻膠沒有反應；光透過率高；折射率高；其它各種特性良好（表2）。已研發(fā)出的第二代浸入液的折射率為1.64，該液體氧氣的吸收很少，即便被曝露于空氣中性能也十分穩(wěn)定。并且由于蒸汽壓很低，所以很難發(fā)生熱分解。這個折射率數值能夠把193nm光刻機的有效波長降低到大約116nm左右。至于第三代浸入液，它的折射率應為1.8左右，同時還需要有更高折射率的鏡頭才能達到約1.65的NA值。

　　浸入液體在未來仍有許多問題亟待解決：什么樣的液體更適合浸入式光刻的需求；液體的供給與回收；液體傳輸中的流速、氣泡、溫度、壓力的控制；液體特性，例如流速、氣泡、溫度、壓力變化對光學性能（折射率，吸收，散射、雙折射、像差）的影響及其測量與控制；偏振光照明時，液體與抗蝕劑的相互作用；液體折射率與液體兩側元件折射率匹配；液體與光刻環(huán)境中相關元件的兼容性等。

　　光刻設備如何齊頭并進？

　　在光刻設備領域，一直是ASML、Nikon和Canon的“三國演義”，浸入式光刻系統(tǒng)自然也是各有千秋。

　　Nikon專有的局部填充技術（Local Fill Technology）能夠消除掃描導致的浸沒缺陷、氣泡、水印或晶圓背部玷污。該項技術還能消除浸入液體的蒸發(fā)，從而有利于防止由浸液導致的套準問題。Nikon的浸入式光刻設備主要面向45nm量產工藝，也可以用于32nm工藝的研發(fā)工作。

　　荷蘭光刻巨頭ASML的Twinscan NXT系列浸入式光刻系統(tǒng)則是針對38nm存儲器和32nm邏輯芯片產品的大規(guī)模量產化制造，該系統(tǒng)采用1.35NA的鏡頭和新型的機臺設計理念，將測量和曝光同時進行，得以在第一時間得到結果反饋，不僅套刻精度、分辨率得到很大提高，而且生產能力也提升了30%以上?！皩τ诖S來說，在關心最終良率的同時，如何大幅提高生產能力是提高競爭能力的關鍵，”ASML負責亞洲事務的市場主管Ryan Young說，“創(chuàng)新的光刻系統(tǒng)設計有助于光刻工藝引領摩爾定律向前發(fā)展。

　　對于光刻設備來說，鏡頭是制約發(fā)展的主要瓶頸之一。通過改善光學主鏡頭來提高光刻機NA的主要途徑有兩個：一是用彎曲主鏡頭替代平面鏡頭。但彎曲主鏡頭的表面很難控制浸入液體的流動，用于浸入式光刻機有一定難度；二是尋找高折射率的光學主鏡頭材料。目前193nm ArF浸入式光刻機主鏡頭折射率為1.56，IBM與JSR聯合推出Nemo系統(tǒng)主鏡頭采用高密度石英材料，其折射率為1.6。折射率為2.1的镥鋁柘榴石（LuAG）是候選熱門之一。

　　盡管理論上折射式鏡頭能夠擴展到很高的NA，但是由于受到材料和光刻機尺寸的限制，這種擴展難度太大，成本過高。因此，要想研制超高NA的下一代鏡頭，更換思路，采用截然不同的鏡頭設計可能會柳暗花明。

　　新型的反射折射式鏡頭將折射透鏡和反射鏡結合起來，能夠在保持光刻機尺寸不變的條件下使鏡頭更加緊湊和更易操作。另外，既使只用一種透鏡材料，通過使用凹面鏡和凹透鏡等元件，設計得當的反射折射式鏡頭能夠很好地對色差進行補償。通過使色差最小化，能夠抑制由激光帶寬變動所引起的光學鄰近效應。然而，反射折射式鏡頭的研制還需要克服許多設計難題，比如局部光斑、入射角和熱象差、偏振狀態(tài)控制能力的保持，以及多/單軸配置的選擇和所用反射鏡的數量與類型等鏡頭設計細節(jié)，都對這些挑戰(zhàn)有重要的影響。

　　萬物歸EUV

　　如果光刻技術要數現代集成電路上的第二大難題，那么絕對沒有別的因素敢稱第一。目前，193nm 液浸式光刻系統(tǒng)是最為成熟的技術，它在精確度及成本上達到了一個近乎完美的平衡，短時間內很難被取代。不過，一種名為極紫外光刻（EUV 光刻）的技術半路殺出，成為近年來英特爾、臺積電等芯片公司追捧的新寵。有人認為EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實是否真的如此？

　　現在，科技的發(fā)展的確到了一個轉折點。荷蘭的光刻工具制造商 ASMLHolding 生產的 EUV 光源即將開始商業(yè)化投產。作為技術領航人的 ASML 公司，目前已經開始發(fā)貨 EUV 光源，預計在 2018 年可實現最新的微處理器和存儲器的批量生產。世界最先進的芯片制造商正在籌備將這些機器應用到自己的生產線中。

　　這樣做的風險很高。摩爾定律正在面臨巨大挑戰(zhàn)，沒有人能確定去年總產值為 3300 億美元的半導體產業(yè)將如何引導 5 年或是 10 年內的發(fā)展，也無人知曉“后摩爾定律”時代的半導體行業(yè)未來會是什么樣子，利潤的下降也可能是無法避免的。但是如果摩爾定律能有效地避免半導體行業(yè)營業(yè)額下降，即使只有 15%，它的現金流仍然是整個美國游戲產業(yè)營業(yè)額的兩倍。

　　光蝕刻系統(tǒng)制造的精細程度取決于很多因素。但是實現跨越性進步的有效方法是降低使用光源的波長。幾十年來，光刻機廠商們就是這么做的：他們將晶圓曝光工具從人眼可見的藍光端開始逐漸減小波長，直到光譜上的紫外線端。

　　但是，EUV 技術是非常困難的。在使用波長近乎為X光的射線去蝕刻時，物理學知識并不能為工程師幫上多少忙。對于公司最終選擇的 13.5nm 波長射線，這種光可以輕易地被很多材料吸收。van Dijsseldonk補充道：“即使我們呼吸的空氣也是完全的黑色，因為它也吸收了最后一點射線?！彼运退膱F隊很早就意識到，EUV光刻機只能在真空下運行，晶圓通過一個氣閘進出光刻機。

　　之后接踵而來的就是讓射線彎曲的問題。EUV 也能被玻璃吸收，所以在機器中改變其走向，需要使用反射鏡來代替透鏡，而且還不能是普通的反射鏡。普通打磨鏡面的反射率還不夠，所以他們必須使用布拉格反射器（Bragg reflector，一種多層鏡面，可以將很多小的反射集中成一個單一而強大的反射）。

　　《詩經》里有一句話：“溯洄從之，道阻且長?！睂τ谌缃竦?a target="_blank">半導體制造業(yè)和光刻技術來說，這句話同樣適用。新材料的涌現、新設計的采用注定不會停止，這是我們保持樂觀的理由。