浸沒式光刻，拯救摩爾定律

2000年代初，芯片行業(yè)一直致力于從193納米氟化氬（ArF）光源光刻技術(shù)過渡到157納米氟（F 2 ）光源光刻技術(shù)。就像藝術(shù)家希望用細(xì)線筆代替記號筆來繪制更精確、更詳細(xì)的圖片一樣，這種向更小波長的重大轉(zhuǎn)變是業(yè)界希望繼續(xù)縮小晶體管并在芯片上實(shí)現(xiàn)更多計(jì)算能力和存儲功能的希望。然而，意想不到的事態(tài)發(fā)展證明了將工程推向極限的風(fēng)險，但物理定律并不同意。

當(dāng)?shù)谝粋€ 157 納米光刻系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)完成時，采用氟化鈣透鏡作為這些系統(tǒng)中的新型光學(xué)器件被認(rèn)為具有挑戰(zhàn)性但又可行。然而，實(shí)際原型光刻系統(tǒng)的成像實(shí)驗(yàn)揭示了顯著的雙折射效應(yīng)。更糟糕的是，這種效應(yīng)是氟化鈣固有的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了成像規(guī)格。由于明顯的光刻路線圖似乎已經(jīng)陷入停滯，芯片行業(yè)陷入了困境。

一灘水，命運(yùn)的轉(zhuǎn)折

2001 年 12 月，ASML 研究員 Jan Mulkens（現(xiàn)為ASML Fellow）參加了在美國舉行的 157 納米光刻行業(yè)會議，行業(yè)專業(yè)人士齊聚一堂，共同確定下一步可能采取的措施。他們的討論集中在在鏡頭下添加一層純凈水以提高分辨率，這是顯微鏡先驅(qū)羅伯特·胡克（Robert Hooke）和安東尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek ）首次發(fā)現(xiàn)并利用的光學(xué)現(xiàn)象，并于 20 世紀(jì) 80 年代首次由 IBM 描述用于光刻。Jan 和他的同事意識到，這種光學(xué)技術(shù)可以進(jìn)一步擴(kuò)展 193 納米光刻技術(shù)，繞過業(yè)界試圖修復(fù) 157 納米光刻技術(shù)的緊迫挑戰(zhàn)。此外，通過使用水作為光學(xué)流體，所有現(xiàn)有的光學(xué)器件、掩模和光刻膠都可以繼續(xù)使用。這是維持摩爾定律的最佳機(jī)會 。

Jan 解釋道：“通過高度純化的水投射光將可以打印出明顯更小的芯片特征，因?yàn)檫@種液體可以設(shè)計(jì)光學(xué)透鏡，從而更準(zhǔn)確地對晶圓上的精細(xì)圖案進(jìn)行成像?！痹?**中使用這一原理，人們覺得很奇怪。水與飛濺、水滴和氣泡有關(guān)——這真的能在復(fù)雜且高精度的成像系統(tǒng)中發(fā)揮作用嗎？” 將可能無法安全可靠地通過軟管流動的水引入系統(tǒng)似乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

回到位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的 ASML 總部后，Jan 組建了一個小團(tuán)隊(duì)，相信競爭對手很快就會效仿。想要抓住這個機(jī)會，就必須盡快行動。帶著高度的緊迫感，Jan 的團(tuán)隊(duì)首先定義并測試了一些基本的沉浸式概念。“當(dāng)我們通過一系列實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)架構(gòu)的概念想法展示浸沒式光刻的基本可行性時，我們獲得了批準(zhǔn)，可以與 20 名同事組成的團(tuán)隊(duì)將我們的概念擴(kuò)展到全尺寸原型系統(tǒng)，”Jan 回憶道。

加速 ASML 沉浸式計(jì)劃的三大優(yōu)勢

借助TWINSCAN 平臺，團(tuán)隊(duì)取得了快速進(jìn)展。得益于專有的雙級架構(gòu)，我們的系統(tǒng)能夠同時執(zhí)行兩件事：一個級測量晶圓位置以實(shí)現(xiàn)精確對準(zhǔn)和聚焦，而另一個級在透鏡下方精確移動以對晶圓上的圖案進(jìn)行成像。Jan 的團(tuán)隊(duì)在勾畫出浸沒式系統(tǒng)的雙級架構(gòu)時意識到，芯片制造商可以在一個階段利用浸沒式光刻的分辨率增強(qiáng)功能，同時在另一個階段繼續(xù)使用我們久經(jīng)考驗(yàn)的干式計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)雙贏。

我們的另一個優(yōu)勢是與蔡司的密切合作。在采用 Veldhoven 系統(tǒng)架構(gòu)的同時，位于德國 Oberkochen 的蔡司光學(xué)設(shè)計(jì)工程師想出了如何稍微修改常規(guī)鏡頭，以便將其用于浸沒式光刻。因此，芯片制造商看到了在其試點(diǎn)工廠快速測試早期浸入式系統(tǒng)的機(jī)會，同時為利用新技術(shù)進(jìn)行大批量芯片制造做好準(zhǔn)備。

浸沒式 DUV 系統(tǒng)與干式系統(tǒng)不同，前者在透鏡和晶圓之間含有一層水。

最后，我們的生態(tài)系統(tǒng)提供了另一個好處：長期研究合作伙伴飛利浦研究中心開發(fā)了一種利用浸沒式透鏡的高密度光學(xué)記錄技術(shù)。他們的研究和工程專業(yè)知識被用于開發(fā)光刻系統(tǒng)的技術(shù)概念，該系統(tǒng)可以在鏡頭下移動和保持水。

到 2003 年秋季，沉浸式團(tuán)隊(duì)能夠在名為 TWINSCAN AT:1150i 的 ASML 原型系統(tǒng)上展示具體的成像結(jié)果?！霸徒Y(jié)果幾乎立即改變了光刻路線圖，”Jan 說?！拔覀冊诤芏痰臅r間內(nèi)定義了一系列新的光刻系統(tǒng)，這將直接解決芯片行業(yè)的分辨率問題?！?/p>

同年12月，我們公開發(fā)布了業(yè)界首款浸沒式光刻系統(tǒng)TWINSCAN XT:1250i。該預(yù)生產(chǎn)系統(tǒng)將浸沒式光刻的增強(qiáng)分辨率和焦深與 XT（一個更加緊湊的平臺）上的干式光刻精度相結(jié)合。

控制討厭的水坑

雖然我們?nèi)〉昧司薮蟮倪M(jìn)步，但浸沒式光刻技術(shù)還沒有走出困境?，F(xiàn)在必須為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。缺陷對早期浸入式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成了真正的威脅，因?yàn)樵诠杈A上復(fù)制掩模幾何圖案時的任何缺陷都會導(dǎo)致產(chǎn)量損失，而產(chǎn)量損失是芯片制造商大規(guī)模生產(chǎn)過程中最重要的性能指標(biāo)。在高速平臺上添加一灘水會帶來兩個新的潛在缺陷來源：鏡頭下可能會形成氣泡，從而降低成像性能。更糟糕的是，逸出的水滴可能會與晶圓上的感光涂層發(fā)生不可控制的相互作用。通過減慢晶圓階段來犧牲系統(tǒng)生產(chǎn)力并不是一種選擇：這樣做會使系統(tǒng)變得難以承受。

為了更好地了解水坑的行為并找到控制它的方法，ASML 的研究人員再次利用了我們廣泛的學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)。德國特溫特大學(xué)流體動力學(xué)和力學(xué)研究員 Detlef Lohse 教授投入了大量時間和精力來加深我們對浸沒式光刻基礎(chǔ)物理的了解。這種加深的理解激發(fā)了我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和高科技供應(yīng)鏈的工程創(chuàng)意。該團(tuán)隊(duì)縮小了解決方案空間，足以確定一個基本的工程機(jī)制：被稱為“浸沒罩”的光刻系統(tǒng)的這個新部分在最后一個透鏡元件周圍形成一個環(huán)來控制水坑?！霸诮酉聛淼膸啄昀?，基本原型可以得到測試，最好的概念將被工業(yè)化，臺積電 (TSMC)宣布推出首款采用我們早期浸入式系統(tǒng)制造的全功能 90 納米節(jié)點(diǎn)芯片。

到 2006 年，我們推出了 XT:1700Fi，將浸沒式光刻技術(shù)引入批量生產(chǎn)。新系統(tǒng)的數(shù)值孔徑從 0.93 增加到 1.2，繞過了預(yù)浸入障礙 1.0，并提供了繼續(xù)縮小晶體管至 65 納米節(jié)點(diǎn)以上的可行途徑。該系統(tǒng)破紀(jì)錄的成像性能使芯片制造商能夠?qū)⒎直媛侍岣?0%，這是幾十年來最大的進(jìn)步，同時系統(tǒng)生產(chǎn)率提高到每小時122片晶圓，這也是當(dāng)時的記錄。

隨后進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和新系統(tǒng)，提高了成像性能和系統(tǒng)生產(chǎn)率，同時使芯片制造商能夠趕上摩爾定律并推動其路線圖向前發(fā)展。

多重圖案和終極沉浸式平臺

雖然浸沒式光刻技術(shù)顯著提高了分辨率，但摩爾定律仍然有增無減。芯片制造商很快意識到，需要更清晰的成像才能實(shí)現(xiàn) 32 納米及更高節(jié)點(diǎn)的路線圖。芯片制造商開始嘗試各種類型的多重圖案技術(shù)，該技術(shù)暴露多個更簡單的交錯圖案以創(chuàng)建一個復(fù)雜的層圖案。

多重圖案化“這是光刻技術(shù)的根本性變化。”Jos 評論道?！巴蝗婚g，覆蓋范圍（而不是成像分辨率）成為實(shí)現(xiàn)縮小的關(guān)鍵參數(shù)。多重圖案化的額外成本使得提高浸入式系統(tǒng)的生產(chǎn)率變得至關(guān)重要，以便保持縮小成本效益?！?這就是我們開始開發(fā) NXT 平臺的原因，它是緊湊型 XT 平臺的后繼產(chǎn)品。該平臺使用磁懸浮晶圓平臺和基于編碼器而不是干涉儀的位置測量系統(tǒng)，能夠以更高的速度更精確地定位平臺以及更快的平臺交換。在時間就是金錢的行業(yè)中，我們將NXT平臺的速度與浸沒式光刻的分辨率相結(jié)合的能力確保了NXT平臺的市場份額能夠持續(xù)增長。

浸沒式光刻技術(shù)持續(xù)推動創(chuàng)新

目前，NXT 平臺約占迄今為止已發(fā)貨的 1,100 多個沉浸式系統(tǒng)的 80%。浸入式系統(tǒng)市場需求處于歷史最高水平，預(yù)計(jì)到 2023 年之后仍將保持強(qiáng)勁。我們?nèi)ツ昴甑装l(fā)布的最新 NXT 浸入式掃描儀 NXT:2100i 體現(xiàn)了我們工程師堅(jiān)定不移地致力于推動這項(xiàng)技術(shù)向前發(fā)展。由于鏡頭調(diào)整系統(tǒng)，它具有下一代成像功能，目前用于全球領(lǐng)先芯片制造商的最先進(jìn)的芯片節(jié)點(diǎn)。總體而言，NXT 浸沒式系統(tǒng)的生產(chǎn)率在過去 9 年中增加了一倍多，最新的系統(tǒng)每天能夠運(yùn)行超過 6,000 個晶圓。這對于芯片制造商來說意味著物有所值。

毫不夸張地說，為了在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持競爭力，企業(yè)需要了解并應(yīng)對行業(yè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)，即解決技術(shù)復(fù)雜性，同時確保制造負(fù)擔(dān)能力。這是始終指導(dǎo)我們努力實(shí)現(xiàn)浸沒式光刻成果的基本方法，雖然該技術(shù)的挑戰(zhàn)隨著時間的推移而不斷變化，但我們對浸沒式光刻技術(shù)的生產(chǎn)力和芯片制造商以及整個行業(yè)的承受能力的關(guān)注將保持不變。

審核編輯：劉清