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EUV技术只是新宠 舞台还是浸入式光刻的

导读: 浸入式光刻从最初的想法雏形到现如今推动摩尔定律继续前进,其间经历波折无数,未来也注定不会是平坦大道。它的魅力究竟在哪里,未来又会有哪些发展趋势呢?就让我们带着对浸入式光刻的疑问一探究竟吧。

如果历史可以重演的话,日本人Takanashi一定会重新选择申请专利的时间。1984年,正是他在一项美国专利中定义了浸入式光刻机最基本的结构特征,即在最后一级物镜与光刻胶之间充入一层透明的液体。只可惜这项专利诞生的“过早”,真正意义上的浸入式光刻要在若干年后才会出现,Takanashi也因此与巨额专利费擦肩而过。

然而历史的发展就是这样奇妙,一个当时甚为大胆的想法在日后也许就会风光无限。浸入式光刻从最初的想法雏形到现如今推动摩尔定律继续前进,其间经历波折无数,未来也注定不会是平坦大道。它的魅力究竟在哪里,未来又会有哪些发展趋势呢?就让我们带着对浸入式光刻的疑问一探究竟吧。

为什么是浸入式光刻?

自从摩尔定律被提出,人类的想象力就得到了无限发挥的空间。每一次尺寸缩小就意味着制程上的革新,一幕幕工艺上的改朝换代就这样不断上演,浸入式光刻也就此走上了历史舞台。

浸入式光刻的原型实验在上世纪90年代开始陆续出现。1999年,IBM的Hoffnagle使用257nm干涉系统制作出周期为89nm的密集图形。当时使用的浸入液是环辛烷。但因为当时对浸入液的充入、镜头的沾污、光刻胶的稳定性和气泡的伤害等关键问题缺乏了解,人们并未对浸入式光刻展开深入的研究。

2002年以前,业界普遍认为193nm光刻无法延伸到65nm技术节点,而157nm将成为主流技术。然而,157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光波,只有CaF2勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头缺陷率和像差很难控制,并且价格相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短,频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。

正当众多研究者在157nm浸入式光刻面前踌躇不前时,时任TSMC资深处长的林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。在157nm波长下水是不透明的液体,但是对于193nm的波长则是几乎完全透明的。并且水在193nm的折射率高达1.44,而可见光只有1.33!如果把水这样一种相当理想的浸入液,配合已经十分成熟的193nm光刻设备,那么设备厂商只需做较小的改进,重点解决与水浸入有关的问题,193nm水浸式光刻机就近在咫尺了。同时,193nm光波在水中的等效波长缩短为134nm,足可超越157nm的极限。193nm浸入式光刻的研究随即成为光刻界追逐的焦点。

浸入式光刻是指在光刻机投影镜头与半导体硅片之间用一种液体充满,从而获得更好分辩率及增大镜头的数值孔径,进而实现更小曝光尺寸的一种新型光刻技术(下图)。

EUV技术只是新宠 舞台还是浸入式光刻的

浸入式光刻示意图

让我们看一下光刻系统分辨率的著名Rayleigh方程:

R=kλ/NA

式中λ是光的波长,NA是系统中透镜的数值孔径,k是分辨率系数,代表了所有的其它工艺变量。显而易见,减小曝光光源的波长并增加投影透镜的NA都可以提高分辨率。自从193nm波长成为主攻方向以后,增大NA成为了业界人士孜孜不倦的追求。表1是提高193nm ArF浸入式光刻机NA的方案。由此可见,浸入液、光刻设备和其它相关环节的紧密配合是浸入式光刻技术前进的保证。

谁是水以后的接班者?

将液体置于主镜头和硅片之间,入射光线自然而然地就会穿透比空气折射率更高的液体,这种方式本身并没有提高特定投影图像的分辨率,但是它却能够赋予光刻机的镜头更高的数值孔径。

NA=n sinα,其中n是透镜周围介质的折射系数,α是透镜的接受角。传统的“干法”光刻系统中,介质是折射系数为1的空气,则NA的理论最大值为1。采用具有更高折射系数的液体,浸入技术有可能使系统的NA>1。比如使用折射率为1.44的去离子水后,NA的理论最大值即为1.44。在193nm曝光系统中,分辨率R=kλ/NA就可以达到k*193/1.44=132mn。如果液体不是水而其它液体,但折射率比1.44高时,则实际分辨率可以非常方便地再次提高,也这是浸入式光刻技术能很快普及的原因。Nikon上海的技术部副总经理田晓明介绍说,水作为浸入液的一大优势是它与193nm光刻胶的反应很小,并且可以通过光刻胶的改进或是增加顶部覆盖层来降低水的影响。这也是水能够被广泛应用的原因之一。

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