如果歷史可以重演的話,，日本人Takanashi一定會(huì)重新選擇申請(qǐng)專利的時(shí)間。1984年,，正是他在一項(xiàng)美國(guó)專利中定義了浸入式光刻機(jī)最基本的結(jié)構(gòu)特征,，即在最后一級(jí)物鏡與光刻膠之間充入一層透明的液體。只可惜這項(xiàng)專利誕生的“過(guò)早”,，真正意義上的浸入式光刻要在若干年后才會(huì)出現(xiàn),，Takanashi也因此與巨額專利費(fèi)擦肩而過(guò)。

　　然而歷史的發(fā)展就是這樣奇妙,，一個(gè)當(dāng)時(shí)甚為大膽的想法在日后也許就會(huì)風(fēng)光無(wú)限,。浸入式光刻從最初的想法雛形到現(xiàn)如今推動(dòng)摩爾定律繼續(xù)前進(jìn)，其間經(jīng)歷波折無(wú)數(shù),，未來(lái)也注定不會(huì)是平坦大道,。它的魅力究竟在哪里，未來(lái)又會(huì)有哪些發(fā)展趨勢(shì)呢,？就讓我們帶著對(duì)浸入式光刻的疑問(wèn)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(wú)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(tái),。

　　浸入式光刻的原型實(shí)驗(yàn)在上世紀(jì)90年代開始陸續(xù)出現(xiàn),。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(dāng)時(shí)使用的浸入液是環(huán)辛烷,。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)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(guān)鍵問(wèn)題缺乏了解,，人們并未對(duì)浸入式光刻展開深入的研究。

　　2002年以前,，業(yè)界普遍認(rèn)為193nm光刻無(wú)法延伸到65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而157nm將成為主流技術(shù),。然而,，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來(lái)自光刻機(jī)透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數(shù)材料會(huì)強(qiáng)烈地吸收157nm的光波,，只有CaF2勉強(qiáng)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(jià)格相當(dāng)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(wú)法容忍。

　　正當(dāng)眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時(shí),，時(shí)任TSMC資深處長(zhǎng)的林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念,。在157nm波長(zhǎng)下水是不透明的液體，但是對(duì)于193nm的波長(zhǎng)則是幾乎完全透明的,。并且水在193nm的折射率高達(dá)1.44,，而可見(jiàn)光只有1.33！如果把水這樣一種相當(dāng)理想的浸入液,，配合已經(jīng)十分成熟的193nm光刻設(shè)備,，那么設(shè)備廠商只需做較小的改進(jìn)，重點(diǎn)解決與水浸入有關(guān)的問(wèn)題,，193nm水浸式光刻機(jī)就近在咫尺了,。同時(shí)，193nm光波在水中的等效波長(zhǎng)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(diǎn)。

　　浸入式光刻是指在光刻機(jī)投影鏡頭與半導(dǎo)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(shù)值孔徑,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更小曝光尺寸的一種新型光刻技術(shù)（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(zhǎng),，NA是系統(tǒng)中透鏡的數(shù)值孔徑，k是分辨率系數(shù),，代表了所有的其它工藝變量,。顯而易見(jiàn)，減小曝光光源的波長(zhǎng)并增加投影透鏡的NA都可以提高分辨率,。自從193nm波長(zhǎng)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(jī)NA的方案,。由此可見(jiàn),，浸入液、光刻設(shè)備和其它相關(guān)環(huán)節(jié)的緊密配合是浸入式光刻技術(shù)前進(jìn)的保證,。

　　誰(shuí)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(huì)穿透比空氣折射率更高的液體,，這種方式本身并沒(méi)有提高特定投影圖像的分辨率,，但是它卻能夠賦予光刻機(jī)的鏡頭更高的數(shù)值孔徑。

　　NA=n sinα,，其中n是透鏡周圍介質(zhì)的折射系數(shù),，α是透鏡的接受角。傳統(tǒng)的“干法”光刻系統(tǒng)中,，介質(zhì)是折射系數(shù)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(shù)的液體,，浸入技術(shù)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(dá)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(shí),，則實(shí)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(shù)能很快普及的原因,。Nikon上海的技術(shù)部副總經(jīng)理田曉明介紹說(shuō),，水作為浸入液的一大優(yōu)勢(shì)是它與193nm光刻膠的反應(yīng)很小，并且可以通過(guò)光刻膠的改進(jìn)或是增加頂部覆蓋層來(lái)降低水的影響,。這也是水能夠被廣泛應(yīng)用的原因之一,。

　　浸入式光刻的數(shù)值孔徑大小是與使用液體的折射率是直接相關(guān)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(huì)上,，JSR和DuPont等公司就已經(jīng)公布了它們的高折射率液體的研發(fā)計(jì)劃。在選擇高折射率液體時(shí),，考慮的重點(diǎn)包括：與光刻膠沒(méi)有反應(yīng),；光透過(guò)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(gè)折射率數(shù)值能夠把193nm光刻機(jī)的有效波長(zhǎng)降低到大約116nm左右,。至于第三代浸入液，它的折射率應(yīng)為1.8左右,，同時(shí)還需要有更高折射率的鏡頭才能達(dá)到約1.65的NA值。

　　浸入液體在未來(lái)仍有許多問(wèn)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(duì)光學(xué)性能（折射率,，吸收，散射,、雙折射,、像差）的影響及其測(cè)量與控制；偏振光照明時(shí),，液體與抗蝕劑的相互作用,；液體折射率與液體兩側(cè)元件折射率匹配；液體與光刻環(huán)境中相關(guān)元件的兼容性等,。

　　光刻設(shè)備如何齊頭并進(jìn),？

　　在光刻設(shè)備領(lǐng)域，一直是ASML,、Nikon和Canon的“三國(guó)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(shù)（Local Fill Technology）能夠消除掃描導(dǎo)致的浸沒(méi)缺陷、氣泡,、水印或晶圓背部玷污,。該項(xiàng)技術(shù)還能消除浸入液體的蒸發(fā)，從而有利于防止由浸液導(dǎo)致的套準(zhǔn)問(wèn)題,。Nikon的浸入式光刻設(shè)備主要面向45nm量產(chǎn)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(duì)38nm存儲(chǔ)器和32nm邏輯芯片產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn)化制造,，該系統(tǒng)采用1.35NA的鏡頭和新型的機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)理念,，將測(cè)量和曝光同時(shí)進(jìn)行，得以在第一時(shí)間得到結(jié)果反饋,，不僅套刻精度,、分辨率得到很大提高，而且生產(chǎn)能力也提升了30%以上,?！皩?duì)于代工廠來(lái)說(shuō)，在關(guān)心最終良率的同時(shí),，如何大幅提高生產(chǎn)能力是提高競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵,，”ASML負(fù)責(zé)亞洲事務(wù)的市場(chǎng)主管Ryan Young說(shuō)，“創(chuàng)新的光刻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于光刻工藝引領(lǐng)摩爾定律向前發(fā)展,。

　　對(duì)于光刻設(shè)備來(lái)說(shuō),，鏡頭是制約發(fā)展的主要瓶頸之一。通過(guò)改善光學(xué)主鏡頭來(lái)提高光刻機(jī)NA的主要途徑有兩個(gè)：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(dòng),，用于浸入式光刻機(jī)有一定難度；二是尋找高折射率的光學(xué)主鏡頭材料,。目前193nm ArF浸入式光刻機(jī)主鏡頭折射率為1.56,，IBM與JSR聯(lián)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(kuò)展到很高的NA，但是由于受到材料和光刻機(jī)尺寸的限制,，這種擴(kuò)展難度太大,，成本過(guò)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(shè)計(jì)可能會(huì)柳暗花明,。

　　新型的反射折射式鏡頭將折射透鏡和反射鏡結(jié)合起來(lái),，能夠在保持光刻機(jī)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(guò)使用凹面鏡和凹透鏡等元件,，設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)姆瓷湔凵涫界R頭能夠很好地對(duì)色差進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)使色差最小化,，能夠抑制由激光帶寬變動(dòng)所引起的光學(xué)鄰近效應(yīng),。然而，反射折射式鏡頭的研制還需要克服許多設(shè)計(jì)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(shù)量與類型等鏡頭設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),，都對(duì)這些挑戰(zhàn)有重要的影響。

　　萬(wàn)物歸EUV

　　如果光刻技術(shù)要數(shù)現(xiàn)代集成電路上的第二大難題,，那么絕對(duì)沒(méi)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(shù),，它在精確度及成本上達(dá)到了一個(gè)近乎完美的平衡,，短時(shí)間內(nèi)很難被取代。不過(guò),，一種名為極紫外光刻（EUV 光刻）的技術(shù)半路殺出，成為近年來(lái)英特爾,、臺(tái)積電等芯片公司追捧的新寵,。有人認(rèn)為EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實(shí)是否真的如此,？

　　現(xiàn)在,，科技的發(fā)展的確到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。荷蘭的光刻工具制造商 ASMLHolding 生產(chǎn)的 EUV 光源即將開始商業(yè)化投產(chǎn),。作為技術(shù)領(lǐng)航人的 ASML 公司,，目前已經(jīng)開始發(fā)貨 EUV 光源，預(yù)計(jì)在 2018 年可實(shí)現(xiàn)最新的微處理器和存儲(chǔ)器的批量生產(chǎn),。世界最先進(jìn)的芯片制造商正在籌備將這些機(jī)器應(yīng)用到自己的生產(chǎn)線中,。

　　這樣做的風(fēng)險(xiǎn)很高。摩爾定律正在面臨巨大挑戰(zhàn),，沒(méi)有人能確定去年總產(chǎn)值為 3300 億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將如何引導(dǎo) 5 年或是 10 年內(nèi)的發(fā)展,，也無(wú)人知曉“后摩爾定律”時(shí)代的半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)會(huì)是什么樣子，利潤(rùn)的下降也可能是無(wú)法避免的,。但是如果摩爾定律能有效地避免半導(dǎo)體行業(yè)營(yíng)業(yè)額下降,，即使只有 15%,，它的現(xiàn)金流仍然是整個(gè)美國(guó)游戲產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)額的兩倍。

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

　　但是，EUV 技術(shù)是非常困難的,。在使用波長(zhǎng)近乎為X光的射線去蝕刻時(shí),，物理學(xué)知識(shí)并不能為工程師幫上多少忙。對(duì)于公司最終選擇的 13.5nm 波長(zhǎng)射線,，這種光可以輕易地被很多材料吸收,。van Dijsseldonk補(bǔ)充道：“即使我們呼吸的空氣也是完全的黑色，因?yàn)樗参樟俗詈笠稽c(diǎn)射線,?！彼运退膱F(tuán)隊(duì)很早就意識(shí)到，EUV光刻機(jī)只能在真空下運(yùn)行,，晶圓通過(guò)一個(gè)氣閘進(jìn)出光刻機(jī),。

　　之后接踵而來(lái)的就是讓射線彎曲的問(wèn)題。EUV 也能被玻璃吸收,，所以在機(jī)器中改變其走向,，需要使用反射鏡來(lái)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(gè)單一而強(qiáng)大的反射）,。

　　《詩(shī)經(jīng)》里有一句話：“溯洄從之，道阻且長(zhǎng),?！睂?duì)于如今的半導(dǎo)體制造業(yè)和光刻技術(shù)來(lái)說(shuō)，這句話同樣適用,。新材料的涌現(xiàn),、新設(shè)計(jì)的采用注定不會(huì)停止，這是我們保持樂(lè)觀的理由,。