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(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(fēng)光無限。浸入式光刻從最初的想法雛形到現(xiàn)如今推動摩爾定律繼續(xù)前進，其間經(jīng)歷波折無數(shù)，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(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(guān)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(shù)節(jié)點，而157nm將成為主流技術(shù)。然而，157nm光刻技術(shù)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(shù)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(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，重點解決與水浸入有關(guān)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(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，進而實現(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，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，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(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(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(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，水作為浸入液的一大優(yōu)勢是它與193nm光刻膠的反應(yīng)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(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(yīng)；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(shù)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(yīng)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(xué)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(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？

在光刻設(shè)備領(lǐng)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(shù)（Local Fill Technology）能夠消除掃描導(dǎo)致的浸沒缺陷、氣泡、水印或晶圓背部玷污。該項技術(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)致的套準問題。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38nm存儲器和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的鏡頭和新型的機臺設(shè)計理念，將測量和曝光同時進行，得以在第一時間得到結(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。“對于代工廠來說，在關(guān)心最終良率的同時，如何大幅提高生產(chǎn)能力是提高競爭能力的關(guān)鍵，”ASML負責亞洲事務(wù)的市場主管Ryan Young說，“創(chuàng)新的光刻系統(tǒng)設(shè)計有助于光刻工藝引領(lǐng)摩爾定律向前發(fā)展。

對于光刻設(shè)備來說，鏡頭是制約發(fā)展的主要瓶頸之一。通過改善光學(xué)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(xué)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(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(shè)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(jié)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(shè)計得當?shù)姆瓷湔凵涫界R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(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(shù)要數(shù)現(xiàn)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(shù)，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(nèi)很難被取代。不過，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(xiàn)在，科技的發(fā)展的確到了一個轉(zhuǎn)折點。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)計在 2018 年可實現(xiàn)最新的微處理器和存儲器的批量生產(chǎn)。世界最先進的芯片制造商正在籌備將這些機器應(yīng)用到自己的生產(chǎn)線中。

這樣做的風(fēng)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(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，也無人知曉“后摩爾定律”時代的半導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)營業(yè)額下降，即使只有 15％，它的現(xiàn)金流仍然是整個美國游戲產(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(xué)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。”所以他和他的團隊很早就意識到，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(jīng)》里有一句話：“溯洄從之，道阻且長?！睂τ谌缃竦陌雽?dǎo)體制造業(yè)和光刻技術(shù)來說，這句話同樣適用。新材料的涌現(xiàn)、新設(shè)計的采用注定不會停止，這是我們保持樂觀的理由。