浸入式光刻技术

浸入式光刻技术什么是浸入式？与传统光刻的区别？浸入式光刻的原理？有什么优缺点？与传统的光刻技术相比，浸没式光刻技术需要在光刻机投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体。结构对比简图为什么在镜头与硅片间加入液体？分辨率公式：工艺因子k，波长λ，数值孔径NA。波长公式：浸入液体中光的波长λ，真空中光的波长λ'，光在液体中的折射率n。我们可以发现当浸入液体折射率越大，分辨率越好。NAkRn浸入式光刻技术的发现及发展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。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。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1.44，193nm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。到现在为止，Corei5使用193nm液浸式光刻系统实现45纳米制程。Corei7于2010年发表使用193nm液浸式光刻系统实现32纳米制程的产品。由于193纳米光刻是目前能力最强且最成熟的技术，能够满足精确度和成本要求，所以其工艺的延伸性非常强，很难被取代。因而在2011年国际固态电路会议(ISSCC2011)上也提到，在光刻技术方面，22/20nm节点主要几家芯片厂商也将继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像（doublepatterning）技术。浸没液体的研究第一代液体——H2O在193nm浸没式光刻中,纯水被首选为最佳的浸没介质,由于水直接与光刻胶接触,会渗入胶膜内,可能导致胶中所含的极性物质如光致产酸剂(PAG)、曝光后产生的酸以及有机胺类添加剂等溶出,一方面会使光刻胶图案产生缺陷,另一方面也会使水本身受到污染,还会污染甚至腐蚀与之接触的镜头。因此,水作为浸没液体的缺点需通过在光刻胶表层再涂布一层顶部涂料或改进光刻胶本身的性能等方法加以弥补第二代浸没液体--饱和烷烃化合物第二代浸没液体的研究着重寻找单一成分的、具有高折射率的液体。考虑到要避免193nm处的吸收,其研究主要集中在含C和H的饱和烷烃上。简单的饱和烷烃化合物有正己烷、正庚烷及正癸烷等,它们在193nm处具有很高的透明性,但它们的折射率偏低,只有1.5左右,而环状烷烃一般具有更高的折射率,可达到1.6以上。单环烷烃由于超过12个C原子数就会在室温下呈现固态,因此,一些低分子量的双环烷烃被开发出来,这些直链、支链、单环及双环的饱和烷烃化合物一般被统称为第二代高折射率浸没液体。第三代浸没液体--多环饱和烷烃为了得到更高折射率的浸没介质,一些被称之为第三代浸没液体的多环饱和烷烃被开发出来。典型的全氢化芴,折射率为1.6684;全氢化芘,折射率高达1.7014等,但多环饱和烷烃的黏度普遍较大,因此有实际应用价值的数量还是非常有限。总之,目前在极大规模集成电路产业化应用中仍以纯水介质为主,工艺也日趋完善。在2007年的ITRS中,水为浸没液体的双图形曝光工艺被认为是目前45nm半节距工艺的唯一途径,而非水介质由于受浸出性能、接触角以及流体回收等方面条件的限制而滞留于研究阶段。液体浸没方式浸没式光刻系统需要在投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间保持稳定的液体流动。液体的流动使得液体均匀化，使液体保持清洁，防止污染物沉积。目前主要有三种液体浸没方法：硅片浸没法，工件台浸没法，局部浸没法。局部浸没法在硅片的一侧设置一个喷嘴，将液体注入到镜头下面，在另一侧设置一个吸嘴将液体吸回，形成液体的流动。局部浸没法中投影物镜是固定的，最后一个透镜的下表面始终浸没在液体中。在步进扫描过程中，硅片的不同部位浸没在液体中。液体在硅片局部浸没，这种结构也被称为喷淋结构。局部浸没法的特点局部浸没法的优点：工件台本质上与干式系统相同，这样将节省研发成本和时间；可以保留干式光刻系统的对准系统和调焦调平系统；注入的液体容量比较小，可以快速注满和排空，保持了较高的生产率局部浸没法的缺点：在对硅片边缘部分进行曝光时，硅片边缘的液体容易发生泄漏，从而导致边缘曝光场的成像质量较差。因此，采取局部浸没法设计方案时，应当采取有效的液体防泄漏措施。气泡的消除(曝光缺陷)气泡是浸没式光刻技术面临的又一难题。气泡形成的原因有：温度和气压变化使水中气体的溶解度降低，原来溶解在水中的部分气体释放出来形成气泡；水的流动带入周围的气体形成气泡；光刻胶释放出的气体形成气泡。不同尺寸的气泡对光刻机光学性能的影响是不同的。解决办法：在设计液体浸没系统时，要对喷嘴结构进行改良设计，防止发生飞溅，阻止气泡的带入浸没式光刻技术已经展现出巨大的优势，浸没带来的一系列难题也找到了相应的对策。浸没式光刻机将在20nm以下节点发挥重要作用。同时，浸没式光刻技术也显示出巨大的发展潜力，浸没式光刻机将继续朝着更大数值孔径的方向发展。相信浸入式光刻技术会在当今光刻最前沿的地方等着我们。感谢各位老师