浸没式光刻技术

浸没式光刻技术

摘要：光刻工艺直接决定了大规模集成电路的特征尺寸，是大规模集成电路制造的关键工艺。作为光刻工艺中最重要设备之一，光刻机一次次革命性的突破，使大模集成电路制造技术飞速向前发展。因此，了解光刻技术的基本原理，了解提高光刻机性能的关键技术以及了解下一代光刻技术的发展情况是十分重要的。本文就以上几点进行了简要的介绍。

沉浸式光刻技术是在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。沉浸式光刻技术是在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。

关键词：沉浸式光刻、大规模集成电路、折射率

目录

浸没式光刻技术 .............................................................................................. 1

目录 ............................................................................................................... 2

第一章 背景 ................................................................................................... 3

1.1 概论 .......................................................................................... 3

第二章 光刻技术 ............................................................................................ 4

2.1 193nm浸没式光刻技术 .............................................................. 4

2.1.1浸没液体（积淀、气泡、光吸收） .................................................. 5

2.1.2液体浸没方式(局部浸没法) ............................................................. 5

2.1.3大数值孔径投影物镜的设计（折反式投影物镜） ............................ 7

2.1.4 偏振光照明(无损偏振光照明系统) ................................................. 8

2.1.5液体温度变化带来的影响(热量累积效应) ....................................... 9

2.1.6气泡的消除(曝光缺陷)..................................................................... 9

2.1.7光刻胶与污染(污染沉积) ................................................................. 9

2.2 浸没式光刻机浸液控制技术研究 ............................................... 9

2.2.1 浸液控制关键技术研究 .................................................................... 9

2.2.2 浸液控制系统的研制 ..................................................................... 11

2.3 控制总结 ................................................................................. 13

第三章 展望 ................................................................................................. 14

参 考 文 献 ................................................................................................. 15

第一章 背景

1.1 概论

沉浸式光刻技术是在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。沉浸式光刻技术是在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。

沉浸式光刻技术也称为浸入式光刻技术。一般特指193nm浸入式光刻技术。 在浸入式光刻技术之前，继436nm、365nm、248nm之后，采用的是193nm干式光刻技术，但在65 纳米技术节点上遇到了困难，试验了很多技术（如157nm干式光刻技术等）但都无法很好的突破这一难题。等到2002年底浸入式技术迅速成为光刻技术中的新宠，而此前业界并没有认为浸入式技术有如此大的功效。此技术在原来的193nm干式光刻技术平台之上，因为此种技术的原理清晰及配合现有的光刻技术变动不大，获得了人们的极大赞赏。2004年12月IBM和台积电分别宣布采用193 nm浸入式光刻技术制造出全功能的芯片。

虽然浸入式光刻已受到很大的关注，但仍面临巨大挑战。根据2005版《国际半导体技术蓝图》的光刻内容，浸入式光刻的挑战在于：

控制由于浸入环境引起的缺陷，包括气泡和污染；

抗蚀剂与流体或面漆的相容性，以及面漆的发展；

抗蚀剂的折射指数大于1.8；

折射指数大于1.65的流体满足粘度、吸收和流体循环要求；

折射指数大于1.65的透镜材料满足透镜设计的吸收和双折射要求。

沉浸式光刻技术 AMD 45nm工艺全面解析

相对于Intel复杂的用料及工艺流程来说，AMD所采用的45nm技术则相对的简单，AMD的45纳米制程工艺是联合IBM一同研发。这项技术包括了超低K电介质互联技术、多重增强晶体管应变技术和沉浸式光刻技术。对于AMD为什么到现在都没有使用High-K，很多朋友们都存在疑问，其实这得益于AMD自Athlon时代就开始使用的SOI工艺。SOI是Silicon On Isolator的缩写，即绝缘体上的硅技术。和

传统的纯硅晶圆不同，SOI工艺使用的晶圆底部是一层绝缘层。这层绝缘体切断了上方MOS管漏电流的回路，使得基于SOI技术的芯片能够轻松抵抗漏电流。

第二章 光刻技术

2.1 193nm浸没式光刻技术

液体浸没技术用于光学显微镜，使数值孔值和成像对比度明显提高。相对于157nm(F2) 光刻技术，193nm 浸没式光刻技术不需要研发新的掩模、透镜和光刻胶材料，193nm 浸没式光刻机甚至可以保留现有193nm 干式光刻机的大部分组件，仅对部分分系统进行改进设计即可。

(一）浸没式光刻的原理

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。

投影物镜的数值孔径

NA=nsinq

其中，n 为投影物镜与硅片之间介质的折射率，q 为光线最大入射角。在最大入射角相同的情况下，浸没式光刻系统的数值孔径比传统光刻系统增大了n 倍。而从傅里叶光学的角度，数值孔径扮演着空间频率低通滤波器阈值的角色。注入高折射率的浸没液体可以使更高空间频率的光波入射到光刻胶上，因此成像分辨率得以提高。

传统光刻和浸没式光刻的对比示意图

（二）浸没式光刻带来的主要问题及对策

(1)浸没液体

(2)液体浸没方式

(3)大数值孔径投影物镜的设计

(4)偏振光照明

(5)液体温度变化带来的影响

(6)气泡的消除

(9)光刻胶与污染

根据瑞利判据，光刻机的分辨率R 和焦深DOF 为

其中，k1，k2为工艺因子，入eff=l/n 为有效曝光波长。由(2)式可以看出，浸没式光刻的特征尺寸缩小为传统光刻的1/n，相当于有效曝光波长缩小为原来的1/n。当l=193nm，n=1.437(水)时，入eff=134.3nm，已经小于F2光刻157nm 的曝光波长。由(3)式知，相对于传统光刻技术，在q 相同的情况下，引入浸没光刻技术可以使焦深增大n 倍。此外，浸没液体也减小了界面上的光反射损耗。

2.1.1浸没液体（积淀、气泡、光吸收）

当今高精度的浸没式步进扫描投影光刻机对浸没液体的选择相当苛刻，高折射率和高透射系数是最基本的要求。

使用水作为193nm 光刻的浸没液体。

在曝光过程中，由于水中溶解的物质有可能沉积到投影物镜最后一个透镜的下表面或者光刻胶上，引起成像缺陷，而水中溶解的气体也有可能形成气泡，使光线发生散射和折射。因此，目前业界普遍使用价格便宜、简单易得的去离子和去气体的纯水作为第一代浸没式光刻机的浸没液体。

在大多数波段水的折射率为1.33 左右，而在193nm 附近，水的折射率高达

1.437。水在193nm波段的吸收系数很低，仅为0.035/cm。光刻机的生产率与照明光的透射率成正比，因此为了减小水对光的吸收，水层的厚度不能太大。

另外，还要考虑水层的厚度对扫描速度的影响。在500mm/s 的扫描速度下，水层的厚度应该控制在1~2mm。

2.1.2液体浸没方式(局部浸没法)

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。

主要有三种液体浸没方法：

（一）硅片浸没法

（二）工件台浸没法

（三）局部浸没法

目前业界多采用局部浸没法。

硅片浸没法示意图

工件台浸没法示意图

局部浸没法示意图

局部浸没法可以解决硅片浸没法和工件台浸没法存在的一些问题。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。

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。这种结构也被称为喷淋结构。

局部浸没法的优点：

（1) 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；

（2) 可以保留干式光刻系统的对准系统和调焦调平系统；

（3) 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。

2.1.3大数值孔径投影物镜的设计（折反式投影物镜）

提高浸没式光刻机分辨率的关键是增大投影物镜的数值孔径。随着光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越突出。因此，需要在严格控制像差和杂散光的前提下，设计大数值孔径的浸没式光刻投影物镜。

折反式投影物镜

单轴设计方案结合了全折射式物镜和折反式物镜的优点，在具有较好机械稳定性的同时，可以获得更大的数值孔径。

为了使数值孔径达到1.3 甚至更高，就要使用非球面反射镜。非球面反射镜除了会带来更多的局部杂散光以外，它在高产率生产过程中会受到不均匀加热，进而影响成像质量。

(a)是多轴设计方案 (b)是单轴设计方案

Nikon 公司设计的折反式投影物镜

2.1.4 偏振光照明(无损偏振光照明系统)

随着浸没技术的引入，光刻机投影物镜的数值孔径越来越大。考虑大数值孔径光刻系统的成像质量问题时，照明光的偏振态已不可忽视。在光刻机照明系统中，照明光经过掩模发生衍射，掩模像是由其中的零级衍射光和一级衍射光在硅片表面发生干涉形成的。

随着投影物镜数值孔径的增大，入射光线之间夹角变大，振动方向之间的夹角也随之增大，造成成像对比度的下降。因此，在大数值孔径光刻系统中，应该使用成像对比度较高的s 偏振光照明。

高数值孔径下s 偏振光和p 偏振光的成像对比度

激光器输出的光一般是线偏振光，然而光刻机照明系统中光学材料的本征双折射和应力双折射会使光的偏振态发生变化，光学薄膜的偏振特性以及光在界面的反射和折射也会影响光的偏振态。因此为了实现偏振光照明，需要对整个照明系统进行偏振控制。简单地在光路中插入偏振器件，会损失大量的激光能量，意味着光刻机生产率的下降。如果通过提高激光器的输出功率补偿光能损失，会使激光器和照明光路元件的寿命下降

2.1.5液体温度变化带来的影响(热量累积效应)

浸没式光刻机在工作过程中，光刻胶、BARC (bottom anti -reflective coating)、硅片都会吸收照明光的能量，并把热传导给水，使水的温度升高。而水本身也会吸收照明光的能量而引起温度升高。

水温的变化将引起折射率的改变。如果水温变化不均匀，会导致像面聚焦偏移和球差的改变。在曝光系统中，焦面的偏移可由调焦调平系统校正，然而局部的温度起伏将引起局部的成像质量恶化。

保持浸没区域的水循环流动是解决水温变化的有效方法。

2.1.6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：1) 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；2) 水的流动带入周围的气体形成气泡；3)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.

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。

2.1.7光刻胶与污染(污染沉积)

在浸没式光刻系统中，光刻胶与水长时间接触，人们担心光刻胶溶入水中，导致水的污染。污染物可能沉积在透镜的下表面，水也有可能渗透到光刻胶中，影响到光刻胶的显影特性。

研究发现，水中溶入光刻胶物质后，激光的透射率基本不变。在透镜下表面未经激光照射的区域发现了污染沉积，这些沉积物质又演变为微粒，影响光刻成像质量。

为了解决浸没式光刻机的污染问题，通常保持纯水一定速度的流动更新，降低溶解物质的浓度。除此之外，在浸没式光刻机的周期性维护过程中，应该对浸没区域进行彻底的清洗。

2.2 浸没式光刻机浸液控制技术研究

2.2.1 浸液控制关键技术研究

当前，将浸没液体填充到物镜与硅片之间主要采用完全浸没式和局部浸没式两种方案。局部浸没式方案仅在物镜下方的有限区域内填充液体，如图1 所示。相比于完全浸没式方案，局部浸没式回避了硅片运动时加速大量液体所带来的剪应力大、生产率低的问题，已经成为了目前国内外研究的主流方向。

图1 局部浸没式液体填充原理图

浙江大学基于局部浸没式液体填充方案开展研究，搭建试验平台，如图2 所示。

图 2 浸液控制系统试验平台

为了便于检测，采用光学玻璃替代硅片。玻璃固定在运动支架上，并在电机驱动下进行步进扫描运动（最高扫描速度为200mm/s，加速度为2g）。

采用高速摄像和流场可视化等试验手段，研究不同参数下的流场内部及边界变化规律。

2.2.2 浸液控制系统的研制

在上述研究的基础上，研制浸液控制系统，该系统包含浸液供给系统和浸没装置两部分。浸没液体和密封气体在浸液供给系统的驱动下被输送到浸没装置，并通过浸没装置的作用在投影物镜下方形成具有敞开式密封的浸没流场。

为了确保曝光成像质量与可靠性，浸液控制系统对于供液的洁净度和稳定性有着很高的要求。洁净的供液是降低曝光缺陷的关键，它不仅要求浸没液体来源的高度洁净，同时需要对浸液供给系统引起的二次污染进行有效控制。稳定的供液则有助于抑制液力冲击并增强密封的可靠性，它需要保证浸液供给稳定流动的同时，实现液体输送与浸没流场控制的高度协调。为了满足上述要求，浸液供给系统的设计主要依据以下两方面展开。

第一，采用去离子水为浸没液体确保液体来源的可靠性，在保证管路系统的密封性的同时采用管路及过流部件表面处理等技术，避免污染的生成。第二，采用实时检测、动态补偿和反馈控制相结合的方法，确保浸液供给系统参数（如流量、压力等）的稳定性。通过设计缓冲结构，抑制步进扫描过程中由于运动状态变化所造成的液力冲击与流场波动。

为了研究不同参数结构对于浸没流场及其密封带来的影响，研制了多种类型的浸没装置。第一类浸没装置，如图 4 所示，设计多种类型的简易浸没装置，研究不同结构下的流场密封性能。实现了双层气体密封，并通过在回收腔内填充多孔介质，有效的抑制了气液混合回收引起的振动。

图 4 第一类浸没装置

第二类浸没装置，如图 5所示，利用薄壁结构实现圆周方向上的连续气密封。该结构不但将整机尺寸缩小50%，而且在提高气密封工作效率的同时降低了系统压力需求。

图5第二类浸没装置

第三类浸没装置，如图 6 所示，对浸没装置的双层“气密封－混合回收”结构进行优化，强化内层回收排孔的分布密度和分布范围；优化液体注入过程，实现了液体四路独立注入。在浸没装置内部实现气液二相分离，降低气液混合过程中气相边界破裂导致的脉动冲击。此外，该装置还实现了与投影物镜的软性密封连接，这有助于抑制浸没装置振动向投影物镜的传导。该样机在200mm/s 扫描速度和TiO2 硅片涂层条件下，实现了无泄漏的稳定工作。

图6第三类浸没装置

此外，为了回避气体密封引起流场波动，研制了仅依靠张力实施密封的浸没装置，并通过在浸没装置外围设置干燥腔，实时回收可能泄漏的液体，以避免水渍的生成。

2.3 控制总结

集成电路制造装备是信息产业的基础，在国家经济建设和国防安全中有重要的地位，是国家的战略必争技术。浸液控制技术作为浸没式光刻机的核心技术之一，它的突破对推动45 以下纳米浸没光刻机的研发具有重要的意义。本文围绕着浸液控制的关键技术展开研究。在维持硅片步进扫描过程中的流场完整性，抑制硅片表面液体滞留的基础上；提出了一系列方案保证流场的洁净度和稳定性，并控制应力向投影物镜的传导。在这些研究的基础上，研制了浸液控制系统，试验表明该系统初步具备了一定的可靠性与实用性。

第三章 展望

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65nm 和45nm 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。

用水作为浸没液体的浸没式光刻机，数值孔径的极限为1.35左右。为了将浸没式光刻技术延伸到32nm 甚至22nm 节点，应用折射率更高的液体取代水作为浸没液体。许多公司正致力于第二代浸没液体的研究，已经找到多种折射率在1.65左右的液体。

引入第二代浸没液体后，寻找高折射率(n>1.65)的投影物镜底部透镜材料将成为进一步提高数值孔径的关键。

今后各公司将使用各种第二代浸没液体和高折射率底部透镜材料搭建实验平台进行曝光测试，分析曝光缺陷、线宽均匀性、液体的循环以及液体对成像质量的影响，找到最佳的材料，在此基础上设计更高数值孔径的浸没式光刻机，以应对更小光刻线宽的挑战。

参 考 文 献

[1] 付新，陈晖，陈文昱等. 用于光刻机浸没控制装置：中国ZL[1**********]1.6[P]. 2008-07-29.

[2] 傅新，翟立奎，谢海波等. 浸没式光刻系统中的液体传动及气密封装置：中国，ZL[1**********]3.X[P].2005-05-09.

[3] 杨华勇，陈文昱，谢海波等. 浸没式光刻系统中的液体供给及回收的密封控制装置：中国，ZL[1**********]8.1[P]. 2007-03-15.

[4] 付新，陈颖，陈晖等. 用于光刻机的浸没液体回收减振控制装置：中国，ZL[1**********]2.8[P]. 2008-10-21.