浸沒式光刻技術(shù)

光刻技術(shù)新發(fā)展——浸沒式光刻技術(shù)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新寵背景根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS2005，半導(dǎo)體制造技術(shù)將在2007年達(dá)到65nm節(jié)點(diǎn)，到2010年達(dá)到45nm節(jié)點(diǎn)。光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)已經(jīng)從436nm(g線)，365nm(i線)，248nm(KrF)減小到目前的193nm(ArF)。光學(xué)光刻技術(shù)先后經(jīng)歷了從接觸式光刻、接近式光刻、全硅片掃描投影式光刻、分步重復(fù)投影式光刻到目前普遍采用的步進(jìn)掃描投影式光刻的發(fā)展歷程。目前，193nm的ArF步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)已經(jīng)廣泛用于90nm工藝制造，其數(shù)值孔徑和工藝因子K1即將接近理論極限，為了獲得更小的特征尺寸，將193nm光刻技術(shù)延伸到65nm、45nm、32nm甚至22nm節(jié)點(diǎn)，一個(gè)行之有效的方法就是引入液體浸沒技術(shù)。所謂"準(zhǔn)分子激光"，是指受激二聚體（惰性氣體和鹵素兩種元素）所產(chǎn)生的激光，波長(zhǎng)范圍為157～353nm，所屬紫外激光波段。氟化氬(ArF)混合物產(chǎn)生的波長(zhǎng)為193nm的超紫外冷激光.光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件大規(guī)模生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用.今天,多數(shù)先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)都已經(jīng)應(yīng)用ArF準(zhǔn)分子激光浸沒光刻技術(shù).雙重圖像曝光和側(cè)壁圖像轉(zhuǎn)移技術(shù)使ArF準(zhǔn)分子激光浸潤(rùn)光刻技術(shù)延伸到32納米半節(jié)距(HP)器件的制造成為可能.ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光浸沒光刻技術(shù)193nm浸沒式光刻技術(shù)液體浸沒技術(shù)用于光學(xué)顯微鏡，使數(shù)值孔值和成像對(duì)比度明顯提高。相對(duì)于157nm(F2)光刻技術(shù)，193nm浸沒式光刻技術(shù)不需要研發(fā)新的掩模、透鏡和光刻膠材料，193nm浸沒式光刻機(jī)甚至可以保留現(xiàn)有193nm干式光刻機(jī)的大部分組件，僅對(duì)部分分系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)即可。（一）浸沒式光刻的原理浸沒式光刻技術(shù)需要在光刻機(jī)投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間充滿高折射率的液體。傳統(tǒng)光刻和浸沒式光刻的對(duì)比示意圖投影物鏡的數(shù)值孔徑

NA=nsinq

其中，n為投影物鏡與硅片之間介質(zhì)的折射率，q為光線最大入射角。在最大入射角相同的情況下，浸沒式光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑比傳統(tǒng)光刻系統(tǒng)增大了n倍。而從傅里葉光學(xué)的角度，數(shù)值孔徑扮演著空間頻率低通濾波器閾值的角色。注入高折射率的浸沒液體可以使更高空間頻率的光波入射到光刻膠上，因此成像分辨率得以提高。根據(jù)瑞利判據(jù)，光刻機(jī)的分辨率R和焦深DOF為其中，k1，k2為工藝因子，入eff=l/n為有效曝光波長(zhǎng)。由(2)式可以看出，浸沒式光刻的特征尺寸縮小為傳統(tǒng)光刻的1/n，相當(dāng)于有效曝光波長(zhǎng)縮小為原來的1/n。當(dāng)l=193nm，n=1.437(水)時(shí)，入eff=134.3nm，已經(jīng)小于F2光刻157nm的曝光波長(zhǎng)。由(3)式知，相對(duì)于傳統(tǒng)光刻技術(shù)，在q相同的情況下，引入浸沒光刻技術(shù)可以使焦深增大n倍。此外，浸沒液體也減小了界面上的光反射損耗。（二）浸沒式光刻帶來的主要問題及對(duì)策浸沒液體液體浸沒方式大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計(jì)偏振光照明液體溫度變化帶來的影響氣泡的消除光刻膠與污染浸沒液體（積淀、氣泡、光吸收）當(dāng)今高精度的浸沒式步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)對(duì)浸沒液體的選擇相當(dāng)苛刻，高折射率和高透射系數(shù)是最基本的要求。使用水作為193nm光刻的浸沒液體。在曝光過程中，由于水中溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面或者光刻膠上，引起成像缺陷，而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡，使光線發(fā)生散射和折射。因此，目前業(yè)界普遍使用價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機(jī)的浸沒液體。在大多數(shù)波段水的折射率為1.33左右，而在193nm附近，水的折射率高達(dá)1.437。水在193nm波段的吸收系數(shù)很低，僅為0.035/cm。光刻機(jī)的生產(chǎn)率與照明光的透射率成正比，因此為了減小水對(duì)光的吸收，水層的厚度不能太大。另外，還要考慮水層的厚度對(duì)掃描速度的影響。在500mm/s的掃描速度下，水層的厚度應(yīng)該控制在1~2mm。2.液體浸沒方式(局部浸沒法)浸沒式光刻系統(tǒng)需要在投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間保持穩(wěn)定的液體流動(dòng)。液體的流動(dòng)使得液體均勻化，使液體保持清潔，防止污染物沉積。主要有三種液體浸沒方法：

硅片浸沒法

工件臺(tái)浸沒法

局部浸沒法目前業(yè)界多采用局部浸沒法。

硅片浸沒法示意圖

工件臺(tái)浸沒法示意圖

局部浸沒法示意圖局部浸沒法可以解決硅片浸沒法和工件臺(tái)浸沒法存在的一些問題。局部浸沒法中投影物鏡是固定的，最后一個(gè)透鏡的下表面始終浸沒在液體中。在步進(jìn)掃描過程中，硅片的不同部位浸沒在液體中。在硅片的一側(cè)設(shè)置一個(gè)噴嘴，將液體注入到鏡頭下面，在另一側(cè)設(shè)置一個(gè)吸嘴將液體吸回，形成液體的流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)也被稱為噴淋結(jié)構(gòu)。局部浸沒法局部浸沒法的優(yōu)點(diǎn)：1)工件臺(tái)本質(zhì)上與干式系統(tǒng)相同，這樣將節(jié)省研發(fā)成本和

時(shí)間；

2)可以保留干式光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)；

3)注入的液體容量比較小，可以快速注滿和排空，保持了

較高的生產(chǎn)率。局部浸沒法的缺點(diǎn)：

在對(duì)硅片邊緣部分進(jìn)行曝光時(shí)，硅片邊緣的液體容易發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致邊緣曝光場(chǎng)的成像質(zhì)量較差。因此，采取局部浸沒法設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取有效的液體防泄漏措施。3.大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計(jì)（折反式投影物鏡）

提高浸沒式光刻機(jī)分辨率的關(guān)鍵是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。隨著光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物鏡的像差和雜散光對(duì)成像質(zhì)量的影響越來越突出。因此，需要在嚴(yán)格控制像差和雜散光的前提下，設(shè)計(jì)大數(shù)值孔徑的浸沒式光刻投影物鏡。

傳統(tǒng)的干式光刻機(jī)投影物鏡

Nikon公司設(shè)計(jì)的折反式投影物鏡(a)是多軸設(shè)計(jì)方案(b)是單軸設(shè)計(jì)方案

單軸設(shè)計(jì)方案結(jié)合了全折射式物鏡和折反式物鏡的優(yōu)點(diǎn)，在具有較好機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)，可以獲得更大的數(shù)值孔徑。為了使數(shù)值孔徑達(dá)到1.3甚至更高，就要使用非球面反射鏡。非球面反射鏡除了會(huì)帶來更多的局部雜散光以外，它在高產(chǎn)率生產(chǎn)過程中會(huì)受到不均勻加熱，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。折反式投影物鏡4.偏振光照明(無損偏振光照明系統(tǒng))隨著浸沒技術(shù)的引入，光刻機(jī)投影物鏡的數(shù)值孔徑越來越大?？紤]大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)的成像質(zhì)量問題時(shí)，照明光的偏振態(tài)已不