浸沒光刻

浸沒光刻是一種微電子生產工藝中的技術，用於在光刻結構化過程中獲得更清晰的光學成像。該技術利用與浸沒顯微鏡相同的原理，但其目的不是觀察物體，而是將光罩上已有結構以縮小比例投影到光刻膠層中，參見光刻。它是投影曝光的改進，通過將物鏡最後一片透鏡與晶圓表面間隙中的空氣替換為具有儘可能高折射率的浸沒液。與不使用浸沒介質的同類設備相比，該方法能夠製造更小的結構，因為可實現更大的數值孔徑和更深的景深。

引入浸沒光刻使得基於ArF準分子雷射（亦稱193納米光刻）的現有光刻系統（包括透鏡系統、光罩、光刻膠等）得以繼續使用，同時仍能製造更小的結構。因此，可暫緩引入成本高且尚不適合工業化大規模生產的替代技術，如EUV-或電子束曝光。截至目前，在光刻系統演進中，它是最後一項基於折射的技術。

浸沒光刻是工業大規模生產集成電路、製造結構尺寸為28納米至10納米的晶片的最常用技術，是生產電子計算機處理器、智慧型手機單片系統等微電子產品的關鍵技術。

## 歷史

早在顯微鏡學領域就已知通過使用浸沒顯微鏡改善光學系統解析度的原理。由於浸沒液的折射率(n)大於空氣(n空氣≈1)，可增大光學系統的數值孔徑，從而提高景深並改善解析度。1981年，日立首次就將浸沒技術應用於光刻提出專利申請，1980年代末進一步研究並在浸沒顯微鏡中演示，1990年代末針對現代膠系統展示。21世紀初開始加速技術落地。研究指出，傳統「乾式」光刻系統（無浸沒介質）難以滿足所需解析度，浸沒光刻成為延續微電子電路縮放的有力候選技術。

2003、2004年，首次演示了針對HeCd、Nd:YAG和ArF雷射（波長分別為442、213和193納米）的浸沒光刻。當時，193納米「乾式」ArF掃描器已被工業化應用，浸沒式ArF掃描器（亦稱193i光刻）迅速發展，這主要歸功於其改造現有「乾式」系統所需的技術調整相對較少。相比之下，引入157納米波長的氟準分子雷射器或如EUV、X射線或電子束曝光等替代方法則需重新設計光刻膠和雷射光學系統。2004年，首台適用於量產的193i掃描器ASML AT1150i（NA=0.75）交付至奧爾巴尼納米技術中心（Albany NanoTech）。浸沒式掃描器以水為介質可實現接近水極限的NA1.3–1.35，並被多家快閃記憶體製造商用於55納米製程節點。2010年，工業級浸沒光刻系統成本因廠商而異，尼康NSR-S620D約3000萬美元，ASML TwinScan NXT:1950i約5500萬美元。

### 可選技術：157納米光刻

157納米光刻技術研發的主要難題包括新型光刻膠和透鏡材料的尋找。典型有機分子常見的苯酚和羧酸基團在157納米紫外線下有很強的吸收，使輻射無法充分穿透光刻膠層；高折射率的透鏡與浸沒液材料同樣存在過度吸收問題。157納米紫外線波長正好位於特種石英玻璃Suprasil 3301/3302的透射窗口邊緣，導致運行時發熱增加，進而影響光學系統的成像精準度。雖然氟化鈣（CaF₂）晶體在157納米下透光性良好，但大型高質量晶體的製備與加工產量低、成本高昂。對於高折射率的浸沒液，吸收係數問題更為嚴重。常用的全氟聚醚（PFPE）因化學惰性、無毒、無腐蝕且潔淨室兼容性好而備受青睞，但其在193納米處的吸收係數為0.1–0.6 cm−1，在157納米時飆升至6–19 cm−1。雖有少數PFPE在157納米下吸收係數低於1 cm−1，但它們在高劑量輻照後吸收係數顯著上升，耐雷射輻射能力不足，因此至今尚無適用於工業量產的理想材料。

## 背景與原理

要理解浸沒式光刻系統的功能，需要了解一些確定光學系統解析度的基本原理。最低可實現解析度光學系統的折射率可用以下方程描述：

要理解浸沒光刻系統的工作原理，首先需了解光學系統解析度的決定因素。光學系統的最小角解析度$R$可由下式表示：

$$R = k_1 \frac{\lambda_0}{n \cdot \sin \theta} = k_1 \frac{\lambda_0}{\text{NA}}$$

其中，$k_1$為解析度係數（一種工藝常數），$\lambda_0$為用於曝光的雷射真空波長，$n$為入射介質的折射率，$\theta$為透鏡的開口角。$n \cdot \sin \theta$即為成像透鏡的數值孔徑（NA）。

解析度係數$k_1$取決於曝光工藝，通過曝光條件、掩膜技術和光刻膠性能決定。過去幾十年中，通過改進光刻膠化學等手段，$k_1$已從約0.8降至0.38，從而顯著提升了光刻系統的解析度。此外，以往通過縮短曝光波長（由水銀燈的h、i譜線，到KrF準分子雷射（248 納米），再到ArF準分子雷射（193 納米））、優化光刻膠或採用新型曝光技術（如傾斜曝光）等方法，不斷推動解析度極限。自ArF準分子雷射引入後，進一步縮短波長（F₂準分子雷射，157 納米）已面臨材料透光性的瓶頸。在這一波段，常用材料（透鏡、光刻膠、光罩、掩膜保護膜等）均透光性不足。157納米光刻的發展因此需引入新材料，並對現有系統進行大幅改造，成本高昂。正因如此，行業開始探索如電子束曝光等替代工藝及其他「技術手段」，以在工業規模上實現更佳解析度。

這些「技術技巧」之一是改變系統的數值孔徑——其他技巧包括多重結構化——因為光學系統對結構進行成像的能力與成像設備的數值孔徑成反比（參見上文公式）。「乾式」光刻系統中的數值孔徑最大為1——這是由於空氣折射率導致的理論極限；實際峰值約為0.95。由於無法通過增強折射（在透鏡處）來進一步提高解析度，因此只能通過更換耦合介質（空氣）來提高數值孔徑（n空氣）。≈ 1) 在最後一塊透鏡（目前主要由石英製成）和塗有光刻膠的晶圓之間，通過折射率更高的浸沒介質進行成像。這種變化對解析度有非常顯著的影響，因為雷射的波長（在真空中為193 納米）在水中約為 134 納米。

其中一種「技術手段」是改變系統的數值孔徑——其他手段例如多重圖案化——因為光學系統的成像能力與數值孔徑成反比（參見上文公式）。在「乾式」光刻系統中，NA最大理論值為1（空氣折射率所限），實際峰值約為0.95。由於無法僅通過增強物鏡折射來進一步提升解析度，NA的提升只能通過將最後一片透鏡（通常由石英製成）與塗有光刻膠的晶圓之間的耦合介質——空氣（n空氣≈1）——替換為折射率更高的浸沒介質來實現。這一改變對解析度有顯著提升，因為雷射在真空中的波長為193 nm，而在水中約為134 nm。

另一個關鍵參數是焦深（depth of focus，DOF），它表示沿曝光系統光軸方向上成像保持清晰的範圍。由於要覆蓋整個光刻膠層厚度並補償晶圓表面的不平整，景深必須足夠，否則焦面上下的圖形會明顯縮小，導致「懸垂」或掩膜未完全打開等成像缺陷。

與解析度類似，景深受曝光波長、NA以及透鏡與光刻膠之間介質的影響。對於投影系統，可按下式計算景深：

$$\text{DOF}= \frac{k_2}{2} \cdot \frac{\lambda_0}{n \cdot \left( 1 - \sqrt{ 1 - \frac{\text{NA}^2}{n^2} }\right)}$$

對於小角度$\theta$，該式可近似為：

$$\text{DOF}=\propto \frac{n \cdot \lambda_0}{\text{NA}^2}$$

由此可見，在相同波長和介質條件下，NA增大時景深會降低。此前各類系統優化中，這始終是必須權衡的折衷。物理上，這是因為隨著NA增大，z方向的空間頻率分量更易失相，遠離焦面時圖像變得模糊。

總之，與同類「乾式」系統相比，浸沒介質顯著優化了成像性能。即使使用折射率為1.47（193 nm處）的高純度水，解析度也可提升約30–40%（視材料而定）；而僅將ArF準分子雷射換為F2準分子雷射，僅能帶來約19%的提升。此外，在相同NA下，對晶圓表面不平整的容忍度（即焦深）也約提高一倍。然而，光罩圖案在光刻膠中的投影始終需在解析度與景深之間權衡，二者無法同時達到極致。

## 技術結構

現代浸沒光刻設備的技術結構與基於ArF準分子雷射器（193 nm）的乾式光刻系統基本相同。包括雷射光源、聚光透鏡系統、掩模支架、聚焦光學系統和放置晶圓的樣品台。不同之處在於需在晶圓與最後一片透鏡之間保持浸沒液，主要有兩種實現方式：

- 整個晶圓的潤濕（stage immersion，即晶圓在液體中的浸沒，或wafer immersion）
- 整體浸沒（stage immersion，即將晶圓浸入液體，或wafer immersion）
- 局部浸沒液（英文local delivery）

當前設備均採用局部浸沒液供應，因為其潤濕和去除時間更短，效率更高。通常在透鏡周圍設置一個水槽，通過懸浮在晶圓上方數微米的所謂「showerhead」適配器，在曝光過程中保持水層穩定，實現快速潤濕與快速去除。為防止浸沒液側向流失或伴隨晶圓移動殘留，在適配器邊緣產生細微空氣門（air curtain）。

液層穩定性還取決於掃描速度（晶圓與透鏡的相對速度）和動態接觸角（浸潤角和脫潤角，也稱推進角和後退角）。它們影響液膜被拉扯產生液體損失或潤濕不穩定的程度。低速且脫潤角極低時（水在親水表面），常見薄液膜被拖拽成滴狀流失；高速且接觸角較大時（水在疏水表面），則因表面張力不足以克服液彎月面慣性而出現液損。對於典型掃描速度500 mm/s（每台設備每小時可處理約150片晶圓），脫潤角應在70°及以上。而常規為乾式光刻開發的193 nm光刻膠其脫潤角僅43–53°，因此需使用特殊光刻膠或在光刻膠表面添加疏水保護層以減少化學侵蝕等影響。

## 浸沒液

高純度水（n水, 193 nm≈1,47）自研究伊始就是主要的浸沒液，也是迄今唯一應用於工業生產的浸沒介質。除第一代水外，目前還在研究折射率更高（1.65–1.8）的其他液體。第二代浸沒液包括均相有機液體，例如全氟聚醚（PFPE）或環烷烴。折射率約1.65時，相對於水可再提升約14%的解析度。與透鏡材料類似，浸沒液同樣要求折射率溫度依賴性低（亦稱熱光學係數dn/dT）和紫外區吸收係數α < 0.15 cm−1，否則會因光程差導致強度不均，並因溫度變化引起焦點漂移。浸沒液吸收還可能對光刻膠造成輻射損傷（分解、化學反應乃至氣泡形成），這些影響難以完全校正。因而還需高熱容量和良好熱導率。但許多有機液體因自由電子或混成軌域中電子，在193 nm和157 nm波長下吸收係數較高，難以找到合適材料。

為獲得更高折射率並開發用於高折射率透鏡（如鑥鋁石榴石，193 nm處n=2.14）的材料，需另覓方案，因為尚無均相液體折射率超過1.8。故目前研究第三代浸沒液，即在有機液體中懸浮納米顆粒（如來自LuAG或二氧化鋯的5 nm球形顆粒）的懸浮液。總體而言，第二代和第三代高折射率浸沒液對數值孔徑提升的收益有限，相關研究到2008年已落後於產業進度。其工業化應用仍不明朗。

## 量產使用中的問題

一般而言，半導體技術中新工藝只有在缺陷密度達到與類似「乾式」光刻相當水平時才會投入生產。因此，對浸沒光刻在大規模生產中應用的最大障礙，是晶圓上微晶片的缺陷及其他可能導致良率下降的因素。早期研究集中於消除浸沒液中的氣泡、溫度和壓力波動，以及光刻膠對浸沒液的吸收。已識別出浸沒光刻的固有缺陷及水供給單元產生的顆粒（常見缺陷來源）。

研究還表明，水會從光刻膠中提取部分光引發劑（在曝光時生成光酸的光活性物質）及光酸本身（通常為羧酸，可將顯影速率提高1至2個數量級）。必須防止這些物質自光刻膠向浸沒水相擴散，以避免光學物鏡被酸或雜質損害，並防止擴散對光刻膠顯影的不利影響。

在193 nm紫外照射下，水會電離，產生溶劑化電子，它們在光刻膠中擴散並與之反應，降低解析度性能。

上述潛在缺陷問題促使人們考慮在光刻膠表面直接添加一層覆蓋膜，以阻隔水和PAG在液體與光刻膠間擴散。同時對液體與覆蓋膜的界面進行了優化，以減少水痕。在使用覆蓋膜時，還必須排除或預防覆蓋膜自身可能產生的缺陷。

在現代掃描器大規模生產的典型掃描速度（約500 mm/s）下，光刻膠與水的接觸時間極短。由此衍生的主要問題有：一是水殘留導致的缺陷（水痕形成），二是光刻膠與水的附著力喪失（空氣間隙形成）。表面疏水性和水的供給／排出方式是實現技術的關鍵。此外，晶圓邊緣區域由於水流迴轉（回流），可能攜帶邊緣和背面顆粒，導致缺陷在此處集中。

## 當前和未來的用途

ASML（採用蔡司公司的光學系統）、尼康和佳能目前是唯一提供工業化浸沒光刻系統的商業廠商。自2007年以來，多家大型半導體公司已在45納米及以下製程中採用這些系統，如IBM、格芯（原AMD代工部門）、聯華電子、東芝和德州儀器。相應產品包括AMD Athlon II和AMD加速處理器。英特爾則直到2009年才在32納米製程中採用浸沒光刻，例如在Intel Core i7（Nehalem微架構）中應用。22納米及以下集成電路關鍵層很可能仍將採用浸沒光刻，但這取決於極紫外光刻或電子束曝光等替代工藝的工業化進展及可用性。

目前正在研究如何在32 納米節點之後繼續應用該技術，包括採用折射率高於現有材料的新材料。這既涉及最後一片物鏡，例如考慮用鑥鋁石榴石（193 nm時n=2.14）替代二氧化矽，也包括替換浸沒液（水）及光刻膠本身。原因在於這三者中折射率最低者決定了成像系統的NA，折射率更高的材料可實現更高NA，從而提升對小結構的解析度。新方案可實現約30 nm的光學解析度，但預計低於40 nm時，現有光刻膠將成為制約因素。此外還需應對偏振效應、雙折射及光學系統中的溫度依賴型色散問題。

另一方面，諸如layout regularity（設計可製造性）規則、多重圖案化等技術可將半周期解析度再縮小約2倍，使浸沒光刻有望在16 納米節點乃至更小尺寸繼續使用。但在32 nm以下，使用如光學鄰近校正（OPC，optical proximity correction）等非光刻技術的方法也受限；例如用以改善成像質量的錘頭在光罩上幾乎無處安放。