浸入式光刻技术

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。
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
工艺因子k，波长λ，数值孔径NA。
波长公式：


n
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 。
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。
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：
k R NA
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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
到现在为止，Core i5使用193nm液浸式光刻系统实现45 纳米制程。Core i7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（double patterning）技术。

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 。