浸没光刻

辐射先穿过一组透镜（1）和一层薄液膜（2；此处为水），然后照射晶圆（3）表面的光刻胶。]]
浸没光刻是一种微电子生产工艺中的技术，用于在光刻结构化过程中获得更清晰的光学成像。该技术利用与浸没显微镜相同的原理，但其目的不是观察物体，而是将光罩上已有结构以缩小比例投影到光刻胶层中，参见光刻。它是投影曝光的改进，通过将物镜最后一片透镜与晶圓表面间隙中的空气替换为具有尽可能高折射率的浸没液。与不使用浸没介质的同类设备相比，该方法能够制造更小的结构，因为可实现更大的数值孔径和更深的景深。

引入浸没光刻使得基于ArF准分子激光（亦称193纳米光刻）的现有光刻系统（包括透镜系统、光罩、光刻胶等）得以继续使用，同时仍能制造更小的结构。因此，可暂缓引入成本高且尚不适合工业化大规模生产的替代技术，如EUV-或电子束曝光。截至目前，在光刻系统演进中，它是最后一项基于折射的技术。

浸没光刻是工业大规模生产集成电路、制造结构尺寸为28纳米至10纳米的芯片的最常用技术，是生产电子计算机处理器、智能手机单片系统等微电子产品的关键技术。

历史
早在顯微鏡学领域就已知通过使用浸没显微镜改善光学系统分辨率的原理。由于浸没液的折射率(n)大于空气(n空气≈1)，可增大光学系统的数值孔径，从而提高景深并改善分辨率。1981年，日立首次就将浸没技术应用于光刻提出专利申请，1980年代末进一步研究并在浸没显微镜中演示，1990年代末针对现代胶系统展示当时，193纳米“干式”ArF扫描器已被工业化应用，浸没式ArF扫描器（亦称193i光刻）迅速发展，这主要归功于其改造现有“干式”系统所需的技术调整相对较少。相比之下，引入157纳米波长的氟准分子激光器或如EUV、X射线或电子束曝光等替代方法则需重新设计光刻胶和激光光学系统。2004年，首台适用于量产的193i扫描器ASML AT1150i（NA=0.75）交付至奥尔巴尼纳米技术中心（Albany NanoTech）。浸没式扫描器以水为介质可实现接近水极限的NA1.3–1.35，并被多家闪存制造商用于55纳米制程节点，ASML TwinScan NXT:1950i约5500万美元。

可选技术：157纳米光刻
157纳米光刻技术研发的主要难题包括新型光刻胶和透镜材料的寻找。典型有机分子常见的苯酚和羧酸基团在157纳米紫外线下有很强的吸收，使辐射无法充分穿透光刻胶层；高折射率的透镜与浸没液材料同样存在过度吸收问题。157纳米紫外线波长正好位于特种石英玻璃Suprasil 3301/3302的透射窗口边缘，导致运行时发热增加，进而影响光学系统的成像精准度。虽然氟化钙（CaF₂）晶体在157纳米下透光性良好，但大型高质量晶体的制备与加工产量低、成本高昂。对于高折射率的浸没液，吸收系数问题更为严重。常用的全氟聚醚（PFPE）因化学惰性、无毒、无腐蚀且洁净室兼容性好而备受青睐。虽有少数PFPE在157纳米下吸收系数低于1 cm−1，但它们在高剂量辐照后吸收系数显著上升，耐激光辐射能力不足总体而言，第二代和第三代高折射率浸没液对数值孔径提升的收益有限，相关研究到2008年已落后于产业进度。其工业化应用仍不明朗。

量产使用中的问题
一般而言，半导体技术中新工艺只有在缺陷密度达到与类似“干式”光刻相当水平时才会投入生产。因此，对浸没光刻在大规模生产中应用的最大障碍，是晶圆上微芯片的缺陷及其他可能导致良率下降的因素。早期研究集中于消除浸没液中的气泡、温度和压力波动，以及光刻胶对浸没液的吸收。已识别出浸没光刻的固有缺陷及水供给单元产生的颗粒（常见缺陷来源）。

研究还表明，水会从光刻胶中提取部分光引发剂（在曝光时生成光酸的光活性物质）及光酸本身（通常为羧酸，可将显影速率提高1至2个数量级）。必须防止这些物质自光刻胶向浸没水相扩散，以避免光学物镜被酸或杂质损害，并防止扩散对光刻胶显影的不利影响。

在193 nm紫外照射下，水会电离，产生溶剂化电子，它们在光刻胶中扩散并与之反应，降低分辨率性能。

上述潜在缺陷问题促使人们考虑在光刻胶表面直接添加一层覆盖膜，以阻隔水和PAG在液体与光刻胶间扩散。同时对液体与覆盖膜的界面进行了优化，以减少水痕。在使用覆盖膜时，还必须排除或预防覆盖膜自身可能产生的缺陷。

在现代扫描器大规模生产的典型扫描速度（约500 mm/s）下，光刻胶与水的接触时间极短。由此衍生的主要问题有：一是水残留导致的缺陷（水痕形成），二是光刻胶与水的附着力丧失（空气间隙形成）。表面疏水性和水的供给／排出方式是实现技术的关键。此外，晶圆边缘区域由于水流回转（回流），可能携带边缘和背面颗粒，导致缺陷在此处集中。  

当前和未来的用途
ASML（采用蔡司公司的光学系统）、尼康和佳能目前是唯一提供工业化浸没光刻系统的商业厂商。自2007年以来，多家大型半导体公司已在45纳米及以下制程中采用这些系统，如IBM、格芯（原AMD代工部门）、聯華電子、东芝和德州仪器。相应产品包括AMD Athlon II和AMD加速处理器。英特尔则直到2009年才在32纳米制程中采用浸没光刻，例如在Intel Core i7（Nehalem微架構）中应用。22纳米及以下集成电路关键层很可能仍将采用浸没光刻，但这取决于极紫外光刻或电子束曝光等替代工艺的工业化进展及可用性。

目前正在研究如何在32 纳米节点之后继续应用该技术，包括采用折射率高于现有材料的新材料。这既涉及最后一片物镜，例如考虑用镥铝石榴石（193 nm时n=2.14）替代二氧化硅，也包括替换浸没液（水）及光刻胶本身。原因在于这三者中折射率最低者决定了成像系统的NA，折射率更高的材料可实现更高NA，从而提升对小结构的分辨率。新方案可实现约30 nm的光学分辨率，但预计低于40 nm时，现有光刻胶将成为制约因素。此外还需应对偏振效应、双折射及光学系统中的温度依赖型色散问题。

另一方面，诸如（设计可制造性）规则、多重图案化等技术可将半周期分辨率再缩小约2倍，使浸没光刻有望在16 纳米节点乃至更小尺寸继续使用。但在32 nm以下，使用如光学邻近校正（OPC，optical proximity correction）等非光刻技术的方法也受限；例如用以改善成像质量的锤头在光罩上几乎无处安放。

文献
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参考