作為浸潤(rùn)式光刻方法的開(kāi)創(chuàng)者，中國(guó)***新竹清華大學(xué)、新竹交通大學(xué)、***大學(xué)特聘講座教授，以及清大-臺(tái)積電聯(lián)合研發(fā)中心主任，2018年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)-數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?，林本?jiān)博士于近日作客北京清華大學(xué)，向師生及業(yè)界人士詳解了半導(dǎo)體光刻技術(shù)及其發(fā)展歷程，展示了一個(gè)詳盡、立體的光刻世界。

當(dāng)人類(lèi)剛發(fā)明出集成電路的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后縮小到了3μm，發(fā)展至今，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)7nm的IC了。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，制程共經(jīng)歷了20代變革，未來(lái)幾年，5nm集成電路也將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。從5μm到5nm，實(shí)現(xiàn)了1000倍的變化，大概經(jīng)歷了40年。

在這一過(guò)程當(dāng)中，有一件比較神奇的事情，5μm階段，當(dāng)時(shí)的波長(zhǎng)是436nm，而到當(dāng)今的7nm，波長(zhǎng)是193nm，變化并不是特別大，這樣，從光學(xué)的角度看，我們要實(shí)現(xiàn)將特征尺寸縮到波長(zhǎng)的四十分之一，似乎是不可能完成的任務(wù)，我們需要跳出純光學(xué)思維，從半導(dǎo)體的角度去考慮如何實(shí)現(xiàn)它。

人的頭發(fā)橫截面直徑大概是80μm，以采用28nm制程工藝的SRAM為例，可以在頭發(fā)的橫截面上放20735個(gè)這個(gè)樣的SRAM單元，隨著微縮技術(shù)的發(fā)展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來(lái)越多的SRAM單元了。

那么，這是如何做到的呢？主要是由光刻工藝及其技術(shù)演進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。

光刻微縮的理論基礎(chǔ)主要基于下圖的方程式：分辨率和DOF（depth of focus，景深）。

從圖中的公式可以看出，分辨率主要由三個(gè)因數(shù)決定，分別是波長(zhǎng)λ、鏡頭角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，對(duì)于做光刻的人來(lái)說(shuō)，k1這個(gè)參數(shù)是非常重要的。

縮短波長(zhǎng)和加大sinθ（目前可以做到0.93）都可以提升分辨率，但這些都是有代價(jià)的，縮短波長(zhǎng)λ、增加sinθ，DOF都會(huì)縮短，而k3和k1又是有關(guān)聯(lián)的，且比較復(fù)雜。

4種方法提升分辨率

對(duì)于采用不同設(shè)備制造相同制程IC的制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，其技術(shù)水平差異就會(huì)很突出，例如，有的廠(chǎng)商用EUV設(shè)備（光刻波長(zhǎng)為13.5nm）才能做7nm芯片，而有的廠(chǎng)商用DUV設(shè)備（光刻波長(zhǎng)為193nm）就可以做出7nm芯片，做同樣的產(chǎn)品，前者需要更多的投資去購(gòu)買(mǎi)更新近的設(shè)備，而后者則不需要。這就是通過(guò)高水平工藝提升分辨率W所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1、增大sinθ

如下圖所示，依據(jù)方程式，有4種方法可以提升分辨率W，而對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，其中最方便的方法莫過(guò)于增加sinθ了，對(duì)于半導(dǎo)體廠(chǎng)的工程師來(lái)說(shuō)，只要向老板多申請(qǐng)一些經(jīng)費(fèi)，訂購(gòu)大一點(diǎn)的鏡頭和機(jī)器就好了，因此，工程師會(huì)采取的首選方案，往往就是在sinθ上做文章。

提高sinθ的同時(shí)，鏡頭的復(fù)雜度隨著增加，因?yàn)閟inθ每增加一點(diǎn)，鏡頭里就需要增加相應(yīng)的鏡片。以sinθ=0.93的鏡頭為例，整個(gè)鏡頭的長(zhǎng)度會(huì)超過(guò)一個(gè)成年人的身高，而且很重，需要用起重機(jī)來(lái)搬運(yùn)和加裝。這樣的鏡頭，便宜的也要2000多萬(wàn)美金一個(gè)，貴的要7000萬(wàn)美金左右。另外，增加sinθ雖然使工程師輕松不少，但景深DOF的犧牲會(huì)比較大。

如下圖所示的鏡頭，左邊的5X鏡頭（0.32NA）是當(dāng)年在IBM工作時(shí)，我的老板發(fā)明的，當(dāng)時(shí)，這是全球半導(dǎo)體光刻界最厲害的鏡頭了。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新的4X鏡頭陸續(xù)出現(xiàn)，這些鏡頭里增加了越來(lái)越多的鏡片，而且對(duì)精度的要求逐年提升，要做到波長(zhǎng)的五十分之一。

2、減小波長(zhǎng)

增加sinθ需要大量的投資，而且越來(lái)越貴，此外，目前sinθ已經(jīng)提升到0.93，已很難再提升，而且其不可能大于1。這樣，我們可以通過(guò)改變波長(zhǎng)λ來(lái)進(jìn)一步提升光刻的分辨率。

但是，改變波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，由于鏡片對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射率都是不一樣的，焦點(diǎn)也就不一樣，因此，波長(zhǎng)改變一次，就需要對(duì)鏡片進(jìn)行矯正，使其焦點(diǎn)正確。但這些對(duì)激光的頻寬提出了更高的要求，特別是到28nm制程時(shí)，傳統(tǒng)的光刻光源已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，需要特殊的、更低頻寬的激光才能進(jìn)行矯正。

此外，還有其它一些方法可以矯正焦點(diǎn)，具體如下圖所示。

而在將來(lái)，更先進(jìn)的光刻系統(tǒng)內(nèi)，不允許有任何透光的鏡片，如EUV系統(tǒng)，只能通過(guò)將光多次反射實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。

另外，波長(zhǎng)每改變一次，光阻也要變，由于光阻是化學(xué)性質(zhì)的，改起來(lái)并不容易，特別是當(dāng)光阻從365變?yōu)?8的時(shí)候，需要很大的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這一壯舉的人是當(dāng)年我在IBM的同事，當(dāng)時(shí)得到了光刻界的諾貝爾獎(jiǎng)，即日本天皇獎(jiǎng)，他采用化學(xué)放大效應(yīng)，將光阻提升了十倍，這一技術(shù)出來(lái)以后，使得整個(gè)光刻系統(tǒng)成本下降很多。不過(guò)，這種新光阻在剛出來(lái)的時(shí)候并不穩(wěn)定，有時(shí)能提升十倍，有時(shí)又遠(yuǎn)不能達(dá)到這一指標(biāo)，問(wèn)題出在哪里呢？經(jīng)過(guò)研究，他最終發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題在于光阻的濃度，這就對(duì)過(guò)濾器提出了很高的要求，需要考慮很多因素，另外，這種過(guò)濾器會(huì)消耗大量的電能，這對(duì)很多應(yīng)用單位來(lái)說(shuō)，都是不可承受之重。

當(dāng)波長(zhǎng)減小到157nm的時(shí)候，裝置中的空氣會(huì)將該波長(zhǎng)的光吸收掉，這主要是由氧氣造成的，因此，需要一個(gè)密封的空間，而且里面不能有氧氣，一般是充滿(mǎn)氮?dú)?，但氮?dú)夂茈y被監(jiān)測(cè)到，且不利于工程師維修（沒(méi)有氧氣，有生命危險(xiǎn)）。

當(dāng)光刻發(fā)展到EUV的時(shí)候，此時(shí)光的波長(zhǎng)已經(jīng)非常小，很容易被裝置里面的氣體吸收掉，因此，EUV需要抽真空的環(huán)境，而要實(shí)現(xiàn)真空，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)變得龐大許多，而且，抽真空泵的震動(dòng)對(duì)光刻系統(tǒng)也會(huì)有一定的影響。此外，更加龐大和復(fù)雜的系統(tǒng)，維修起來(lái)也更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3、減小k1

下面談k1，對(duì)于做光刻的人來(lái)說(shuō)，k1可以說(shuō)是最有趣的話(huà)題了。

k1是一個(gè)系數(shù)，在顯微鏡應(yīng)用當(dāng)中，k1最小只能降到0.61，再小的話(huà)，東西就會(huì)模糊，看不清楚了，而在光刻領(lǐng)域，則不存在這個(gè)問(wèn)題，只需要考慮線(xiàn)的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。通過(guò)改變k1，可以不用更換鏡片，不用改變波長(zhǎng)和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，DOF還有可能會(huì)增加。

減小k1有這么多的好處，但其實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易，需要很強(qiáng)的創(chuàng)新思維。

下圖，制程工藝為250nm時(shí)，那時(shí)候的k1=0.63，跟顯微鏡的差不多，而180nm制程對(duì)應(yīng)的k1則降到了0.47，此時(shí)，相對(duì)于250nm，線(xiàn)寬比較大，不容易控制，還要考慮很多干擾因素，有很大的學(xué)問(wèn)在里面，需要更多的創(chuàng)新。

k1=0.47的時(shí)候，就感覺(jué)是一件非常奢侈的事情了，而當(dāng)制程微縮到130nm的時(shí)候，k1進(jìn)一步降到了0.42，這是一件非常不簡(jiǎn)單的事情，凝聚了光刻研發(fā)工程師的心血和智慧。

當(dāng)k1=0.63和0.47的時(shí)候，是有可能增加DOF的，如下圖所示。

4、增大n

這里的n是折射率，通過(guò)改變n，也可以提升光刻系統(tǒng)的分辨率，最簡(jiǎn)單的方法就是在鏡頭和晶體之間加入水，以代替空氣，也就是沉浸式系統(tǒng)，通過(guò)增大n，可以得到短波長(zhǎng)的效果。

當(dāng)NA大于1的時(shí)候，特別是1.35NA時(shí)，需要放入具有特別構(gòu)造的鏡片，由于涉及到商業(yè)機(jī)密，下圖中沒(méi)有給出1.35NA的示意圖，目前有兩家公司可以做到這一點(diǎn)，他們采用不同的方法實(shí)現(xiàn)。

下圖所示為沉浸式的原理，利用光通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)會(huì)彎折的特性，顯微鏡的影像透過(guò)浸濕的鏡頭會(huì)進(jìn)一步放大。相反地，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)浸在液體中的微縮影鏡頭時(shí)，就能將影像藉由折射率進(jìn)一步縮小。

這里用水作為介質(zhì)是最為經(jīng)濟(jì)高效的，否則就需要花幾億美金去研發(fā)新的、更好的介質(zhì)，這樣太耗費(fèi)資金和時(shí)間，而且不一定能保證成功，算起來(lái)是劃不來(lái)的。

結(jié)語(yǔ)

以上，林本堅(jiān)博士主要講述了提升光刻系統(tǒng)分辨率的4種方法，這里凝結(jié)了光刻研發(fā)工程師的大量心血和智慧，而作為沉浸式光刻技術(shù)的發(fā)明人，林博士對(duì)于產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平提升和經(jīng)濟(jì)效益做出了巨大的貢獻(xiàn)。相信隨著EUV的到來(lái)及普及，更多的先進(jìn)技術(shù)還會(huì)誕生，繼續(xù)把半導(dǎo)體光刻發(fā)揚(yáng)光大。