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光刻機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)難題一：追求衍射極限

   如果我們在物體上取兩個(gè)相近的點(diǎn)，經(jīng)過系統(tǒng)成像后平面上有兩個(gè)光斑，如果兩個(gè)點(diǎn)距離逐漸靠近，兩個(gè)光斑將逐漸變成一個(gè)光斑，這時(shí)我們就無法區(qū)分一個(gè)點(diǎn)成的像還是兩個(gè)點(diǎn)成的像了，這就是分辨率不足的體現(xiàn)。

   要區(qū)分成像的究竟是一個(gè)點(diǎn)還是兩個(gè)點(diǎn)是需要一個(gè)準(zhǔn)確的邊界值，這就引入了瑞利判據(jù)。瑞利判據(jù)就是當(dāng)兩個(gè)物體間距小于0.61λ/NA時(shí)，成像系統(tǒng)所成的像將無法分辨這兩個(gè)點(diǎn)，而是把它們當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)邊界也稱為衍射極限。如果光刻中超過衍射極限，則刻蝕出的芯片就不那么精準(zhǔn)了，自然無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。因此，科學(xué)家就努力在衍射極限的邊緣反復(fù)試探。

瑞利判據(jù)

（圖像來源：光電學(xué)堂）

根據(jù)瑞利判據(jù)的公式:D = 1.22λ/NA 

（公式中，D為最小分辨的寬度，λ是光源的波長，NA是投影透鏡的數(shù)值孔徑，它主要與環(huán)境折射率有關(guān)）。要想提高分辨率，要么減小光源波長，要么提高數(shù)值孔徑，而無論哪一種方法都難如登天。

方法一：減小光源波長。

   光源的波長越小分辨率越高，但是制造光源的難度也越高。一開始人們只能用汞燈發(fā)出的365nm波長光源進(jìn)行光刻，能達(dá)到的極限尺寸只有250nm左右。隨著技術(shù)的發(fā)展，光刻使用了波長193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF準(zhǔn)分子才能夠被激發(fā)的深紫外光。但是，氬（Ar）是典型的惰性氣體，與幾乎所有物質(zhì)都不發(fā)生反應(yīng)，只有氧化性的氟（F）元素才能勉強(qiáng)與它變?yōu)檫@種不穩(wěn)定的分子，難度可想而知。

   目前的光刻機(jī)的光源波長達(dá)到13.5nm，被稱為極紫外光（EUV）。想激發(fā)出波長的光源，自然需要的辦法。

   光刻機(jī)采用的方法是激光等離子體型光源，即利用高功率的激光擊打金屬錫，產(chǎn)生高溫高密度的等離子體，輻射出極紫外光。其實(shí)這種方法很久之前就被證實(shí)，但是起初用的是錫板，而且只用激光激發(fā)一次，產(chǎn)生的光源強(qiáng)度很低，無法作為光刻的光源。

   經(jīng)過十幾年的研究，科學(xué)家誕生了一個(gè)天才的設(shè)想，錫板不行那用熔化的錫，一次不行，就打兩次。錫金屬被熔化形成直徑只有20微米的液滴，并且在真空環(huán)境中自由下落。在下落過程中，首先是193nm的深紫外光，將錫液滴打成云狀，緊接著功率高達(dá)20kW的二氧化碳激光器再次擊打它，并激發(fā)出EUV。

EUV的誕生

僅僅是產(chǎn)生光源的難度就令人難以想象。

   首先兩次光源需要準(zhǔn)確擊打到正在自由下落的金屬液滴中，難度就好像用乒乓球擊打空中的蒼蠅，還是兩次。而且激發(fā)產(chǎn)生的光轉(zhuǎn)瞬即逝，因此需要每秒鐘激發(fā)約50000次。

   此外，高達(dá)20kW的二氧化碳激光器的制造難度也是相當(dāng)大，所需電源功率達(dá)到了200kW。那么如此高功耗的光所激發(fā)的極紫外光的功率多大呢？大約210W，效率只有5.5%，這還是經(jīng)過數(shù)次技術(shù)的迭代實(shí)現(xiàn)的，要知道最初的發(fā)光效率僅有0.8%。

EUV每秒鐘激發(fā)50000次

   有一些同學(xué)會(huì)問，x射線波長更短，為什么不用x射線做光刻的光源呢。確實(shí)x光做光源可以實(shí)現(xiàn)非常窄的刻蝕，但現(xiàn)在的相關(guān)應(yīng)用更多用于直寫光刻，效率不高。的問題在于它的穿透性太強(qiáng)了，用普通透鏡無法進(jìn)行放大縮小，因而無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)投影式光刻。

方法二：提高數(shù)值孔徑

   人們能采取的方法主要就是改變環(huán)境的折射率（折射率越大，數(shù)值孔徑就越大），于是浸入式光刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。浸入式光刻概念其實(shí)早就有了。1999年，IBM使用257nm的浸入式干涉系統(tǒng)制作出精度89nm的圖形，但未進(jìn)行深入的研究。

         2002年以前，業(yè)界普遍認(rèn)為193nm的光源無法實(shí)現(xiàn)65nm的分辨率，而157nm光源將成為主流技術(shù)。然而，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來自光刻機(jī)透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數(shù)材料會(huì)強(qiáng)烈地吸收157nm的光能，只有CaF2 勉強(qiáng)可以使用。但研磨得到的CaF2鏡頭精度很難控制，難度，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。雪上加霜的是它的使用壽命也極短，頻繁更換鏡頭讓芯片制造業(yè)無法容忍。

   正當(dāng)眾多研究者在157nm光刻面前躊躇不前時(shí)，中國臺(tái)灣人林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波長下是不透明的液體，但是對于193nm的波長則是幾乎透明的。并且水在193nm的折射率高達(dá)1.44！如果把水當(dāng)作相當(dāng)理想的浸入液，配合已經(jīng)十分成熟的193nm光刻設(shè)備，那么設(shè)備廠商只需做較小的改進(jìn)，就可以實(shí)現(xiàn)更小的分辨率。相比于真空介質(zhì)下分辨率只能達(dá)到65nm，浸沒超凈水介質(zhì)的光刻機(jī)理論上可以達(dá)到22nm甚至更低的分辨率。

   現(xiàn)在人們正在尋找除水以外具有更大折射率的液體。但這種液體要求非常嚴(yán)格：與光刻膠沒有反應(yīng)，光透過率高，折射率高，還要穩(wěn)定。目前已研發(fā)出的第二代浸入液的折射率為1.64。

   你可能覺得把整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)浸沒在水中很簡單，但其實(shí)它有很多復(fù)雜的問題需要解決：浸入液如何充入、會(huì)不會(huì)對鏡頭造成污染，光刻膠在液體中的穩(wěn)定性，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生氣泡，液體如何保證高純度等?？茖W(xué)家解決了這些所有問題，才讓浸入式光刻機(jī)目前成為芯片生產(chǎn)中泛使用的光刻機(jī)之一。

以上文章節(jié)選來源于科學(xué)大院 ，作者王智豪

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