内容导读：

　　随着芯片特征尺寸的持续缩小，IC制程的革新上演着一幕幕改朝换代的传奇故事。轻松的如铜互连PK铝互连，艰难的有Low K、High K材料部分替代SiO₂。其中最富戏剧性的莫过于193nm光刻技术对157nm光刻的绝地大反击。2002年以前，业界普遍认为193nm无法延伸到65nm制程，而157nm将成为主流技术。而如今浸入式光刻不但帮助193nm重拾信心并成功延伸至65nm制程，且193nm浸入式光刻迅速成为45nm制程的主流技术，并极可能继续向下延伸。

　　浸入式光刻并非是一种新技术，从历史上看，在每一代光刻技术刚刚出现尚不完善时，浸入研究就会出现一个小高潮。理论研究始于1980年代中期，当时正是从G线（436nm）向I线（365nm）光刻转变的过渡期。1984年，日本人Takanashi在一项美国专利（4480910）中定义了浸入式光刻机最基本的结构特征，即在最后一级物镜与光刻胶之间充入一层透明的液体。只可惜这项专利生不逢时，与巨额专利费失之交臂。1987年，尚在IBM工作的林本坚从提高景深的角度探讨248nm和193nm浸入式光刻的可行性 。1992年，HP公司的Owen指出结合浸入技术，可以将当时尚处于襁褓期的193nm光刻延伸至0.125微米的线宽。

　　浸入式光刻的原型实验在上世纪90年代也开始陆续出现。1992年，日本人Kawata借助商用油浸显微镜的物镜刻出小于200nm的线宽，浸入式光刻初露峥嵘。1999年，IBM的Hoffnagle使用257nm干涉系统制作出周期为89nm的密集图形，浸入液是环辛烷，浸入式光刻首次表现出轻松突破45nm的过人实力。但是这些实验基本上都没有使用标准波长的主流光源，这是因为当时对于浸入液的充入、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，人们对这项技术的可行性抱有疑虑，并没有展开深入的研究。可以说在2000年以前，与干法光刻相比，浸入式光刻处于绝对弱势。

　　进入21世纪以后， 157nm光刻技术遭到巨大挑战。最致命的打击来自光刻机的透镜，由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光波，只有CaF₂勉强可供使用。但研磨得到的CaF₂镜头缺陷率和像差很难控制，使用寿命也很短。雪上加霜的是CaF₂还相当昂贵，每千克高达一万美元，镜头更换过于频繁令研发人员头痛不已。于是浸入式光刻研究又进入活跃期，这次直接针对157nm。2001年，MIT林肯实验室的Switkes和Rothschild独辟蹊径，干脆搭建了一个没有CaF₂透镜的157nm干涉系统，采用浸入式技术来补偿因没有透镜而造成的数值孔径减小，浸入液是聚氟乙烯。他们用这套原型设备成功地制备出半周期为30nm的高密度图形，这鼓舞了部分愈挫愈勇的同行们。157nm浸入式研究开始升温，重点是实用的高性能浸入液，急先锋林肯实验室也确立其在该项研究上的权威。

　　转眼到了2002年夏天，一次在比利时举行的157nm光刻技术研讨会毫无征兆地引发了整个光刻技术的地震，震源就是已在台积电担任资深处长的林本坚。长期关注浸入式技术的林博士当时也在研究某种黏稠的机油用于157nm的可能性，但随着研究的深入，他渐渐意识到也许完全撇开157nm，重点突破浸入式技术会有意想不到的收获。果然，退一步海阔天空。突破思维定势的林博士马上注意到，在157nm波长下不透明而长期被忽视的水，对于193nm的光波则是几乎完全透明的;而且水在193nm的折射率高达1.44，居然比可见光的1.33还高！于是林博士临时更改报告内容，转而重点阐明：由于有了水这样一种相当理想的浸入液，再加上193nm光刻设备已经十分成熟，厂商只需做较小的改进，重点解决与水浸入有关的问题，很快就能推出193nm水浸式光刻机;而193nm光波在水中的等效波长缩短为134nm，足可超越157nm的极限！

　　一石激起千层浪，林博士的报告引起轰动，193nm水浸入于是成为该次157nm研讨会中最热门的话题。从那之后，193nm浸入式的研究成为光刻界的新宠。2003年，荷兰ASML公司率先宣布接受193nm水浸入光刻机订单，Intel也宣布放弃157nm，转而继续延伸193nm光刻技术。再看2005年的光刻技术发展路线图，157nm杳然无踪，而193nm光刻则奇迹般地完成绝地大反击。

　　目前193nm浸入式光刻在业界的全力攻关下，关键问题正逐一加以解决：浸入液的制备和充入，对镜头和光刻胶表面的影响，对气泡等缺陷的控制，先进的分辨率增强技术，高折射率浸入液和光刻胶的研制等等。人们已经成功利用相移掩模等技术将193nm干法光刻延伸至65nm制程，193nm水浸入已经做好了准备，预计2009年在45nm制程节点大规模量产;采用折射率为1.56的浸入液，结合Pack-and-cover等先进的分辨率增强技术，极可能将193nm浸入式光刻延伸至32nm制程;如果浸入液的折射率增大到1.6以上，再配合把掩模图形拆成两个来降低密度的pitch-splitting方法，193nm浸入式继续延伸至22nm制程也是有可能的，说不定还能打败下一个竞争对手13.4nm的EUV光刻技术。

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来源:半导体国际 作者:汪辉上海交通大学 时间:2006/9/9 0:00:00