摘要:近来ArF浸没式光刻技术已经进入商业生产领域——为揭示这种技术究竟如何并且将会面临多少挑战而小试牛刀。

　　短在几年前，浸没式光刻技术还只是茶余饭后的话题，而今它正向着大批量生产大步迈进。全场浸没扫描式光刻机已经存在，芯片制造商正在开始迅速的发布他们成功应用这种技术的新闻。
　　这场首次在生产中使用浸没式光刻技术的竞赛中，去年12月TSMC和IBM分别宣布成功利用193纳米浸没式光刻技术生产出全功能的芯片。IBM制造出了基于功率器件结构的90纳米微处理器的关键层，而TSMC则制造出了90纳米SRAM芯片的关键层。
　　IBM使用去年夏天安装在Albany NanoTech的ASML TwinScan AT:1150i浸没扫描式光刻机（数值孔径0.75）进行了实验。从IBM位于East Fishkill, N.Y.的fab运送一个含有25片300mm硅片的生产lot到Albany进行这个实验。利用浸没式系统制造90纳米铜工艺技术的一层互联层，随后lot被运回IBM的fab采用193纳米干法光刻技术完成全部生产制造工艺。
　　IBM并没有披露太多关于实验的细节内容，但他们肯定实验的结果是令人满意的，对套准精度，关键尺寸和焦深的控制都是可以接受的。根据IBM副总裁、系统和技术组首席专家Bernard Meyerson 的介绍，IBM同时平行使用标准工艺和浸没式设备制作关键层次，其良率结果是可比的。
　　“浸没式设备第一次使用，而且它运行良好，结果表现相当好。” Meyerson说，他指出相对于先前仅制造测试图形来说，在商用芯片上使用全场浸没式设备显得非常重要。“测试图形的制造和昂贵的微处理器的运输，使用浸没式设备生产它们，使它们出厂完工进行第一次测试，这真是有着相当大的不同。令人深刻印象。”
　　TSMC也使用了ASML的TwinScan AT:1150i浸没式光刻机，在ASML的研究实验室曝光和显影芯片多晶硅层，TSMC亚微米图形部资深主管Burn Lin介绍说。使用干法和湿法扫描式曝光机生产的产品良率，器件特性和缺陷密度是可比的，根据TSMC的数据，使用浸没扫描式曝光机得到的与产品良率息息相关的焦深几乎是使用干法扫描式曝光机的两倍。TSMC计划本月末在San Jose SPIE光刻会议上做一个详细的报告。
　　TSMC已经在自己的制造工厂里安装了ASML的下一代浸没式曝光工具XT:1250i（数值孔径0.85），并且正使用这台设备研发它的65纳米工艺。Lin说，“在生产环境中有这样一台设备能切实地帮助我们弄清楚许多问题，我们将在SPIE的报告中介绍其中一些。”
　　除了已发布的信息，IBM和TSMC对于他们的发现都守口如瓶，但看起来他们对结果还是相当的满意。浸没式光刻已经成为一块激烈竞争的技术领域。尽管在仅仅两、三年时间里，为了将浸没技术从实验室的奇思妙想变成下一代实际的生产设备，大家已经进行难于置信的频繁的合作，但是芯片生产商现在对他们获得的任何数据三缄其口。“在一些事情上存在着竞争关系，人们在谈论这些事情的时候相当严肃。” Sematech (Austin, Texas)浸没技术项目经理Andrew Grenville说。
　　Intel在Sematech 的员工Grenville说，浸没式技术最关键的问题是缺陷，已经取得了进展。自从产业上第一次开始严肃考虑浸没式光刻技术的生存能力时，研究者就以令人惊讶的工作速度定义有关浸没式光刻关键的问题。随着问题的解决和新的挑战的出现，浸没式光刻技术关键问题的排列顺序不断改变。根据8月份浸没式光刻技术和157纳米光刻技术论坛最新的调查结果，浸没式光刻技术关键问题已经由10条减到6条（新增加的问题用斜体表示）：
　　1．缺陷的形成，控制和定性。
　　2．高NA（数值孔径）的复杂性，掩膜版偏振作用的约束，包括对曝光场的尺寸（镜头的复杂性）的影响，缩小投影比率，分辨率增强技术和模拟软件。
　　3．底部活性保护层，包括光束的持久性和对污染的敏感性。
　　4．具有合适特性的高折射率浸没液体的实用性。
　　5．光刻胶表面的浸没液体的影响，导致工艺特性的改变（膨胀等等）;顶部涂层的必要性和有效性。
　　6．水的规格和制备，包括吸收控制，表面张力和浸润性，以及静电释放处理。
　　通过共同的合作努力和数据信息共享，上述问题已经有所解决，Grenville说：“只有浸没式设备投入生产，缺陷才能真正被证明，我们现在正拭目以待。”
　　Grenville补充，基于光刻胶的交互影响方面需要做更多的工作------从光刻胶中释出何种物质，释出物如何对光刻胶成像质量产生影响，释出物如何对镜头底部材料产生影响。但近来的研究发现实际上在污染的问题上浸没式光刻要比干法光刻要轻一些。看起来污染是很少能够渗透到水中或者，即使它们能够，也不能从水中逃离到镜头上。“此外，你已经从芯片制造厂得到了真实的数据，” Grenville说，所有迹象看起来是积极的。
　　Grenville说，许多实验也正面证明了缺陷的形成。有许多事物可以引起缺陷，例如光刻机扫描到台阶断差时产生气泡。迄今为止实验已经显示，液体流过台阶类型的断差时基本上不会产生气泡。
　　这些正面的信息给了浸没技术研发者信心，并且将更好使研发者明白全场曝光和知道哪里能够找到问题，产业从业者正拭目以待真正的检验------量产。TSMC和IBM近期的新闻发布是半导体从业者第一次公开对浸没技术在实际生产中生存能力的宣告。
　　去年7月末，IMEC（鲁汶，比利时）启动它的基于浸没式光刻技术的工业联盟计划，并且在12月收到ASML的XT:1250i浸没式光刻机。这个为期两年的IMEC工业联盟计划将研究包括缺陷以及和与光刻胶相关联的工艺问题，目标是在2007年为浸没式光刻技术的量产作好准备。IMEC''的浸没式光刻技术工业联盟计划包括超过30个加盟公司，其中芯片生产商包括Infineon, Intel, Matsushita, Philips, Samsung, STMicroelectronics, Texas Instruments 和 Sony.

　　高数值孔径浸没系统
　　第一代浸没系统的数值孔径大约0.75-0.93，它利用水较高的折射率为光刻工程师极大的提高焦深。另一方面，下一代浸没式光学系统为了提高分辨率表现将开始使用高数值孔径的镜头（数值孔径>;1.0）。干法曝光系统的数值孔径的极限是<;1，当液体位于最终的镜头和硅片之间时才能获得较高的数值孔径。
　　“在过去，数值孔径和K1因子不断向前发展。并且这两个因数导致分辨率的提高，”ASML公司市场部主管Boudewijn Sluijk说。“现在分辨率主要取决于数值孔径，而且它需要比过去发展得更快。”关于发展和极限见图1。
　　今年夏天Sematech将在它位于Austin的浸没技术研发中心引进数值孔径为1.3的微型步进光刻机，这台设备将具有“世界上独一无二的能力。” ，Grenville说，“我们将能够做光刻胶的实验，测试极化现象，以及不同照明条件的表现。”
　　去年夏天，Sematech和Exitech Ltd. (Oxford, UK)共同宣布将致力研发第一台超高数值孔径的193纳米光刻工具。MS-193i微型曝光设备由Corning Tropel (Fairport, N.Y.)研发，具有1.3反射折射型的数值孔径，0.4毫米曝光范围，由Lambda Physik (G歵tingen, Germany)研发的水浸，具有4 kHz、线性极化，193纳米自然带宽的ArF激光光源，该光源来自Lambda Physik，这台设备根据使用传统掩膜版和相位移掩膜版的不同，预计能够印制最小达到70纳米和45纳米的图形。
　　“这个性能令人兴奋，” Grenville说，“首先，我们的浸没技术的计划集中在关键问题上。并且现在，我们真正关注的是展望浸没技术的延伸能力。”
　　尽管浸没式光刻技术使我们能够使用较高的数值孔径镜头，但是，做到并不简单。毫无疑问这些高的数值孔径的镜头的制造是最为复杂的，Grenville说，它们推动整个领域的发明创造。“所有的镜头制造商已经公布他们能够造出数值孔径是1.1的镜头，而且升级版可能达到1.3的数值孔径，”他说。但真正的问题在于花费成本随着数值孔径的增大呈非线性的提高。“但在理论上，它能被制造。”
　　不仅仅镜头材料的尺寸是实现高数值孔径镜头的问题所在，而且反射折射镜头组系统的设计也是摆在制造者面前的一个新的挑战，根据Sluijk的说法。今天的镜头系统是对称的，由两打或更多的镜头以整齐的叠加方式构成。“对于高数值孔径的设计，我们将采用镜子作为一部份的成像元件。一但采用镜子，意味着你将不能够再把全部镜头作为单一叠加的组合，因为镜子将阻挡光线通过，”他说。“实际上，镜子将比镜头简单。但是，从机械学的观点上看，特别是如果在毫微升和纳米的精度上，制造一个镜头的叠加组合会比一个侧壁突起简单得多。”
　　图2表述由Nikon Corp设计的两种高数值孔径的反射折射镜头组。
　　ASML目标在2006年提供一台高数值孔径系统，这将要求ASML在今年的某一时间在设备的设计上取得相当大的进展。按照Nikon公司8月份的报告，Nikon将今年下半年做好了S609的出货准备，S609数值孔径≥1，并且在2006年下半年数值孔径≥1.2的设备将准备就绪。Canon的研发规划是在2007年有数值孔径>;1.2的设备。

　　下一代曝光设备
　　现在的浸没式设备使用折射率为1.44的去离子水作为界于光学镜头和硅片之间的液体。根据技术节点浸没式设备进展的下一步将很可能使用更高反射率的液体。液体的反射率是与镜头的数值孔径极限成正比的。因此，当空气的折射率为1的时候，接近1的数值孔径就是干法光刻的理论极限，而使用去离子水时数值孔径的极限就将到1.44。“如果你能发现一种折射率为1.6或1.7的液体，那么你就能得到1.6或1.7甚至更高的数值孔径。” Sluijk说。
　　许多组织研正在研发高折射率液体，包括在纳米光刻研究技术中心Rochester学院的一些富有希望的研究。
　　JSR Corp. (Tokyo)近来宣布利用193纳米浸没式光刻系统和基于它的SOLOnX高折射率解决方案成功的实现32纳米的线条。按照JSR的讲法，这种折射率为1.64的液体能够提供高的透明度和低的粘度。
　　一种满足全部需求包括高折射率和低吸收的液体将被发明。“随后使人们聚焦于一种特定的液体并且接受它，” Grenville说，“现在我们仍然正处于研究阶段，而且试图发现其庐山面目。” 他补充，来年可能非常有趣，期望许多结果能够在本月的SPIE微电子和明年9月的浸没技术论坛发布。
　　Sluijk认为高折射率液体看起来比实现157纳米的浸没光刻技术简单许多。“使用157纳米浸没技术的机会是非常的小。如果极紫外技术失败，那么157纳米浸没技术仍然有希望，”他说。“这种可能性很小，希望渺茫，正因为机会如此渺小，所以很难想象产业会为这项技术投资。”
　　尽管还没有离题太远，但是实现157纳米浸没光刻技术必将非常困难。“首先并非常重要的是：你需要一种有足够高的透射率和折射率的浸没液体，它还不存在，” Grenville说，对于157纳米光刻来说，找到一种高折射率和在那个波长下所要求的高透射率在本质上非常困难。他说： “从我们今天的所处的位置，157浸没技术还有很长的路要走。我还没有找到它的切入点。”
　　尽管如此，工作还在进行，如在MIT的Lincoln实验室里，人们利用由DARPA捐助的一台157纳米浸没式微型步进曝光机在做研究。 “这是高风险的研究，” Grenville说。“他有一席之地，但是很难与193浸没式技术相提并论。”