光刻永恒

摘 要：由于新近的技术突破，先前应用瓶颈在光刻领域得到解决方案。如今浸没式氟化氩(ArF)光刻技术已经被ITRS列为45nm，甚至于32nm节点的关键技术。如果要达到路图指标，新的介面液体，偏振光应用都需要继续研发。实验室的数据也证实了这些理论。光刻技术可望继续被延伸到2010年。

关键词：浸没式光刻,高折射率液体,偏振光源辅助成像,TM,TE

1 前言

正当前趋光刻研发寻找Next Generation Lithography之时，所发现的反而是有更多的发展空间可以继续推进已经被应用的成熟科技。2000年开始，超短波长应用触壁迫使科学家们考虑以往被遗忘的解决方案。虽然157nm已迈入冬眠，EUV还是相当的遥远，但是浸没式光刻，偏振光源应用却及时而至。并且许多辨析度增强方案(RET)也逐渐成熟为现时可用的方案。以至于亚45nm节点可以成为生产事实。

2 浸没式光刻

在短短的两年内浸没式光刻从实验室，发展到可以在集成电路制造重点科技。两年前业界都认同157nm光刻被用在45nm节点几乎是无可否认的。们的思路被数码孔径(NA)小于1.0的现实拦阻，几乎把ArF光刻锁死在半周期60nm，成为应用时期短的光波长。而157nm本身也不乐观，许多工艺上的困难无法在短时间内解决。但是在考虑如何用浸没式来延伸157nm时，业界在Sematech领导下，发现用水当介质用在193nm会更容易做。因此ITRS的路图指标在2007年达到45nm有了解决方案。

台全曝光场湿浸没平台的TWINSCAN于 2003年问世。那一台是采用0.75NA透光镜，干式晶圆平面量测，湿式晶圆平面曝光，双单元共进同步运行系统。液体提供是由淋浴式的喷洒头，应用周边真空与高压喷气来控管。液体范围仅仅存在于曝光场内。晶圆进出都是干的，减少了许多运传湿晶圆的负担。在9个月的试用期间，IBM 和TSMC都成功地制造出90nm成品 (64bit Power Processor - IBM, 90nm SRAM - TSMC)。两家制造商都声称浸没式光刻工艺量率都达到相当于一般全干式量率，量率，制品特性，和残损率都相比于正常生产水平。图表１列出基本线宽控制，与对准控制数据。我们可以看出浸没式对线宽控制的贡献。尤其是DOF的增加到1.44或1.75倍，在没有失去曝光空间之下是相当使人兴奋的结果。这也证明了新的镜头和液态平台驱动并没有因为水动态原因引起不良影响。

16家集成电路制造商先后在这台AT:1150i上做过试验。在全井深线宽控制上，只用浸没式曝光而不用SRAF和干式曝光而用SRAF，表现出相同的效果。套用在90纳米生产上，这代表浸没式光刻可以采用比较单纯的掩模科技，减低生产成本。 ()

2004年10月我们推出了第二代的浸没式光刻机，0.85NA的ArF可用来作70nm生产。初步测试结果显示出与1150i同样的近1.7倍焦距井深增强，使我们跟进一步确定浸没光刻的普及实用性。()线宽控制显然会因焦距加深变得更好，70纳米实验结果显示在一个300mm晶圆，全平面控制可达到5nm左右。然而在套刻覆盖方面，我们面临到一两个物理反应使对准数据仅仅能推到12nm。镜片和晶圆平面中的液体因有较大的阻力对晶圆载具会有牵制力，使同步扫描受干扰。另外液体散热速度不比空气快，也会引起局部区域类似畸变的位移。这些现象有待继续改良。

应用液体做介面，就是液体中除掉颗粒杂物后还有可能有气泡存在。个可能引起气泡的原因当然是溶解在液体本身的气体浓度。必须使用脱气水才能达到期盼的效果。其他因素还有大区地形表面阻力效应，和多数液体弯液面互相碰撞结果。所使用的液体粘滞性，光刻胶本身的疏水性，和平坦度都会引起不同的表面阻力。因此目前使用较稀水和亲水性的表层覆盖比较适合。而曝光机平台运作，水介面与基片交换动作，尤其是在晶圆交换时，如果动作比较大或复杂的话会引起许多弯液面，而若是用较浓的水，气泡会更容易形成。

ITRS路线nm下一个节点是38和32nm。就水介面193光波长工艺来说，它的限制在45nm。要达到38或32，并且保持工艺指数k1不低于0.30, 新的高折射率介面液体是必需的。我们可以从来了解数值孔径和液体介面的折射率的设计需求。

显然的如果sin(θ)必须小于1，那么这些层次中的折射率决定整个层叠可应用的数据孔径(NA)。一般性的数据是：水，n=1.44；光刻胶，n=1.69；上层覆盖，n=1.65；石英玻璃，n=1.56。可见水限制住了可用的NA<1.44。而ITRS路图上指定38nm的NA是1.52；32纳米的NA是1.81。当然如果k1能够被降到0.27，或有其他方法，例如应用拱形镜面，那么较小的折射率液体可以被用。但这些方法都有利弊，与相当工艺上的困难。

我们在实验室里应用干扰光感应成像机测试了许多可用在浸没式的高折射率液体。从基础上我们很快的略过强酸，水解盐，而选择有机液体。考虑的因素除了高折射率之外还有光刻胶和顶层覆盖兼容性，在光刻胶和顶层覆盖表面润湿度和张力度，跟其他符合曝光机元件设计。此外折射率和粘度温变系数因为用在高速度扫描动作，也都必须符合指标限度。我们锁定第2代液体折射率为1.65而第3代为1.9。这些数据同样也是光刻胶，顶层，和抗反射底层的折射率。表2和是一些测试结果。

3 偏振光源辅助成像

当曝光镜的NA逼近1的时候，光的偏振特性越加明显的会影响成像。非偏振光源因为TM电场成分的干扰使影像对比降低。在二光束成像情况下，两个TM成分是成对角的，在小NA，或小光束角度，两个的干扰可被忽略。但是在大角度时(θ =45°)，干扰成分接近整数成为相销性，只存留背景直流电源，而更大的角度反而会使影像反转。另一面，两个TE场是平行的，一直保持相长干扰。如果应用TE偏振光源的话，我们可以在高数据孔径上辅助影响对比。今天我们可以用离轴照明附加以分离垂直偏振，例如在双极照明，X极用以Y偏振，而Y极用以X偏振来辅助成像。

偏振计算需要应用Jones或Stokes矢量方程式，光束透过镜片偏振光源分解状态可以用Müller矩阵来计算。如果以一维数的IPS(Intensity in the Preferred Polarization State)质量来估计Stokes矢量的三个四维数质量，可以得到一个相当接近的影响对比数据。IPS形容在我们所要的方向偏振后的光亮度，与整体的光源亮度比较。这个定义中我们假设任何为偏振光可被分解为等值的TE和TM。各个成分是：

ASML内部使用下列方程式来估计双极照明和 TE偏振的对比和曝光范围：

T是掩模的透光率(BIM=0，6%衰减相移=0.06)， F是一个镜头光瞳所收取到的光阶量的参数。曝光范围缩减率可用: f=1-0.5(λ/pn)2可，其中p是半节距， n则是光刻胶的折射率。

应用目前前沿的光刻，0.93NA，我们实验了偏振光源在60和55nm，一比一的线宽，实际数据与模拟曝光范围的比较。从和可以观察到EL可增加到22.5%(60nm)，或60%(55nm)。

应用偏振光源，线条边缘粗糙度(LER)也会有相对的改善(和)。尤其是在分辨率边缘地带的55nm，有显著的改善。另外掩模版误差因子 (MEF)也有减低，60nm线条从2.2可减到1.7左右。显著的改善因该是关键尺寸控制的均匀度，全晶圆CD分布从3.81减到2.88nm，因为之前提到的这些因素都直接的影响到线宽控制。

4 结论

当每次光刻技术面临到灭绝性的挑战时，都有一些新的突破好使其继续延伸到下一个站点。以往如此，今天还是如此。随着浸没式的开发和继续应用所了解到的光学知识，我们已经可以看到65-55nm的生产。如果我们能持续研发和推导搭配科技延伸，45-33nm也可以迎刃而解了。