半导体光刻技术及其发展历程，一个详尽立体的光刻世界

作为浸润式光刻方法的开创者，中国***新竹清华大学、新竹交通大学、***大学特聘讲座教授，以及清大-台积电联合研发中心主任，2018年未来科学大奖-数学与计算机科学奖获奖者，林本坚博士于近日作客北京清华大学，向师生及业界人士详解了半导体光刻技术及其发展历程，展示了一个详尽、立体的光刻世界。

当人类刚发明出集成电路的时候，当时的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后缩小到了3μm，发展至今，台积电已经开始量产7nm的IC了。在这个过程当中，制程共经历了20代变革，未来几年，5nm集成电路也将实现量产。从5μm到5nm，实现了1000倍的变化，大概经历了40年。

在这一过程当中，有一件比较神奇的事情，5μm阶段，当时的波长是436nm，而到当今的7nm，波长是193nm，变化并不是特别大，这样，从光学的角度看，我们要实现将特征尺寸缩到波长的四十分之一，似乎是不可能完成的任务，我们需要跳出纯光学思维，从半导体的角度去考虑如何实现它。

人的头发横截面直径大概是80μm，以采用28nm制程工艺的SRAM为例，可以在头发的横截面上放20735个这个样的SRAM单元，随着微缩技术的发展，在直径为80μm的横截面上，可以容纳越来越多的SRAM单元了。

那么，这是如何做到的呢？主要是由光刻工艺及其技术演进实现的。

光刻微缩的理论基础主要基于下图的方程式：分辨率和DOF（depth of focus，景深）。

从图中的公式可以看出，分辨率主要由三个因数决定，分别是波长λ、镜头角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，对于做光刻的人来说，k1这个参数是非常重要的。

缩短波长和加大sinθ（目前可以做到0.93）都可以提升分辨率，但这些都是有代价的，缩短波长λ、增加sinθ，DOF都会缩短，而k3和k1又是有关联的，且比较复杂。

4种方法提升分辨率

对于采用不同设备制造相同制程IC的制造厂来说，其技术水平差异就会很突出，例如，有的厂商用EUV设备（光刻波长为13.5nm）才能做7nm芯片，而有的厂商用DUV设备（光刻波长为193nm）就可以做出7nm芯片，做同样的产品，前者需要更多的投资去购买更新近的设备，而后者则不需要。这就是通过高水平工艺提升分辨率W所产生的经济效益。

1、增大sinθ

如下图所示，依据方程式，有4种方法可以提升分辨率W，而对于工程师来说，其中最方便的方法莫过于增加sinθ了，对于半导体厂的工程师来说，只要向老板多申请一些经费，订购大一点的镜头和机器就好了，因此，工程师会采取的首选方案，往往就是在sinθ上做文章。

提高sinθ的同时，镜头的复杂度随着增加，因为sinθ每增加一点，镜头里就需要增加相应的镜片。以sinθ=0.93的镜头为例，整个镜头的长度会超过一个成年人的身高，而且很重，需要用起重机来搬运和加装。这样的镜头，便宜的也要2000多万美金一个，贵的要7000万美金左右。另外，增加sinθ虽然使工程师轻松不少，但景深DOF的牺牲会比较大。

如下图所示的镜头，左边的5X镜头（0.32NA）是当年在IBM工作时，我的老板发明的，当时，这是全球半导体光刻界最厉害的镜头了。随着技术的进步，新的4X镜头陆续出现，这些镜头里增加了越来越多的镜片，而且对精度的要求逐年提升，要做到波长的五十分之一。

2、减小波长

增加sinθ需要大量的投资，而且越来越贵，此外，目前sinθ已经提升到0.93，已很难再提升，而且其不可能大于1。这样，我们可以通过改变波长λ来进一步提升光刻的分辨率。

但是，改变波长会产生连锁反应，由于镜片对不同波长光的折射率都是不一样的，焦点也就不一样，因此，波长改变一次，就需要对镜片进行矫正，使其焦点正确。但这些对激光的频宽提出了更高的要求，特别是到28nm制程时，传统的光刻光源已经不能满足要求，需要特殊的、更低频宽的激光才能进行矫正。

此外，还有其它一些方法可以矫正焦点，具体如下图所示。

而在将来，更先进的光刻系统内，不允许有任何透光的镜片，如EUV系统，只能通过将光多次反射实现应用功能。

另外，波长每改变一次，光阻也要变，由于光阻是化学性质的，改起来并不容易，特别是当光阻从365变为28的时候，需要很大的改动，实现这一壮举的人是当年我在IBM的同事，当时得到了光刻界的诺贝尔奖，即日本天皇奖，他采用化学放大效应，将光阻提升了十倍，这一技术出来以后，使得整个光刻系统成本下降很多。不过，这种新光阻在刚出来的时候并不稳定，有时能提升十倍，有时又远不能达到这一指标，问题出在哪里呢？经过研究，他最终发现，问题在于光阻的浓度，这就对过滤器提出了很高的要求，需要考虑很多因素，另外，这种过滤器会消耗大量的电能，这对很多应用单位来说，都是不可承受之重。

当波长减小到157nm的时候，装置中的空气会将该波长的光吸收掉，这主要是由氧气造成的，因此，需要一个密封的空间，而且里面不能有氧气，一般是充满氮气，但氮气很难被监测到，且不利于工程师维修（没有氧气，有生命危险）。

当光刻发展到EUV的时候，此时光的波长已经非常小，很容易被装置里面的气体吸收掉，因此，EUV需要抽真空的环境，而要实现真空，整个系统就会变得庞大许多，而且，抽真空泵的震动对光刻系统也会有一定的影响。此外，更加庞大和复杂的系统，维修起来也更加费时费力。

3、减小k1

下面谈k1，对于做光刻的人来说，k1可以说是最有趣的话题了。

k1是一个系数，在显微镜应用当中，k1最小只能降到0.61，再小的话，东西就会模糊，看不清楚了，而在光刻领域，则不存在这个问题，只需要考虑线的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。通过改变k1，可以不用更换镜片，不用改变波长和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的经济效益。此外，DOF还有可能会增加。

减小k1有这么多的好处，但其实现起来并不容易，需要很强的创新思维。

下图，制程工艺为250nm时，那时候的k1=0.63，跟显微镜的差不多，而180nm制程对应的k1则降到了0.47，此时，相对于250nm，线宽比较大，不容易控制，还要考虑很多干扰因素，有很大的学问在里面，需要更多的创新。

k1=0.47的时候，就感觉是一件非常奢侈的事情了，而当制程微缩到130nm的时候，k1进一步降到了0.42，这是一件非常不简单的事情，凝聚了光刻研发工程师的心血和智慧。

当k1=0.63和0.47的时候，是有可能增加DOF的，如下图所示。

4、增大n

这里的n是折射率，通过改变n，也可以提升光刻系统的分辨率，最简单的方法就是在镜头和晶体之间加入水，以代替空气，也就是沉浸式系统，通过增大n，可以得到短波长的效果。

当NA大于1的时候，特别是1.35NA时，需要放入具有特别构造的镜片，由于涉及到商业机密，下图中没有给出1.35NA的示意图，目前有两家公司可以做到这一点，他们采用不同的方法实现。

下图所示为沉浸式的原理，利用光通过液体介质时会弯折的特性，显微镜的影像透过浸湿的镜头会进一步放大。相反地，当光线通过浸在液体中的微缩影镜头时，就能将影像藉由折射率进一步缩小。

这里用水作为介质是最为经济高效的，否则就需要花几亿美金去研发新的、更好的介质，这样太耗费资金和时间，而且不一定能保证成功，算起来是划不来的。

结语

以上，林本坚博士主要讲述了提升光刻系统分辨率的4种方法，这里凝结了光刻研发工程师的大量心血和智慧，而作为沉浸式光刻技术的发明人，林博士对于产业的技术水平提升和经济效益做出了巨大的贡献。相信随着EUV的到来及普及，更多的先进技术还会诞生，继续把半导体光刻发扬光大。