浸沒式光刻，拯救摩爾定律

2000年代初，芯片行業一直致力于從193納米氟化氬（ArF）光源光刻技術過渡到157納米氟（F 2 ）光源光刻技術。就像藝術家希望用細線筆代替記號筆來繪制更精確、更詳細的圖片一樣，這種向更小波長的重大轉變是業界希望繼續縮小晶體管并在芯片上實現更多計算能力和存儲功能的希望。然而，意想不到的事態發展證明了將工程推向極限的風險，但物理定律并不同意。

當第一個 157 納米光刻系統的工程設計完成時，采用氟化鈣透鏡作為這些系統中的新型光學器件被認為具有挑戰性但又可行。然而，實際原型光刻系統的成像實驗揭示了顯著的雙折射效應。更糟糕的是，這種效應是氟化鈣固有的，遠遠超出了成像規格。由于明顯的光刻路線圖似乎已經陷入停滯，芯片行業陷入了困境。

一灘水，命運的轉折

2001 年 12 月，ASML 研究員 Jan Mulkens（現為ASML Fellow）參加了在美國舉行的 157 納米光刻行業會議，行業專業人士齊聚一堂，共同確定下一步可能采取的措施。他們的討論集中在在鏡頭下添加一層純凈水以提高分辨率，這是顯微鏡先驅羅伯特·胡克（Robert Hooke）和安東尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek ）首次發現并利用的光學現象，并于 20 世紀 80 年代首次由 IBM 描述用于光刻。Jan 和他的同事意識到，這種光學技術可以進一步擴展 193 納米光刻技術，繞過業界試圖修復 157 納米光刻技術的緊迫挑戰。此外，通過使用水作為光學流體，所有現有的光學器件、掩模和光刻膠都可以繼續使用。這是維持摩爾定律的最佳機會 。

Jan 解釋道：“通過高度純化的水投射光將可以打印出明顯更小的芯片特征，因為這種液體可以設計光學透鏡，從而更準確地對晶圓上的精細圖案進行成像?！痹?**中使用這一原理，人們覺得很奇怪。水與飛濺、水滴和氣泡有關——這真的能在復雜且高精度的成像系統中發揮作用嗎？” 將可能無法安全可靠地通過軟管流動的水引入系統似乎是一項不可能完成的任務。

回到位于荷蘭費爾德霍芬的 ASML 總部后，Jan 組建了一個小團隊，相信競爭對手很快就會效仿。想要抓住這個機會，就必須盡快行動。帶著高度的緊迫感，Jan 的團隊首先定義并測試了一些基本的沉浸式概念?！爱斘覀兺ㄟ^一系列實驗和系統架構的概念想法展示浸沒式光刻的基本可行性時，我們獲得了批準，可以與 20 名同事組成的團隊將我們的概念擴展到全尺寸原型系統，”Jan 回憶道。

加速 ASML 沉浸式計劃的三大優勢

借助TWINSCAN 平臺，團隊取得了快速進展。得益于專有的雙級架構，我們的系統能夠同時執行兩件事：一個級測量晶圓位置以實現精確對準和聚焦，而另一個級在透鏡下方精確移動以對晶圓上的圖案進行成像。Jan 的團隊在勾畫出浸沒式系統的雙級架構時意識到，芯片制造商可以在一個階段利用浸沒式光刻的分辨率增強功能，同時在另一個階段繼續使用我們久經考驗的干式計量，從而實現雙贏。

我們的另一個優勢是與蔡司的密切合作。在采用 Veldhoven 系統架構的同時，位于德國 Oberkochen 的蔡司光學設計工程師想出了如何稍微修改常規鏡頭，以便將其用于浸沒式光刻。因此，芯片制造商看到了在其試點工廠快速測試早期浸入式系統的機會，同時為利用新技術進行大批量芯片制造做好準備。

浸沒式 DUV 系統與干式系統不同，前者在透鏡和晶圓之間含有一層水。

最后，我們的生態系統提供了另一個好處：長期研究合作伙伴飛利浦研究中心開發了一種利用浸沒式透鏡的高密度光學記錄技術。他們的研究和工程專業知識被用于開發光刻系統的技術概念，該系統可以在鏡頭下移動和保持水。

到 2003 年秋季，沉浸式團隊能夠在名為 TWINSCAN AT:1150i 的 ASML 原型系統上展示具體的成像結果?！霸徒Y果幾乎立即改變了光刻路線圖，”Jan 說?！拔覀冊诤芏痰臅r間內定義了一系列新的光刻系統，這將直接解決芯片行業的分辨率問題?！?/p>

同年12月，我們公開發布了業界首款浸沒式光刻系統TWINSCAN XT:1250i。該預生產系統將浸沒式光刻的增強分辨率和焦深與 XT（一個更加緊湊的平臺）上的干式光刻精度相結合。

控制討厭的水坑

雖然我們取得了巨大的進步，但浸沒式光刻技術還沒有走出困境?，F在必須為大規模生產做好準備。缺陷對早期浸入式系統的經濟性構成了真正的威脅，因為在硅晶圓上復制掩模幾何圖案時的任何缺陷都會導致產量損失，而產量損失是芯片制造商大規模生產過程中最重要的性能指標。在高速平臺上添加一灘水會帶來兩個新的潛在缺陷來源：鏡頭下可能會形成氣泡，從而降低成像性能。更糟糕的是，逸出的水滴可能會與晶圓上的感光涂層發生不可控制的相互作用。通過減慢晶圓階段來犧牲系統生產力并不是一種選擇：這樣做會使系統變得難以承受。

為了更好地了解水坑的行為并找到控制它的方法，ASML 的研究人員再次利用了我們廣泛的學術網絡。德國特溫特大學流體動力學和力學研究員 Detlef Lohse 教授投入了大量時間和精力來加深我們對浸沒式光刻基礎物理的了解。這種加深的理解激發了我們的研發團隊和高科技供應鏈的工程創意。該團隊縮小了解決方案空間，足以確定一個基本的工程機制：被稱為“浸沒罩”的光刻系統的這個新部分在最后一個透鏡元件周圍形成一個環來控制水坑?！霸诮酉聛淼膸啄昀?，基本原型可以得到測試，最好的概念將被工業化，臺積電 (TSMC)宣布推出首款采用我們早期浸入式系統制造的全功能 90 納米節點芯片。

到 2006 年，我們推出了 XT:1700Fi，將浸沒式光刻技術引入批量生產。新系統的數值孔徑從 0.93 增加到 1.2，繞過了預浸入障礙 1.0，并提供了繼續縮小晶體管至 65 納米節點以上的可行途徑。該系統破紀錄的成像性能使芯片制造商能夠將分辨率提高30%，這是幾十年來最大的進步，同時系統生產率提高到每小時122片晶圓，這也是當時的記錄。

隨后進行了進一步的改進和新系統，提高了成像性能和系統生產率，同時使芯片制造商能夠趕上摩爾定律并推動其路線圖向前發展。

多重圖案和終極沉浸式平臺

雖然浸沒式光刻技術顯著提高了分辨率，但摩爾定律仍然有增無減。芯片制造商很快意識到，需要更清晰的成像才能實現 32 納米及更高節點的路線圖。芯片制造商開始嘗試各種類型的多重圖案技術，該技術暴露多個更簡單的交錯圖案以創建一個復雜的層圖案。

多重圖案化“這是光刻技術的根本性變化?！盝os 評論道?！巴蝗婚g，覆蓋范圍（而不是成像分辨率）成為實現縮小的關鍵參數。多重圖案化的額外成本使得提高浸入式系統的生產率變得至關重要，以便保持縮小成本效益?！?這就是我們開始開發 NXT 平臺的原因，它是緊湊型 XT 平臺的后繼產品。該平臺使用磁懸浮晶圓平臺和基于編碼器而不是干涉儀的位置測量系統，能夠以更高的速度更精確地定位平臺以及更快的平臺交換。在時間就是金錢的行業中，我們將NXT平臺的速度與浸沒式光刻的分辨率相結合的能力確保了NXT平臺的市場份額能夠持續增長。

浸沒式光刻技術持續推動創新

目前，NXT 平臺約占迄今為止已發貨的 1,100 多個沉浸式系統的 80%。浸入式系統市場需求處于歷史最高水平，預計到 2023 年之后仍將保持強勁。我們去年年底發布的最新 NXT 浸入式掃描儀 NXT:2100i 體現了我們工程師堅定不移地致力于推動這項技術向前發展。由于鏡頭調整系統，它具有下一代成像功能，目前用于全球領先芯片制造商的最先進的芯片節點?？傮w而言，NXT 浸沒式系統的生產率在過去 9 年中增加了一倍多，最新的系統每天能夠運行超過 6,000 個晶圓。這對于芯片制造商來說意味著物有所值。

毫不夸張地說，為了在半導體領域保持競爭力，企業需要了解并應對行業獨特的挑戰，即解決技術復雜性，同時確保制造負擔能力。這是始終指導我們努力實現浸沒式光刻成果的基本方法，雖然該技術的挑戰隨著時間的推移而不斷變化，但我們對浸沒式光刻技術的生產力和芯片制造商以及整個行業的承受能力的關注將保持不變。

審核編輯：劉清