造一臺光刻機竟要挑戰極限？之光學難題之一 ——追求衍射極限

光刻機光學設計難題一：追求衍射極限

   如果我們在物體上取兩個相近的點，經過系統成像后平面上有兩個光斑，如果兩個點距離逐漸靠近，兩個光斑將逐漸變成一個光斑，這時我們就無法區分一個點成的像還是兩個點成的像了，這就是分辨率不足的體現。

   要區分成像的究竟是一個點還是兩個點是需要一個準確的邊界值，這就引入了瑞利判據。瑞利判據就是當兩個物體間距小于0.61λ/NA時，成像系統所成的像將無法分辨這兩個點，而是把它們當作一個點，這個邊界也稱為衍射極限。如果光刻中超過衍射極限，則刻蝕出的芯片就不那么精準了，自然無法實現設計的功能。因此，科學家就努力在衍射極限的邊緣反復試探。

瑞利判據

（圖像來源：光電學堂）

根據瑞利判據的公式:D = 1.22λ/NA 

（公式中，D為最小分辨的寬度，λ是光源的波長，NA是投影透鏡的數值孔徑，它主要與環境折射率有關）。要想提高分辨率，要么減小光源波長，要么提高數值孔徑，而無論哪一種方法都難如登天。

方法一：減小光源波長。

   光源的波長越小分辨率越高，但是制造光源的難度也越高。一開始人們只能用汞燈發出的365nm波長光源進行光刻，能達到的極限尺寸只有250nm左右。隨著技術的發展，光刻使用了波長193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF準分子才能夠被激發的深紫外光。但是，氬（Ar）是典型的惰性氣體，與幾乎所有物質都不發生反應，只有氧化性的氟（F）元素才能勉強與它變為這種不穩定的分子，難度可想而知。

   目前的光刻機的光源波長達到13.5nm，被稱為極紫外光（EUV）。想激發出波長的光源，自然需要的辦法。

   光刻機采用的方法是激光等離子體型光源，即利用高功率的激光擊打金屬錫，產生高溫高密度的等離子體，輻射出極紫外光。其實這種方法很久之前就被證實，但是起初用的是錫板，而且只用激光激發一次，產生的光源強度很低，無法作為光刻的光源。

   經過十幾年的研究，科學家誕生了一個天才的設想，錫板不行那用熔化的錫，一次不行，就打兩次。錫金屬被熔化形成直徑只有20微米的液滴，并且在真空環境中自由下落。在下落過程中，首先是193nm的深紫外光，將錫液滴打成云狀，緊接著功率高達20kW的二氧化碳激光器再次擊打它，并激發出EUV。

EUV的誕生

僅僅是產生光源的難度就令人難以想象。

   首先兩次光源需要準確擊打到正在自由下落的金屬液滴中，難度就好像用乒乓球擊打空中的蒼蠅，還是兩次。而且激發產生的光轉瞬即逝，因此需要每秒鐘激發約50000次。

   此外，高達20kW的二氧化碳激光器的制造難度也是相當大，所需電源功率達到了200kW。那么如此高功耗的光所激發的極紫外光的功率多大呢？大約210W，效率只有5.5%，這還是經過數次技術的迭代實現的，要知道最初的發光效率僅有0.8%。

EUV每秒鐘激發50000次

   有一些同學會問，x射線波長更短，為什么不用x射線做光刻的光源呢。確實x光做光源可以實現非常窄的刻蝕，但現在的相關應用更多用于直寫光刻，效率不高。的問題在于它的穿透性太強了，用普通透鏡無法進行放大縮小，因而無法實現光學投影式光刻。

方法二：提高數值孔徑

   人們能采取的方法主要就是改變環境的折射率（折射率越大，數值孔徑就越大），于是浸入式光刻機應運而生。浸入式光刻概念其實早就有了。1999年，IBM使用257nm的浸入式干涉系統制作出精度89nm的圖形，但未進行深入的研究。

         2002年以前，業界普遍認為193nm的光源無法實現65nm的分辨率，而157nm光源將成為主流技術。然而，157nm光刻技術遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰。這是由于絕大多數材料會強烈地吸收157nm的光能，只有CaF2 勉強可以使用。但研磨得到的CaF2鏡頭精度很難控制，難度，價格也相當昂貴。雪上加霜的是它的使用壽命也極短，頻繁更換鏡頭讓芯片制造業無法容忍。

   正當眾多研究者在157nm光刻面前躊躇不前時，中國臺灣人林本堅提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波長下是不透明的液體，但是對于193nm的波長則是幾乎透明的。并且水在193nm的折射率高達1.44！如果把水當作相當理想的浸入液，配合已經十分成熟的193nm光刻設備，那么設備廠商只需做較小的改進，就可以實現更小的分辨率。相比于真空介質下分辨率只能達到65nm，浸沒超凈水介質的光刻機理論上可以達到22nm甚至更低的分辨率。

   現在人們正在尋找除水以外具有更大折射率的液體。但這種液體要求非常嚴格：與光刻膠沒有反應，光透過率高，折射率高，還要穩定。目前已研發出的第二代浸入液的折射率為1.64。

   你可能覺得把整個光學系統浸沒在水中很簡單，但其實它有很多復雜的問題需要解決：浸入液如何充入、會不會對鏡頭造成污染，光刻膠在液體中的穩定性，會不會產生氣泡，液體如何保證高純度等。科學家解決了這些所有問題，才讓浸入式光刻機目前成為芯片生產中泛使用的光刻機之一。

以上文章節選來源于科學大院 ，作者王智豪

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