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浸入式光刻設(shè)備的研究方向

更新時間:2011-08-30 點(diǎn)擊次數(shù):2238

 

光刻機(jī)是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備,制造和維護(hù)需要高度的光學(xué)和電子工業(yè)基礎(chǔ),世界上只有少數(shù)廠家掌握。因此光刻機(jī)價格昂貴,通常在3,0005,0000萬美元。

1984年,日本人Takanashi在一項(xiàng)美國中定義了浸入式光刻機(jī)zui基本的結(jié)構(gòu)特征,即在zui后一級物鏡與光刻膠之間充入一層透明的液體。

浸入式光刻是指在光刻機(jī)投影鏡頭與半導(dǎo)體硅片之間用一種液體充滿,從而獲得更好分辯率及增大鏡頭的數(shù)值孔徑,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更小曝光尺寸的一種新型光刻技術(shù)(圖1)。

讓我們看一下光刻系統(tǒng)分辨率的Rayleigh方程:
           R=kλ/NA
式中λ是光的波長,NA是系統(tǒng)中透鏡的數(shù)值孔徑,k是分辨率系數(shù),代表了所有的其它工藝變量。顯而易見,減小曝光光源的波長并增加投影透鏡的NA都可以提高分辨率。自從193nm波長成為主攻方向以后,增大NA成為了業(yè)界人士孜孜不倦的追求。表1是提高193nm ArF浸入式光刻機(jī)NA的方案。由此可見,浸入液、光刻設(shè)備和其它相關(guān)環(huán)節(jié)的緊密配合是浸入式光刻技術(shù)前進(jìn)的保證。

將液體置于主鏡頭和硅片之間,入射光線自然而然地就會穿透比空氣折射率更高的液體,這種方式本身并沒有提高特定投影圖像的分辨率,但是它卻能夠賦予光刻機(jī)的鏡頭更高的數(shù)值孔徑。

NA=n sinα,其中n是透鏡周圍介質(zhì)的折射系數(shù),α是透鏡的接受角。傳統(tǒng)的干法光刻系統(tǒng)中,介質(zhì)是折射系數(shù)為1的空氣,則NA的理論zui大值為1。采用具有更高折射系數(shù)的液體,浸入技術(shù)有可能使系統(tǒng)的NA>1。比如使用折射率為1.44的去離子水后,NA的理論zui大值即為1.44。在193nm曝光系統(tǒng)中,分辨率R=kλ/NA就可以達(dá)到k*193/1.44=132mn。如果液體不是水而其它液體,但折射率比1.44高時,則實(shí)際分辨率可以非常方便地再次提高,也這是浸入式光刻技術(shù)能很快普及的原因。浸入式光刻的數(shù)值孔徑大小是與使用液體的折射率是直接相關(guān)的。因此,人們正在著眼于尋找除水以外具有更大折射率的液體。

早在2005SPIE Microlithography的年會上,JSRDuPont等公司就已經(jīng)公布了它們的高折射率液體的研發(fā)計劃。在選擇高折射率液體時,考慮的重點(diǎn)包括:與光刻膠沒有反應(yīng);光透過率高;折射率高;其它各種特性良好(表2)。已研發(fā)出的第二代浸入液的折射率為1.64,該液體氧氣的吸收很少,即便被曝露于空氣中性能也十分穩(wěn)定。并且由于蒸汽壓很低,所以很難發(fā)生熱分解。這個折射率數(shù)值能夠把193nm光刻機(jī)的有效波長降低到大約116nm左右。至于第三代浸入液,它的折射率應(yīng)為1.8左右,同時還需要有更高折射率的鏡頭才能達(dá)到約1.65NA值。

浸入液體在未來仍有許多問題亟待解決:什么樣的液體更適合浸入式光刻的需求;液體的供給與回收;液體傳輸中的流速、氣泡、溫度、壓力的控制;液體特性,例如流速、氣泡、溫度、壓力變化對光學(xué)性能(折射率,吸收,散射、雙折射、像差)的影響及其測量與控制;偏振光照明時,液體與抗蝕劑的相互作用;液體折射率與液體兩側(cè)元件折射率匹配;液體與光刻環(huán)境中相關(guān)元件的兼容性等。

對于光刻設(shè)備來說,鏡頭是制約發(fā)展的主要瓶頸之一。通過改善光學(xué)主鏡頭來提高光刻機(jī)NA的主要途徑有兩個:一是用彎曲主鏡頭替代平面鏡頭。但彎曲主鏡頭的表面很難控制浸入液體的流動,用于浸入式光刻機(jī)有一定難度;二是尋找高折射率的光學(xué)主鏡頭材料。目前193nm ArF浸入式光刻機(jī)主鏡頭折射率為1.56,IBMJSR聯(lián)合推出Nemo系統(tǒng)主鏡頭采用高密度石英材料,其折射率為1.6。

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