浸润式光刻之父林本坚详解光刻技术（超详细！建议收藏）.docx

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1、自光刻技术技术出现，集成电路(Integrated circuit, IC)体积跟随着摩尔 定律不断缩小，到踏入5纳米量产的今日，IC可说足足缩小了百万倍！这成 果并非一蹴可几，而是多年来半导体研发人员和工程师的心血累积。中央研究 院111年知识飨宴科普讲座，林本坚院士以光刻技术缩IC百万倍为题， 提供光刻技术一路走来，如何将半导体元件尺寸愈缩愈小、推向极限。随着集成电路(IC)与半导体制程进展，智能手机、平板等3c产品，体积愈 来愈小，速度却愈来愈快，功能也愈来愈多、愈强大。这归根究柢，是因现在 半导体技术把IC愈做愈小，3C产品可放入的元件数量愈来愈多，自然能做的 事就更多，效率也增加了。

2、IC愈做愈小的关键技术在于光刻技术(Optical Lithography) o光刻技术简 单来说，就是制作元件时，将元件组成材料依所需位置印在半导体晶圆上 的技术。能印出愈精细的图案，就能制作愈小的元件。衡量元件尺寸的关键指标之一为电晶体闸极长度(Gate length),这数字 与IC速度直接相关。以场效电晶体来说，闸极长度愈小，电流就可花更少时 间通过电晶体汲极和源极。如果要表示元件微缩程度，另一个关键指标为线宽和周距(Pitch),通常以金 属层线与线的周距为参考基准，周距愈小，线宽也愈小，元件微缩程度愈高。增加微影解析度之路，最后可动手脚的就是镜头与晶圆的介质。林本坚提出的 浸润式微

3、影技术，将镜头与晶圆的介质从折射率nl的空气，改成n= 1.44 的水（对应波长为193纳米光），形同将波长等效缩小为134纳米。浸润式微影技术让半导体制程12年内往前走了 6代：从45纳米直到7纳 米。林本坚补充，这技术优势在可继续使用同样波长和光罩，只要把水放到 镜头底部和晶圆中间就好。乾式微影光阜系统曝光豆直模浸润式微影光擘系统浸润式覆罩浸润式覆罩可与工之;干式微影光学系统与浸润式微影光学系统的差异不过林本坚话锋一转。我说得很轻松，把水放进去就好，但背后有很多技 术。如水中空气可能让水产生气泡,，必须完全移除。另水必须很均匀，透光 区照到光的水，会比遮蔽区的水热一点，温差会让水不均匀，影

4、响成像。为了 防止温差，必须让水快速流动混合，但又可能产生漩涡。这很考验机台放水的装置，如何让水流快速均匀又不起漩涡？这是个大学问，至今放水装置起码重新设计了 68次。水的另一个特点，就是很好的清洗剂。使用浸润式微影技术时，水很容易 把镜头等所有接触物品上的杂质都洗掉，结果就是晶圆有上千个缺陷(defects) 0我们花了很多工夫把缺陷数从几千个降到几百个、几十个，最后 降到零。林本坚说：那需要投入很多人力和晶圆才能做到。半导体人才得是专才、通才，也是活才演讲最后，身为清华大学半导体研究学院院长的林本坚提及人才培养。半导体 技术演进到非常复杂，没有一个学生能精通所有技术层面。林本坚说：所以 你

5、会发现，半导体需要团队合作。踏入这块领域的学生，林本坚期许除了要有基本的理工能力，还需要有好奇 心，会发现新问题，也会找到有趣的新技术(活才)。如果不能自己发现新 技术，会永远跟在别人后面。遇距(Pitch)遇距(Pitch)-C-半导捌料与工艺线宽与周距示意图，周距为线宽加上线与线的间距，可表示金属线周期性排列 的尺度大小。如今到了单位数纳米世代（如7纳米或5纳米制程），这些数字逐渐演变为世 代标志。虽然IC还是愈小愈好，但新世代制程可能代表运算快、密度高、价 钱廉价等其他综合优点。那IC目前到底缩小多少？先有个概念，如果把每个世代视为实际尺寸，自从 1980年代有光刻技术技术以来，线宽从一

6、开始5, 000纳米降到现在5纳米， 甚至往3纳米迈进。线宽不断缩小，每代约缩小上一代0.7倍，到5纳米是 第21代。经过代代相传，线宽缩小1,000倍，换算下来，同面积能放入 的元件数量高达原本100万倍！光刻技术技术如魔法把线宽一步步缩小，靠的是多年来研发人员一步步努力。 林本坚院士在光刻技术缩IC百万倍科普讲座，细数关键改良点及挑战。IC如何缩小？追求最小线宽先从核心光学解析度公式开始：半周距(Half Pitch) = kl 入/ sin。半周距：一条线宽加上线与线间距后乘以0.5。曝光解析度高时，半周距可做 得愈小，代表线宽愈小。kl：系数，与制程有关，缩小半周距的关键，是所有半导体

7、工程师致力缩小的 目标。X：微影制程的光源波长，从一开始436纳米降到13. 5纳米。sinO ：与镜头聚光至成像面的角度有关，基本上由镜头决定。由于光在不同介质波长会改变，因此考虑如何增加解析度时，可将镜头与成像 面（晶圆）的介质（折射率n） 一并纳入考量，将入改以XO/n表示，X0 是真空波长。半周距（Half Pitch） = kl X 0 / n sin 0故增加曝光解析度（半周距I ）的努力方向为：增加sin 0、降低入0、降低 kl、增加n。另一方面，为了让微影制程有够大曝光清晰范围，镜头成像景深（DOF）数字愈 大愈好（注），但景深变大的副作用是半周距也会跟着变大，因此制程改良必

8、 须考虑两者平衡或相互牺牲。增加sin。：巨大复杂的镜头sinO与镜头聚光角度有关，数值由镜头决定，sin。愈大,解析度愈高。光 刻技术镜头不如平常相机或望远镜那样简单，而是由非常多大大小小、不同厚 薄及曲率的透镜，经精确计算后仔细堆叠组成（下列图）。这种镜头极其精密，林本坚透露：F6, 000万美元镜头已不稀奇，1亿美元都 有可能。镜头做得复杂、巨大又昂贵，是为了尽可能将sin。逼近极值，也 就是1。目前镜头可将sin。值做到0.93,已非常辛苦了。半导体号耨与h艺半导体号耨与h艺微影机的镜头设计相当复杂，林本坚提到目前业界尽可能提升sin 9值到0. 93o图中NA = n. sin 9

9、= 0.9,空气折射率n约为1,故此镜头sin 0为0.9o镜头模组实际使用时会立起来垂直地面（如下列图）。20-nm Node Immersion Exposure ToolImagingLensImagingLens2022/1/11库半导体材料与段落林本坚强调微影机镜头模组非常巨大，重到必须出动起重机才能搬运。缩短波长：材料与镜头的精准搭配 第二个方法是缩短波长。虽说改变光源就能得到不同波长，但不同波长光经过 透镜后折射方向不同，镜头材料也必须改变。林本坚表示，当波长愈缩愈短，我们能选择的镜头材料也愈来愈少，最后就只有那两三种可以用。用少数几种材料调适光源的频宽愈来愈难。后来大家转而选择

10、单一种合适的材 料，并针对适合这种材料的波长，将频宽尽量缩窄。林本坚说：连雷射的频 宽都不够窄小，现在频宽缩窄到难以想像的程度。另一种解决问题的方法，是在镜头组成加入反射镜，称为反射折射式光学系统 (Catadioptric system) o因不管什么波长的光，遇到镜面的入射角和反射角都相等，假设能以一些反射镜面取代透镜，就能增加对光波频宽的容忍度。波长193纳米光源的曝光镜头模组，可看到透镜组合加入反射镜。后来到了 13.5纳米(极紫外光，EUV)波长时，甚至必须整组镜头都使用反光 镜，称为全反射式光学系统(All reflective system),可参考下方ASML的 展示影片。林本

11、坚表示，全反射镜系统必须设计得让光束相互避开，使镜片不 挡住光线。止匕外，相较透镜穿透角度，镜面反射角度的误差容忍度更低，镜面 角度必须非常非常精准。以上这些都增加设计困难度。曝光波长改变还会牵涉到曝光光阻，光阻材料从化学性质、透光度到感光度等 各项特性，都必须随曝光波长改变调整，这是浩大的工程，且感光速度非常 重要，是节省制造本钱的关键。林本坚说。值得一提的是，光阻材料的感光速度在微缩IC历史上相当重要。1980年代， 时任IBM的CG Willson和H. Iro率先提出以化学方式放大光阻感光速度的 方法，将感光速度提升倍，大幅增加曝光效率。这项重大创造，让CG Willson在2013年

12、荣获日本国际奖(Japan Prize),可惜当时H. Iro 博士已过世，无法一同受奖。降低kl：解析度增益技术(RET)提高解析度的重头戏就在如何降低kl。林本坚说：你可以不买昂贵的镜头， 也可以不选用需要很多研发工夫的新波长。只要你能用聪明才智与创造力，将 kl降下来。首先是防震动，就好像拍照开防手震功能，晶圆曝光时设法减少晶圆和光 罩相对震动，使曝光图形更精准，恢复因震动损失的解析度。再来是减少无 用反射，曝光时有很多外表会产生不需要的反射，要设法消除。林本坚表 示，改良上述两项，kl就能到达0. 65水准。提高解析度还能用双光束成像（2-beam Imaging）法，分别有偏轴式曝光

13、 （Off-Axis Illumination, OAI）及移相光罩（Phase Shift Mask, PSM） 两种。偏轴式曝光是调整光源入射角度，让光线斜射进入光罩，原本应通过光罩绕射 的三束光（1阶、0阶与T阶），会去掉外侧一束光（1阶或T阶），只留 下两束光（如0阶和1阶）。透过角度调整，很巧妙让两道光相互干涉成像, 使解析度增加并增加景深。移相光罩那么在光罩动手脚，让穿过相邻透光区的光有180度相位差。相位差 180度的光波强度不会改变，只是振幅方向相反。如此一来，相邻透光区的光 两两干涉之后，刚好会在遮蔽区相消（该暗的地方更暗），增加透光区与遮蔽 区的比照，进而提高解析度。这两种做法都可让kl减少一半。林本坚笑说：可惜这两种方法都是用 2-beam Imaging概念，不能叠加使用。目前业界多半采偏轴式曝光，林本坚表示：移相光罩一方面比拟贵，另一方 面不能任意设计图案，必须考量邻近相位不抵消的问题。利用各种降低kl 的技术，已将kl降到0.28, 这几乎是这些技术能到达的kl极限了。要进一步降低kl ,还有方法！就是用两个以上光罩，称为多图案微影。 简单说，将密集图案分工给两个以上图案较宽松的光罩，轮流曝光至晶圆，可 防止透光区过于接近，使图案模糊的问题。缺点那么是曝光次数加倍，等于效率 降低一半。增加n：浸润式微影技术