Chapter 10
Immersion Lithography and the
Limits of Optical Lithography
在第2章中，引入了参数数值孔径，将其定义为nsinθ，其中n是透镜和晶圆上的光阻之间的介质折射率，θ是透镜对的半角。根据几何学，以及光在均匀介质中以直线传播的事实，θ能达到的最大值是90度，因此sinθ必须小于1。0透镜和光阻之间的介质通常是空气，因此≈1.这意味着数值孔径不能超过1。空气中为0，对给定波长的分辨率造成限制。
人们早就知道，将显微镜物镜浸入折射率大于1的液体中可以提高光学显微镜的分辨率。0这不是通过使用设计用于在空气中成像的光学元件可以实现的，而是需要专门设计用于使用具有明确折射率的浸入式流体进行操作的透镜。然而，这种光学技术已经在光学显微镜中成功地应用了一个多世纪。
同样的物理原理也可以用于光刻。由于sinθ仍受几何体约束，小于1。0，透镜和晶圆之间介质的折射率表示数值孔径的理论上限。在193nm波长下，超纯水的折射率为1。4372水在ArF波长下也是非常透明的，因此它是ArF浸没式光刻的合适流体，水填充透镜底部和晶圆之间的空间。在空气中成像时，浸水的使用导致数值孔径比可能的最大值显著增加，从而大大扩展了ArF光刻的分辨率能力。将水作为浸没流体而不是空气时，数值孔径的物理极限从1增加。0比1。437本章将讨论浸没式光刻的基本概念。本章的其余部分将关注扩展光学光刻的其他机会。
10.1 Immersion Lithography
虽然概念上很简单，而且尽管浸没成像在显微镜中使用了很长时间，但它在光刻技术中的应用并不简单。有许多问题是光刻所独有的。例如，由于第5章所述的原因，最先进的曝光工具是扫描仪，因此必须在晶圆相对于透镜移动时完成浸没成像。这是浸没成像在光刻技术中的应用比光学显微镜更复杂的原因之一。在扫描过程中，浸没液也会对透镜施加力，必须避免透镜变形导致像差。浸没式扫描仪的设计必须确保浸没液在扫描过程中保持充分均匀；例如，流体可能没有明显的压缩或加热。
经证明，浸没液体局部包含在投影光学元件和晶圆之间的配置最适合在扫描仪中使用。这在图10中示意性地示出。1.曝光工具的供应商考虑了另一种设计，即整个工作台都浸在流体中，但高速扫描在该配置中被证明是困难的。
除了提供提高分辨率的潜力外，浸没式光刻技术还可以在任何给定分辨率下，相对于空中成像，增加聚焦深度。第二章给出了小到中等NA值和空中成像的焦深表达式。下面是一个更一般的焦距表达式。考虑图10.2所示的情况。光是用衍射限制的透镜成像的。在最佳聚焦平面上，所有光线相位一致。对于图10.2所示的球面波前，零阶射线在z方向上有相位差
可以看出，对于小NAs和n=1，焦深的精确表达式可以简化为第2章给出的表达式。
从这些表达中有几点需要注意。首先，精确的焦距实际上小于适用于低NA的表达式给出的焦距。这意味着，分析表明小聚焦深度对大na光刻的困难实际上是乐观的!而方程式之间的这些差异。(10.6)和(10.4)在低NAs时很小，而在高NAs时差异可高达50%。从Eq.(10.6)中也可以看出，焦距提高了一个或更大的因子。在光学光刻受焦深限制的程度上，浸渍可以提供改进。
硅晶圆在曝光过程中会发热。建模预测了晶圆片局部区域的温升约为16k。虽然只有一部分热量会转移到浸没的流体，但流体的折射率将会改变。
仔细测量表明，水的折射率将改变大约−1×10−4/◦cf2对于ArF光，只能容忍水温的微小升高。幸运的是，在曝光过程中，热量似乎仅限于晶圆表面200纳米范围内的水体积。假设我们正在考虑数值孔径为1.35的透镜。在这种情况下,，
由于其他像差引起的相位误差通常为~ 1 nm，因此在单场曝光时，由水加热引起的额外相位误差并不被认为是关键。在暴露整个晶圆片的过程中，平均水温可能会上升，因此必须循环浸泡流体，并积极控制温度。
由于光学吸收而引起的浸没液加热并不是浸没光刻所涉及的唯一温度问题。即使有良好的流体密封，少量的浸没流体(可能只是单层)仍会留在晶圆片表面。随后的蒸发冷却将导致晶圆收缩，影响覆盖层(见问题10.4)。由于这个原因，大量的工程资源被用于改进浸没曝光工具的覆盖层。
在半导体浸没光刻中对缺陷的灵敏度要比在显微镜中高得多。不仅在光刻应用中必须几乎没有缺陷，这必须是在非常大的区域，与显微镜相反，在那里的视野往往只有微米，甚至更小。缺陷问题是浸入式光刻的一个关键问题。
采用了两种方法来解决化学物质从光刻胶中浸出的问题。一种是使用Topcoat。正如第3.5节所讨论的，在化学放大光阻中，光阻一直被用作基底扩散的屏障。为了工艺简单，这些光阻通常是水溶性的，因此在光阻显影前可以很容易地去除，但这种特性使它们不适合在水浸光刻中使用。浸入式光刻中使用了两种不同类型的光阻。早期的浸渍兼容光阻需要去除溶剂，但这是不可取的，因为过程成本。后来的光阻可溶于显影剂而不溶于纯水。最理想的解决方案是使用浸入式光阻，本质上只将非常少量的化学物质浸入水中。
气泡是浸没式光刻中另一个潜在的缺陷来源，因为它们会散射光。6 - 9人们通常认为粒子是密度大的物体，但光线会被低折射率的物体散射，比如泡，它们嵌入在光密度更高的介质中。9幸运的是，人们对气泡的形成和消散进行了广泛的研究，发现构成空气的气体非常溶于水。一旦水被脱气，即溶解在其中的空气大部分已经被除去，气泡的寿命就会很短。气泡寿命已被理论预测10和测量证实的理论。结果显示在图10.7。从数据中可以看出，气泡在脱气水中的寿命非常短;因此，由气泡引起的光散射应该很小。然而，即使没有气泡，也必须注意控制溶于水的空气的数量，因为空气可以影响折射率，在一个水平上对光刻很重要。在空气饱和水和完全脱气水之间的折射率差λ=193纳米，已测量到be6.7×10−6.11光通过毫米的水将有纳米级的相位差，这取决于水是空气饱和水还是脱气水。
需要注意的是，水可以用于KrF浸泡，至少从光学角度来看是这样。然而，水在KrF波长处的折射率仅为1.378，因此水对KrF的改善效果不如ArF光刻。此外，许多现有的KrF抗蚀平台在光阻浸没在水中时似乎不能很好地工作。因此，很少有人努力发展KrF浸没式光刻。在λ= 193nm时，水浸提供了光学光刻的显著扩展，使>40%的分辨率比空气成像。光学光刻最终能扩展到什么程度是本章剩下的部分的主题。
10.2 The Diffraction Limit
1979年，《电子》杂志报道说，到1985年，直写电子束光刻技术将取代步进式光刻技术，这在随后的一篇文章中得到了承认。光学光刻技术的消亡被过早地预言了，直到1994年，光学晶圆步进器的出货量才会低于x射线步进重复系统的出货量。预计光学平版技术一旦达到0.5µm的分辨率极限，就需要更换。这两项声明都是基于公认的专家意见。这本书的最新版本是在2010年写的，当时光学光刻技术仍然很强大。显然，公认的专家意见并不是有效性的标准。然而，有一些迹象表明，光学光刻终于达到了它的极限，有几个项目致力于发展替代光刻技术。我们有必要回顾一下那些早期的观点，这些观点预测了光学光刻技术正接近其生命的终结，以及那些今天提出的论点，以证明在新的光刻技术上投资数十亿美元是合理的。
光学光刻具有有限分辨率的论点是基于分辨率和聚焦深度的瑞利比例定律。从第二章,
人们早就认识到，瑞利表达式和等效表达式并不能准确地预测分辨率，但确实正确地捕捉了波长和数值孔径相关的趋势。其他因素，如抗蚀过程，则由系数sk1和k2表示。1979年，最先进的透镜分辨率为1.25µm，聚焦深度为±0.75µm，数值孔径为0.28，在汞g线成像(λ=436 nm)。这就分别产生了0.80和0.13 fork1和k2的值。用这些值表示方程中的系数。(10.11)和(10.12)时，能产生0.8µm特征的g线透镜的数值孔径为0.44，聚焦深度为±0.3µm。1979年，在器件制造中使用化学-机械抛光之前很久，这个聚焦深度太小，无法在当时典型器件地形高度上提供足够的成像，并且在步进器控制聚焦的能力范围内。因此，宣布光学光刻无法实现亚微米光刻。这个论点中有几个错误，在20世纪80年代中期已经变得明显。
1. 这些早期的预测是错误的，因为他们假设在20世纪70年代末和80年代初在最先进的步进器上发现的光学几乎是衍射有限的，而推断是基于这个假设的。这些假设在多大程度上是不正确的，这已经被当今先进的镜片设计方法和制造能力的应用证明了。直到最近，这些能力只应用于前缘、高数值孔径透镜，但随着用于混合和匹配应用的非常大的场系统的引入，可以观察到较小数值孔径的实际衍射极限。这可以直接重新评估早期的分析。例如，尼康为其4425i步进器生产了0.3-NA i线镜头。该透镜的分辨率为0.7µm(k1=0.58)，指定±2.5µm聚焦深度(k2=0.62)，而30年前，类似数字孔径的透镜(g线)的分辨率为1.1 ~ 1.25µm，聚焦深度为±0.75µm。通过从新旧两种不同的能力来推断光学光刻的未来，得出了明显不同的结论。
2.假设水银g线总是用于光学光刻是错误的。对于给定的特征尺寸，通过使用较小的波长来增加聚焦深度。从436 nm（水银g线）波长到365 nm（i线）波长，再到248 nm（KrF）和193 nm（ArF）光刻，使特征尺寸得以缩小，同时保持可用的聚焦深度。
3.光刻胶已经改进，有助于有效改变tok1和k2。今天的光刻机通常在k1=0.35或更小的值下操作。1979年的论点，修正ak1值为0.5，预测在g线透镜的数值孔径为0.27的情况下，可以达到0.8µm分辨率。即使先前预测的值fork2为0.13，得到的焦深也已经足够了。
4. 聚焦深度的要求已经降低，主要是由于化学-机械抛光的使用。由于不再需要通过器件形貌的深度来成像，因此可以在聚焦深度较小的光学系统上获得良好的图像。现在认为只有±0.1µ或更小的聚焦深度就足够了。
除了在20世纪80年代已经确定的原因外，最近发展的分辨率增强技术，如相移、离轴照明和第8章中介绍的其他方法，可以进一步扩展光学光刻技术，超越瑞利标准缩放所推断的限制。“波前工程”是一个综合术语，它包括了所有试图修改衍射效果以提高分辨率和聚焦深度的技术，16解决了100纳米及以下的许多挑战，避免了长期预测的“光学之死”。
尽管过去的预测存在误差，但分辨率和聚焦深度的比例定律表明，任意小的特征都不会通过光学产生。问题从来都不是光学光刻是否有限制;问题是什么时候会结束，最终的解决方案是什么。很明显，我们需要超越基本的瑞利标准。波前工程对特定的特征类型有好处，依赖于步进和掩模的光学配置。重要的是要了解这些复杂的增强技术的适用性，以获得光学光刻的最终极限的估计。
更精确地定义什么是“光学光刻”是有用的。为了这本书的目的，光学光刻被定义为任何光刻技术
1. 利用光子在光刻胶中诱发化学反应
2. 包括一个传输掩模
3. 具有利用投影光学进行图像还原的潜力。
这些定义有助于区分光学光刻与其他不涉及光子，或使用光子，但在性质上与本书迄今为止所描述的技术非常不同的模式技术。最后两项要求将x射线和极紫外(EUV)光刻与光学光刻分开，尽管这两种其他类型的光刻也涉及光子。上面提到了几个原因，以说明为什么光学光刻比先前预期的存活时间更长。我们有必要试着去了解，是否还有机会沿着同样的路径来改进光学光刻技术，使其超越过去的预期，以及最近开发的技术将提供多大程度的扩展。
10.3 Improvements in Optics
如上所述，早期的步进透镜远没有受到衍射的限制，而光学光刻的许多进展是由于光学的改进。这包括数值孔径的增加和像差的大幅度减少。早期的步进镜头有高水平的像差，以当代的标准。图2.27所示的严重散光是20世纪80年代中期广泛使用的蔡司10-78-37 5×lens的一个例子。在那个时代，透镜的波前误差在0.1波每毫秒的量级上这可以与当代镜片的<0.006波误差形成对比。5考虑到已经发生的从436纳米到193nm光的转变，这几乎是一个40×improvement的绝对波前误差。很明显，透镜的质量有了实质性的改善，这表现为更好的成像能力。不幸的是，透镜质量的进一步改善并没有使成像能力趋向于无限窄线，但将使成像性能更接近衍射极限。当处理窗口的不利因素，如透镜像差，可以减少，由衍射施加的限制仍然是主要的。趋近于零线宽度与衍射限制线宽度之间的差异如图10.8所示。实曲线代表了世代之间30%的改善(0.7×scaling)，第一代从1.0µmin开始，而虚线曲线相对于40 nm的限制有30%的改善(见问题10.3)。在早期的几代中，对于无限小的尺寸和40 nm的限制是无法区分的，但当线宽小于0.2µm时，40 nm的限制变得显著。透镜像差的未来减少将使能力更接近渐近线，即衍射极限。另一个40×improvement在透镜的像差不会延伸到光学光刻的相同程度，由最后的40×improvement带来。
片在过去的二十年里有了很大的改进。不幸的是，最大的收获已经在减少偏差方面取得了。虽然畸变的进一步减少将继续发生，但大的进步已经不可能了。光学光刻的扩展必须来自其他来源。
10.4 Maximum Numerical Aperture
在过去三十年中，镜头的改进包括数值光圈的大幅增加。第一个商业化的步进镜头的数字光圈是0.28。今天，主要的步进供应商已有na =1.35的镜片产品。增大数值孔径是过去光学光刻发展的重要手段。数值孔径可以进一步增加多少将在本节中讨论。在讨论之后，我们将考虑扩展光学光刻的其他途径，并将看到为什么这些扩展光刻的方法不再是提高分辨率的主要途径。
数值孔径为nsinθ， θ为透镜与晶片之间介质的折射率，θ为透镜所对的半角。关于θ可以做多大，有一些实际的考虑。随着数值孔径的增加，光学工程面临的一些挑战与θ的比例也会增加，包括光学器件安装的精度、透镜直径和光学涂层的控制要求(图10.9)。表10.1列出了θ和tan的V值。从NA=1.30到1.35，镜片制作的难度增加了约30%，而从NA=1.35到NA=1.40，则增加了约60%的难度。这些NA的增加将需要大量的投资，以使分辨率从NA=1.30提高到1.40 <10%。无论实用性如何，只要以水为浸没介质，由于基本物理限制，分辨率最多可以从当前的最大值1.35增加到<7%。这明显低于过去的4.8×increase(fromNA=0.28至1.35)。
来自Eqs。（2.7）和（10.6），可以看出，当浸没流体具有大折射率时，分辨率和聚焦深度都可以提高。因此，自然地考虑通过使用比水具有更高折射率的浸没流体可以提高光刻能力。在考虑替代方案时，有许多技术问题需要解决。水是
因此，这是一种极为方便的材料，可作为浸泡液使用
有几个重要特性：
1. 半导体行业在廉价生产超纯水方面有着相当丰富的经验。
2. 水是无毒的，这对工人安全和处理成本都有影响。
3.水与通常用于制造扫描仪的光阻和材料兼容。4. 水和许多材料之间的表面张力有利于密封。18
5.水在193nm的光下是稳定的。
6. 水的粘度足够低，可以快速扫描。
任何替代水的液体都需要具备这些特性，否则就需要额外的工程工作来解决任何缺点。
已经开发出高折射率浸渍液体候选，折射率介于1.62和1.66之间，比水浸渍光刻具有13-16%的分辨率潜力。然而，这类材料遇到了一些问题，涉及在ArF光照射下的流体分解，这可能包括底部透镜元件的污染。20通过循环和重新净化液体，可在相当大程度上减轻分解问题。这些液体的再利用很重要，因为它们的成本比水高得多。
随着浸没流体折射率的增加，需要考虑额外的物理因素。考虑图10.10所示的情况。当玻璃的折射率大于流体的折射率时，玻璃-流体界面的折射有助于产生高数值孔径，因为光在玻璃-流体界面的折射偏离法线。如前所述，θ1在透镜中的大小有实际限制。增加液体密度直到其大于液体密度，这是一个损失的命题，因为较大液体折射率下NA的增加将被θ2的减少所抵消。因此，增加nf luidonly直到等于snglass才有价值。表10.2给出了各种候选透镜材料在193 nm处的折射率。
从表中可以看出，在不使用熔融石英和氟化钙以外的材料制造底部透镜元件的情况下，将流体的折射率提高到高于水的折射率几乎没有价值。
一种材料搜索确定了一种材料，镥铝石榴石(Lu3Al5O12)，具有λ=193 nm的高折射率，具有足够低的双折射，透镜制造商可以考虑使用它作为透镜元件。然而，在生产高透明度和均匀性好的晶体方面进展缓慢。透明度的问题不是由晶体的基本吸收引起的，而是化学杂质的结果。由于改进速度缓慢，生产透镜质量的镥铝石榴石晶体的努力已经减少。另一个降低晶体开发速度的原因是开发满足所有要求的高折射率浸没液的挑战，否则就不需要高折射率晶体。
假设可以确定高折射率透镜材料和高折射率浸渍液，并且可以找到所有相关技术问题的解决方案，还有一种材料需要解决，那就是光刻胶。如第4章所述，当p偏振光的阻光板上的大入射角时，图像对比度降低(见图4.3)。即使在中等数值孔径下也能有良好成像的唯一原因是阻垢剂与空气或流体界面的折射。要想通过这种折射来提高图像对比度，就必须使光阻的折射率大于流体的折射率。
对于大多数化学放大电阻，n≈1.7，因此该条件满足水作为浸没液以及大多数高指数候选液的要求。然而，要取得比以前更好的成绩∼分辨率提高15%，需要折射率大于1.7的光阻。
考虑到使用折射率大于水的液体(液体本身、高折射率透镜材料和高折射率电阻)的浸没式光刻所面临的所有挑战，高折射率浸没式光刻在制造上很可能不会追求193nm的高度。下一步将考虑使用波长小于193 nm的更高分辨率的潜力。
10.5 The Shortest Wavelength
虽然早期关于光学光刻结束的预测在细节上是不正确的，但事实是衍射限制了光学光刻的潜力。在什么样的特征尺寸下，衍射最终击败了独创性和发明?为了预测光学光刻的局限性，首先需要确定可以使用的最小波长，因为更短的波长将使更好的分辨率和可管理的聚焦深度，所有其他都保持不变。
如第5章所讨论的，光刻是在有强烈的近单色光源的波长进行的。在193nm以下有一些光源的选择，但如果它们符合用于半导体制造的条件，它们都需要进一步的发展。f2准分子激光器发出157纳米的光。几年来，157纳米光刻被认为是一种潜在的解决方案，但进展缓慢。熔融二氧化硅不可能获得足够的透明度来作为透镜材料，这意味着所有的折射透镜元件都需要由结晶型ecaf2制成。要制备出具有足够透明度、均匀性和低双折射的大晶体是非常困难的。也有抵抗的挑战。氟化学要求获得必要的光阻透明度，但良好的抗蚀性能仍然是难以捉摸的，即使是这样的材料。当它变得明确，水浸式光刻是可行的，并可以扩展光学光刻甚至比(非浸式)157nm光刻进一步，f2光刻不再是强烈追求作为光刻技术的选择。
在157 nm以下，已经演示了工作在126 nm波长下的Ar∗2激光器，但可靠性和重复率需要改进。126nm的材料损伤是一个特别的问题。27也有可能在121.5 nm处利用氢Lyman-α线。28然而，假设能够开发出光刻光源，还有其他问题更有可能阻止光刻扩展到126nm或121.5 nm波长。在ar∗2和Lyman-α波长中，透明材料很少，包括LiF、CaF2和mgf2 .29。除了CaF2之外，这些材料没有很好地开发，需要做更多的工作来证明它们适合用于高分辨率镜头。需要注意的是，所有这些材料都是双折射的，这大大增加了镜头设计的复杂性。
尽管目前还没有任何已知的东西不能通过集中的工程工作来克服，但在进行F2光刻时，CAF2的改进进展缓慢，这表明了工程挑战的严重性。
掩膜比光源更棘手，可能是无法克服的问题。光学光刻，就目前的做法，涉及传输掩模。不再使用传播口罩将是一个重大变化。传播口罩的材料必须满足以下几个要求。首先，透明度显然是一个先决条件。这一要求大大缩短了潜在衬底材料的清单。其次，热稳定性是另一个重要特性，以便在掩模制作过程中保持足够的配准。当使用电子束刻录机制作口罩时，这个问题尤为严重。正如在第7章中讨论的，在电子束能量在10到50 keV之间的照射过程中，大量的能量沉积到掩模衬底中，这导致衬底发热和机械变形。30熔融二氧化硅是目前用于掩模衬底的材料，与其他在157 nm和更短波长下透明的材料(如caf2和baf2)相比，它的热膨胀系数非常低。熔融石英的热膨胀系数为0.5 ppm/K，而caf2的热膨胀系数则高达19 ppm/K。在熔融硅胶板上，0.1 K的温度变化将导致在100 mm范围内出现5 nm的配准误差，如果以可预测的方式发生，这种配准误差很可能得到充分纠正(假设4×reduction光学)。对于用mcaf2制作的十字线，其配准误差接近100 nm。即使是90%的有效校正也不足以满足先进技术的覆盖要求，而且比0.1 K严格得多的温度控制是不现实的。只有熔融石英具有足够小的热膨胀系数，可以作为一种实用的掩模材料。因为熔融二氧化硅在波长仅比157纳米短几纳米时吸收太大，157纳米可能是最后一个“光学光刻”的候选波长，使用之前提出的光学光刻的定义。
当然，这是假设157纳米光刻工艺的所有元素都能被开发出来。在开发157纳米的掩模、光刻胶和曝光工具方面有许多项目，在实现157纳米光学光刻技术方面也取得了相当大的进展。然而，几乎所有157纳米光刻的发展工作都暂停了，因为193纳米浸没光刻似乎更有吸引力。
关于浸没式光刻，目前最关注的是ArF浸没式光刻，因为它提供了直接的影响，但浸没式光刻已经研究了157nm光刻。对于157nm光刻，水太容易吸收，不能用作浸没液。在157纳米处识别足够透明的流体一直是一个活跃的研究领域。
不管掩模制造和光源的问题能否被克服，目前还没有已知的波长小于110 nm的透明材料。因此，正如本章所定义的那样，这代表了光学光刻的真正限制。
然而，鉴于前面讨论的掩模热膨胀、透镜材料和电阻等问题，本章剩余部分将157nm视为未来理论上可实施光学光刻的最小波长，而从实用角度来看，193nm是最短波长。通过移动到较短波长来推进光学光刻技术的能力已经非常接近尾声
10.6 Improved Photoresists
在过去的三十年里，光刻胶质量显著提高。这是为什么可以实践低钾光刻的原因之一。然而，从抵抗能力的未来改善中获得巨大收益的可能性似乎降低了。这方面的一个例子是由于高抗反差而增加的侧壁角。如第二章所示，光阻侧壁夹角的正切与光阻对比度成正比。电阻对比度从低到高的增加会对电阻曲线产生显著的影响，但是当电阻对比度达到中等值时，进一步的增加会带来边际效益(见图10.11)。目前在光刻扩展用光阻化学方面的活动是开发具有浸没相容性的高对比度光阻。然而，这只是为水浸光刻提供了改进的能力，并没有提供显著的增强的光刻超越那。从抵抗能力的改进中获得的主要收益已经出现，现在的努力集中在保持这种位置上，但是在沉浸式环境中。改进后的光阻仍然有价值，特别是在减少线边粗糙度方面，但由于光光阻的改进，预计不会显著减少油墨。
除了抗反差的挑战，还有其他需要考虑的问题，因为抗反差特性会缩小到50纳米以下。一个问题是由曝光后扩散步骤中发生的模糊造成的，而另一个问题是在显影后图案的线边缘粗糙度。在曝光后的步骤中，光酸扩散并使化学放大的抗蚀剂失去保护作用。只要扩散发生的距离与线宽相比很小，这就不是一个基本问题
最近的测量表明，这一过程的扩散长度在10-30 nm的量级。当化学放大电阻首次广泛使用时，线宽约为350 nm。对于这些特征，光酸扩散的模糊不显著。然而，当特征值小于50 nm时，光酸扩散的影响就变得相当重要。
在曝光后烘烤步骤中，可以减少扩散量，但会有后果。首先，这种扩散在一定程度上改善了线边缘粗糙度。扩散越大，LER越平滑。减少扩散将需要采取额外措施，以使LER保持在可接受的水平。同时，大量的扩散使大量的化学放大成为可能。因此，减少扩散也会降低抗性的敏感性。这是将在第12章和第13章中讨论的一些技术所特别关注的问题。
10.7 Flatter Wafers
多年来，设备的地形对平版印刷提出了挑战。这种形貌导致了许多与电阻厚度变化(在第4章讨论)和基片反射率变化相关的问题。此外，焦距需要足够大，以便在整个地形高度上提供良好的成像。如0.7µm(±0.35)为典型。当工具聚焦控制为±0.4µm时，光学系统至少需要±(0.35+0.4)µm=±0.75-µm聚焦深度，才能提供良好的成像效果。对于g线光学，使用瑞利表达式计算焦距，这意味着最大NA约为0.4。这限制了分辨率不超过0.6µm。使用更短的波长后，情况有所改善，但由于设备地形造成的焦深预算的很大一部分仍然限制了高数值孔径光学的使用。
化学-机械抛光的出现消除了大多数器件的形貌，大大减少了与器件形貌相关的问题。光学系统所需的焦距降低了，因为不再需要在整个设备特征高度处成像良好。这使得使用更高的数值孔径光学技术成为可能，并使得光学光刻技术的扩展比以前认为的更大，因为使用化学-机械抛光降低了对焦深度的要求。
然而，晶圆只能被压扁一次。化学-机械抛光的好处已经几乎完全实现，这一过程不能为扩展光学光刻提供额外的帮助。与抗蚀剂和波长一样，通过减少晶圆的形貌来扩展光学光刻只能获得很小的增益，就像过去使用的那样。光学光刻已经超出了早先的预期，但这种扩展的方式提供了很少的进一步好处。然而，还有一些新的分辨率增强技术(如第8章中讨论的技术)还没有被充分利用，从而可以移动到lowerk1。现在考虑的问题是墨水可能降到多低。
10.8 How Low Can k1 Go?
从图2.13可以看出，当半距为0.25λ/NAor时，图像对比度为零。这是真实的，即使使用强大的分辨率增强技术，如偶极子照明或交替相移掩模。因此，物理定律对k1施加了0.25的限制。它只需要假设光学成像是线性的，并且涉及到一个单一的曝光步骤，这是一个真正的限制强加的自然法则。一个制造过程能有多接近k1=0.25是一个技术问题。
制造业中使用的钾的价值多年来一直在下降。由于ek1必须总是大于0.25，因此观察howk10=k1−0.25随时间的变化趋势是很有趣的。图10.12显示了k10的图形。可以看出，多年来在减少k1方面取得了相当大的进展，k1的值从20世纪80年代中期的~ 1.0下降到今天的~ 0.3。仅这种减少就说明特征尺寸减少了3倍以上，这代表了国际半导体技术路线图上的三个进展节点。然而，在未来不可能有类似的降低，因为ek1不能小于0.25。物理上最可能的还原是
这要求分辨率达到物理定律所允许的绝对极限。更有可能的最小值会稍微大一些，可能是1=0.28或0.27。因此，在未来，通过缩减油墨1，最小特征尺寸将有可能适度减少。
正如本章所描述的，过去为提高光刻技术而引进的几乎所有改进——更好的光刻电阻、更低的像差和更高的数值孔径、更平坦的晶圆和更短的波长——几乎都得到了充分利用。如何接近光学光刻的理论极限将在下一节讨论。
10.9 How Far Can Optical Lithography Be Extended?
基于本章迄今为止的讨论，光学光刻在其最终极限下包括以下内容:
1. 波长157 nm虽然157纳米光刻不能用于制造可能有实际的原因，λ=157纳米代表了光学光刻的波长限制，至少在原则上是这样。
2. 光刻胶在157 nm时是敏感的，但在工艺方面与成熟的KrF光刻胶性能相当。
3.完全实现双光束分辨率增强技术，如偶极子。4. 微不足道的设备地形。
5. 一种折射率为1.65的浸没液体。这假设透镜材料，如镥铝石榴石，可以生产足够的质量，因此高折射率流体可以开发。
这些是本节其余部分的假设。光学光刻技术是有限的，因为许多参数不能无限期地改进，而只能达到渐近极限。表10.3列出了这些关键示例。数学上的单位为1.0。在熔融石英透明度受到限制之前，可以使用较短的波长。晶片平整度可以提高，直到晶片平整为止，然后就不可能再进一步提高了。光学光刻技术受到渐近线的限制。
由于光学光刻的分辨率受聚焦深度的限制，因此实际需要的自由度是问题的核心。如果曝光工具焦点可以控制在±25nm范围内，而不是说±100nm范围内，那么光学光刻的极限就大不相同了。在讨论光学光刻的极限时，另一个相关的问题是透镜像差可以减少的程度。具有20 nm场曲率的透镜比仅具有5 nm场曲率的透镜具有更小的性能。
如今，ArF过程中K1<0。这些都很常见。对于这些过程，使用当前可用的1对<90 nm的间距进行成像。35-NA镜头。如果我们假设157nm透镜和n=1的浸没液可以产生类似的θ值。如果可以使用65，再加上支持这种流体的玻璃材料，则可以产生27 nm的线和空间，K1=0。27和大约±36 nm的聚焦深度[等式（10.4）]。具有这种聚焦深度的光刻将需要具有非常小的场曲率和像散的透镜、聚焦控制为10 nm（或更小）的曝光工具、可忽略的器件形貌和极其平坦的晶片。然而，这样的过程并非不可能。即使我们将NA（1.35）、k1（0.28）和波长（193nm）限制为保守值，也可以实现40nm的分辨率。所有这些估计表明，光学光刻的最终极限在27 nm到40 nm之间。超出此范围，将需要22 nm节点，例如，在形式上与本书中迄今为止描述的光学光刻不同的光刻方法。光学光刻可以扩展到非常低的K1值的程度取决于第8章——光学邻近校正、离轴照明和相移掩模——中描述的所有方法的成功程度。实现特定技术的能力取决于应用程序。例如，可以通过使用离轴照明来增强高度重复结构（例如在存储器中发现的结构）的成像，但对于孤立的特征，其益处较小。
第八章介绍了几种分辨率增强技术：光学邻近校正、相移和离轴照明。与这些技术中的每一种相关的问题最好根据需求来理解。存储器、逻辑和特定于应用的集成电路的约束都是不同的。对于存储器来说，目标是将大量的位封装到硅的给定区域中。内存由位使用，增加密度以更低的价格提供更多的位。内存业务非常依赖于每比特的制造成本。
对逻辑的要求有些不同。在制造效率方面，封装密度无疑是一个重要因素，特别是对于具有大量板载高速缓存的微处理器而言。然而，处理器速度对零件的价值有很大影响。图10中显示了Windows兼容微处理器的情况。13零售价格与处理器速度密切相关。显然，消费者愿意为更高性能的微处理器支付更多的钱，这促使微处理器制造商实现性能最大化。快速芯片需要快速晶体管，这通常需要较短的栅极长度。处理器可靠运行的速度通常受到部件上最慢的晶体管的限制。因此，不希望具有长栅极长度的晶体管。另一方面，栅极过短的晶体管可能会发生电气故障，或者由于泄漏而导致功耗浪费。因此，不希望闸门太长或太短。对于微处理器，线宽控制至关重要。
逻辑门的线宽控制要求已纳入半导体的国际技术路线图中，总结见表10。4.这些要求非常严格，即使是线宽控制中最小的不利因素也需要解决。考虑光学邻近校正的问题。这些应用的精细程度是有限的，特别是在存在较大掩模误差系数（MEF）的情况下。这个问题可以用一个假设的例子来说明。假设需要进行3nm等密度调整。对于4×分划板，这表示12 nm的调整，如果MEF=1，且光束写入器在5 nm网格上写入，则在掩模上进行10 nm校正后将出现2 nm的残余误差。如果mef=1，则结果为0。晶圆上的5-nm误差，这可能被认为是可接受的。然而，当MEF=4时，晶圆上的误差将为2 nm，这相对于45 nm节点和更高节点的线宽控制要求而言是非常显著的。
其价值如图所示。1014和10。15，其中120 nm的线宽目标在一系列间距上进行模拟。没有光学邻近校正，线宽变化很大（图10.14）。如图10所示，通过在几个不同的节距处调整掩模CD，它们显著减少。15然而，即使使用这些光学邻近校正，也存在一些残余线宽变化，即使在最佳焦距下也是如此。这是在掩模上仅20 nm网格上进行校正的结果。掩模可以在更细的网格上制作，但这会增加成本。
还有一些“禁止”的音高35，其聚焦深度比其他音高要差得多。对于某些技术来说，这种变化可能是可以容忍的，但对于高性能微处理器来说则不然，因为高性能微处理器需要非常严格的栅极线宽控制。改变参数，如数值孔径和部分相干，只会增加图10.15所示的变化，尽管特定的禁止音高范围可能会改变。这不是可以通过光学邻近校正来校正的问题。问题在于焦距范围内的焦深，而不是最佳焦距下的CD变化。
虽然存储器可能没有高性能逻辑所需的栅极线宽控制的特殊挑战，但还有其他非常重要的光刻挑战。考虑添加锤头来解决线缩短的问题（图8. 17）。对于大间距的图案，有增加锤头的空间，但是考虑图10中所示的存储器阵列图案。16当特征密集时，几乎没有空间添加用于光学邻近校正的特征。幸运的是，密集型内存阵列正是适用于重复模式的分辨率增强技术最为有利的情况。
存储器和大容量微处理器的制造商可以匹配他们的设计和光刻工艺。存储器可以以一定的间距布置，以实现某种程度的光学邻近校正，并且可以设置在可以在预定照明条件下良好成像的间距上。铸造厂面临着更大的挑战，他们预计将生产设计给他们公司的产品。实现设计的最大灵活性，同时提供领先的光刻能力是一个挑战，需要对布局进行一些限制，以实现可能的最密集布局。
许多分辨率增强技术，如离轴照明，在较窄的音高范围内具有最大的优势。对于高性能逻辑应用，使用这些特定于间距的技术，在具有许多间距、方向和配置的布局上使用随机逻辑，很难获得非常精细的线条特征的高质量图案。要在窄间距上实现非常严格的线宽控制，只需对少量间距进行填充。
出于这个原因，已经开发出了将设计转化为“光刻友好”布局的方法。这些方法统称为可制造性设计（DFM）。在DFM的保护下，有许多方法可用于提高产量和减少可变性：
1. 识别和消除流程窗口非常小的设计布局。例如，这可以通过在整个聚焦剂量处理窗口中确定光学邻近校正，而不仅仅是在最佳聚焦和剂量下确定光学邻近校正来实现（见图10.15）。这个例子说明了人们所说的OPC和DFM之间没有明显的分界线。
2. 对布局的重大限制。长期以来，设计规则一直被用来限制设计中允许的特性。多年来，这些规则非常简单，通常由允许的最小特征尺寸的声明组成。随着时间的推移，增加了更多的规则，例如要求所有接触孔的大小相同。最近，高性能逻辑的制造商已经将所有晶体管门定向在一个方向上，以减少可变性。这些对规则的重大改变需要范式的改变，设计师和石版印刷师一起工作来生成设计规则。设计规则的更大复杂性需要广泛的开发工作，涉及设计师和光刻机，良好的设计工具极大地促进了实现。
3. 过程感知设计规则，包括电气规则。平版印刷的变化将对电气特性产生影响，通常超出了在简单线条和空间图案中看到的变化。例如，光学邻近效应将改变嵌入复杂图案中的晶体管栅极的形状，而不仅仅是线宽的简单偏移（图10.17）。在这种情况下，晶体管的电气特性通过将栅极断开为可变长度的段来确定。
可制造性设计通常需要考虑的不仅仅是单层，因为通常涉及布局修改。图10中示出了这方面的示例。18在这种情况下，布局修改是实质性的，并且涉及多个设备层。
要将光学光刻技术扩展到浸水光刻技术的极限，还有许多挑战需要克服，甚至更大的挑战需要扩展到浸水光刻技术的极限。无论如何，27nm似乎是常规光学光刻的明确限制。下一节将介绍一种可能的光学方法，该方法涉及一种有潜力在22nm节点下形成图案的范例，非光学技术将是本书最后两章的主题。
10.10 Double Patterning
光学光刻分辨率的限制是对可以打印的最小间距的限制，而不是单个特征的大小。因此，对非常密集的音高进行图案化的一种方法是在一次曝光上打印每一行，然后在后续步骤中打印中间的行。由于抗蚀剂溶剂通常会溶解晶圆上的抗蚀剂图案，因此已采用各种双图案方法来解决此问题。图10中示出了一种这样的方法。19在这种情况下，将第一光刻步骤的图案转移到硬掩模中，在硬掩模上可涂覆、曝光和显影第二图案操作的抗蚀剂。这种方法明显地增加了工艺复杂性和成本，用两种这样的操作取代了单一的光刻和蚀刻步骤，同时增加了硬掩膜沉积和去除。
虽然图10.19捕捉到了双重图案的基本概念，但在理想化的插图中没有完全捕捉到光刻机需要关注的许多细节。例如，第一次和第二次曝光之间的平均线宽可能存在差异，这将增加线宽分布的方差。如果第一个图案（包括蚀刻）的线宽标准偏差为σ1，线宽平均值为µ1，而σ2和µ2是第二个图案的线宽标准偏差和平均值
不能自动假设σ1=σ2，因为第二个光刻步骤发生在第一个图形化步骤创建的地形上。例如，如第3章所述，底部减反射涂层和抗蚀剂的旋涂将受到地形的影响，因此可以考虑在第二图案化步骤中使用多层抗蚀剂工艺。
第一个和第二个图案之间的重叠误差将影响空间的尺寸控制（图10.20）。由于叠加的方差通常大于线宽的方差（来自单个图案），因此对于图10.20所示的示例，间距的方差将远大于线条的方差。如果第一次曝光和第二次曝光之间的平均叠加误差为µOL，则在这种情况下，抗蚀剂线是由单个图案操作产生的特征，该方程清楚地显示了叠加引起的空间宽度变化的增加
如果线比空间更为关键，这对于栅层来说是典型的，那么抗蚀剂的图案化线对于双重图案化过程来说是合适的选择，因为关键栅长度不受叠加误差的直接影响。但是，在某些情况下，空间可能被认为比直线更重要。例如，在大马士革金属工艺中，金属线由空间定义。如果主要关注的是电阻，可能还有电迁移，那么前面的分析表明，过程控制可能会受到叠加的严重限制。避免这种情况的一种方法是将空格打印为主要特征，如图10所示。21这方面有一些困难。对于非常小的特征，使用正抗蚀剂比抗蚀剂线条更难打印空间，即使是在松散的间距上。负色调抗蚀工艺可以提供一种解决方案。
另一种减少叠加对空间宽度控制的影响的方法是使用垫片来实现紧密的间距。40该方法如图10所示。22在这种方法中，在松螺距上创建图案，然后用保形薄膜涂覆。然后，在一个非常类似于多年来在栅极上制作间隔物的过程中，对薄膜进行各向异性蚀刻。可以看出，间隔过程消除了关键尺寸对覆盖层的依赖性。
但是，可能会出现相反的情况。垫片工艺中使用的尺寸不正确的芯模将导致垫片定义特征的错位。间隔工艺将需要额外的平版印刷和蚀刻步骤，以去除线末端可能不需要的特征（图10.23）。
双图案已在图中示出。1019–10. 23具有线条和空间图案。这是合适的，因为双图案试图解决的问题是创建紧密的间距，并且这种工艺已经被应用于打印闪存中的密集光栅结构。然而，实际电路的模式远不止由简单的线和空间组成，特别是对于核心之外的逻辑和存储器（图10.24）。
可能不可能分解双图案工艺的布局，如果要使用双图案来缩小使用单次曝光生成的图案，则需要修改电路布局。
到目前为止，本节中描述的双图案工艺非常复杂，涉及多个薄膜沉积、光刻步骤和蚀刻。为了降低总体成本，已经努力减少该过程中的步骤数量。图10所示的过程的一个变化。19是从第一图案化步骤“硬化”或“冻结”抗蚀剂特征，以便可以直接在第一抗蚀剂图案上涂覆另一层光致抗蚀剂，而不会使晶圆上已经存在的抗蚀剂特征被第二图案化过程的抗蚀剂中的溶剂溶解。冷冻抗蚀剂的方法包括真空紫外（VUV）泛光曝光、41化学硬化和42设计可通过高温烘烤硬化而不流动的抗蚀剂。43类似地，可以通过在足够低的温度下沉积间隔层来简化间隔层工艺，从而使它们可以直接沉积到抗蚀剂图案上。
双图案是一种克服单次曝光固有物理分辨率限制的方法，并在具有比单次光刻步骤中可以形成图案的间距更小的晶圆上创建图案。
这种方法增加了光刻的复杂性和成本，主要是通过将生成电路层的处理步骤数量增加一倍，但它确实使光学光刻得以显著扩展。需要修改设计布局，以便将其分解为两个掩蔽步骤。出于这个原因，仍然有动机寻找分辨率超过ArF浸没投影光刻的光刻技术。下一节将介绍在实验室环境中使用的一种方法，第12章和第13章将讨论在大批量制造中使用的技术。
10.11 Interferometric Lithography
一种有可能成为光学光刻技术的方法是干涉光刻技术。这种方法依赖于两个相干平面波相交时产生的小间距光栅。假设两个平面波Aeik（xsinθ−zcosθ）安代克(−xsinθ−zcosθ）相交（图10.25），其中k=2π/λ，λ是光的波长。产生的光强度由下式给出：
用钕钇银激光器输出的1064nm光倍频5倍，可以产生213nm的连续波双波长光。对于θ=60度，这将导致123 nm的螺距。将半音高等同于分辨率，该技术可提供70 nm以下的成像能力
干涉光刻术的一个潜在优势是，可以使用折射率高于水的流体在浸没结构44中扩展干涉光刻术。在这种系统中，使用棱镜耦合光（图10.26）。由于光栅可以使用单偏振光在一个方向上创建，因此棱镜可以由双折射水平过高的材料制成，无法用于透镜。其中一种材料是氧化铝，在λ=193nm处折射率为1.92。
干涉光刻技术是一种能够对极细间距的光栅进行图案化的技术，是制作高分辨率光学光栅的一种非常有用的方法。将此技术扩展到随机逻辑模式的模式化并不那么简单。已经提出了一些方法，46,47但尚未进行商业尝试来实施这些方法并验证其实用性。尽管如此，干涉光刻术已被证明是研究基本抗蚀剂问题的有用方法，例如在暴露期间浸入液体时抗蚀剂的行为。干涉光刻术对于实验室来说是一种有用的工具，即使它还不能实际用于集成电路的图形化。
光学光刻技术扩展到极限需要解决许多问题。其中包括第8章中所述主题的全面实施，以及镜头、曝光工具和遮罩的进一步改进。虽然可以找到解决这些问题的技术解决方案，但其成本成为一个问题。光刻的成本是下一章的主题。
