Immersion system 简介

浸没系统和组件
本节将介绍浸没系统的硬件方面。从浸没系统的配置开始，内容包括浸没液、浸没透镜、气泡、微粒、掩模和光刻胶。
浸没系统的配置
基于透镜的配置 (LBC)，也称为喷淋配置如图 7.39 所示，涉及将浸没液施加到覆盖透镜的小区域并从中抽出，当晶圆被步进或扫描时，它相对于透镜是静止的。采用 LBC 的动机有很多：
(1) 晶圆台与干式系统的晶圆台基本相同。它节省了开发成本和时间。
(2) 可以保持对准、聚焦和调平设置不变。
(3) 流体体积小。填充腔体可以非常快，从而保持晶圆吞吐量。
可预见的问题包括：
(1) 在晶圆边缘附近，浸没区域包括晶圆和晶圆外部区域。晶圆和卡盘之间以及晶圆卡盘和卡盘外部区域之间存在不连续性。保持流体动力学和水腔以及管理水提取可能更加困难。晶圆背面的颗粒往往会被冲到表面。
(2) LBC 头往往会留下微量的水或水分，这是水渍的根本原因。
(3) 光刻胶在不同位置的接触水历史会不一致。随着晶圆从一个区域移动到另一个区域，相邻的区域（或其中的一部分）会被水覆盖。这种情况可能会在一个区域发生几次，不一定是按顺序发生的，也不一定在每个区域发生的次数相同。这取决于步进模式和区域的位置。

基于晶圆的配置 (WBC)，也称为浴槽配置，30 涉及在晶圆台期间将晶圆完全浸入充满水的循环槽中，如图 7.40 所示。水在台下和台上不断循环。当它进出晶圆表面区域时，会经过过滤和温度调节。水可以完全排出以进行晶圆的装载和卸载。盖子可防止水溢出和异物落入。WBC 的优点是：
(1) 晶圆边缘的曝光与中心的曝光没有区别。
(2) 每个场接触晶圆的时间相同。
(3) 不必担心 LBC 头外部会留下水渍。
(4) 晶圆边缘附近流体动力学不良产生的气泡不是问题

缺点包括：
(1) 每个曝光场的曝光前和曝光后浸泡时间不同。
(2) 需要更多精力或更多时间来注水和排水。
(3) 如果不使用双台，则必须在浸没模式下进行聚焦、倾斜和对准。但是，从公式 (7.10) 可知，如果在流体中进行聚焦和倾斜，并且能够克服实际困难，则所需的 DOF 会减少。
(4) 需要对晶圆台进行大量重新设计。

浸没介质
浸没流体的光学要求是高折射率和高透射率。其折射率应一致且均匀，不受曝光期间热变化的影响。表 7.6 列出了 193 nm 和 157 nm 光的各种浸没流体 5。全氟聚醚材料的吸收系数太高。为了将通过流体的光损失限制在 10% 以内，其厚度必须保持在 75 μm 以下。在 193 nm 处，吸收系数仍然太高。另一方面，水似乎是 193 nm 处浸没的完美介质。它的吸收系数不仅低，而且折射率在 193 nm 处也出奇的高。在大多数其他波长下，水的折射率在 1.33 左右。
Burnett 和 Kaplan 严格测量了水的折射率及其在 193 nm 处的热灵敏度和光谱灵敏度。31,32 他们使用了两种独立的方法来相互校准。第一种方法是将棱镜流体池装满水。通过精心控制棱镜的角度、测量入射光和折射光的偏转角，并使用完全平行、非常平坦且光滑的熔融石英标准具板作为流体池的窗口，可以将三个光学常数确定为优于五位数字。第二种方法是从装满水的标准具池测量透射光谱中的干涉条纹位置。该方法的精度也优于五位数字。在 21.5° C 和 193.39 nm 时，水的折射率和热灵敏度及光谱灵敏度分别为 1.43662、–1.00 × 10–4/° C 和 –0.002109 nm–1。浸没波长为 193.39 nm。它用于所有关键计算。一些不太重要的计算使用早期出版物中给出的 1.46 值

折射率较高的流体可以支持较高的 NA。但是，这并非没有限制。表 7.7 列出了透镜、耦合器和光刻胶介质中的 sinθ 以及可实现的 NA。假设透镜中的最后一个元件是一块熔融石英，其折射率为 1.56，光刻胶层的折射率为 1.75，nfluid = 1.44 和 sinθfluid = 0.95，则可实现的 NA 为 1.37。将流体的折射率提高到 1.56 会导致 NA = 1.48。将流体的折射率进一步提高到 1.66 会遇到 sinθlens 为 1.01 的物理上不可能实现的问题。必须将流体中的角度削减至 sinθfluid = 0.93 以保持 sinθlens < 1。NA 现在限制为 1.54。除非允许最后一个透镜元件具有凹面，否则流体折射率的任何进一步增加都无法支持更大的NA，如图7.41所示。曲率使流体的厚度不均匀，导致流体传输要求高于193nm处的水。这使得开发折射率高于1.66的流体更加困难。

除了浸没流体的光学特性外，还必须考虑流体的许多材料特性。首先，流体不能对其接触的表面（即光刻胶表面、透镜及其抗反射涂层）造成任何物理或化学变化。此外，它不能在这些表面上沉积污染物。它需要具有较大的气体溶解能力，以便任何形成的气泡都容易溶解。粘度应较低，以便它可以自由流动并且不会减慢晶圆扫描速度。流体与光刻胶表面或光刻胶上的顶层涂层材料的接触角（如果使用）应仔细优化。角度太小会导致水残留在镜头浸没头外部区域。角度太大，扫描过程中可能会产生气泡。在显影过程中，最好使用较小的接触角，以便更好地润湿显影剂。
浸没介质的厚度应根据光学和流体动力学考虑来确定。从光学角度来看，除了可接受的透射率外，厚度还直接影响像差对折射率变化的敏感性。Suzuki33 使用以下公式确定流体厚度 D 与流体中成像光束的角度 θ 之间的关系：

其中 m 是成像波前不能偏离理想波长的波长分数。Suzuki 假设流体可以控制在 0.01°C。使用 Burnett 的 dn/dT 数，1.00 × 10–4/°C，Δn = 1 × 10–6。当 sinθ = 0.95 时，D ≤ 3.1 × 105mλ。设 m = 0.02 和 λ = 193 nm，D ≤ 1.2 mλ。图 7.42 绘制了 D 与 sinθ 的关系。
流体厚度还必须满足流体动力学要求。Flagello 等人 28 从层流要求和投影透镜上可接受的剪切力中获取极限，使用流体的密度和粘度来设置流体厚度和扫描速度之间的关系。他们发现流体厚度在 1-2 毫米之间，仅需几毫牛顿的干扰力就能支持近 500 毫米/秒的扫描速度。

浸没式透镜
浸没式透镜的挑战因所需的 NA 而异。当要保持干式系统的 NA 时，如图 7.4 所示，设计和制造浸没式透镜并不困难。从干式到浸没式的主要变化是缩短工作距离，以利用所需的短光学距离来最大限度地减少不均匀性的影响。然而，当需要 NA > 1 时，透镜中的弯曲角度更难控制。28,29 当 nCM = 1.44 时，一些透镜设计师认为设计极限是 1.3~1.35。ii 透镜的场尺寸可能必须减小，以使投影光学器件的尺寸保持在物理和经济可行性范围内。众所周知，场尺寸减小会大大降低曝光工具的生产率。经济考虑将决定这些选择的可取性，以及采用不同的光刻系统。
必须区分使用浸没式光刻技术来达到 DOF 和分辨率极限。对于前者，它延长了现有成像系统在近期新技术节点（如 65 纳米节点）中的使用寿命，并扩大了这些系统的制造裕度。对于后者，没有干式系统可以与这些应用相媲美。浸没式光刻的局限性在于所有干式系统都停止工作。
浸没介质中的气泡
浸没介质中气泡的影响主要是以散射的形式重定向成像光，从而降低图像对比度。散射效应是气泡大小和数量以及与光刻胶表面距离的强大函数。
Marston34 研究了海水中气泡引起的光散射。他使用米氏理论以及物理和几何光学近似，分析了简单气泡和表面有异物涂层的气泡的情况。他的研究与浸没式光刻技术相关，包括气泡的全反射、临界角处的角度平均散射、增强背散射和气泡上的光辐射压力。感兴趣的读者可以在他文章的参考文献中找到更多工作。马斯顿对简单气泡和涂层气泡寿命的解释适用于浸没式光刻技术。简单气泡很容易溶解在悬浮液中。额外的涂层是气泡不溶解的主要原因。我们必须确保水中没有有害杂质来保护气泡。幸运的是，马斯顿表明两种类型气泡的散射幅度相似。

图 7.43 显示了 Marston 所研究的情况。图 7.44 绘制了半径为 a = 4.3 μm 的气泡的归一化散射辐照度 Ij 与散射角（即散射光与光轴的夹角）的关系。散射光和入射光的物理辐照度 ij 和 iinc 与 Ij 的关系如下：

Sj 是米氏系列的复杂散射振幅。TE 极化用 j = 1 表示，TM 用 j = 2 表示。R 是气泡与观察点之间的距离。R 必须位于远场，结果才能准确。Marston 没有指定 R 的起点，因为他主要关注远场。我们假设 R 的起点是气泡在相当远场的中心。取 R = 0.5 毫米，这是拟议的 1 毫米浸没流体厚度的一半。ij / iinc = Ij × 1.8 × 10–5。对于 4.3 微米的气泡，散射辐照度非常小，除了一小段小散射角。但当气泡更靠近光刻胶表面时，ij / iinc 可能会大得多。因此，气泡与光刻胶表面的距离是一个非常重要的因素。
尽管 Ij 仅针对一种气泡尺寸绘制，但我们已使用它来深入了解这种尺寸范围的气泡在光学成像中的重要性。使用 Mie 级数检查我们的工作结果也很有用。35 图 7.45 显示了尺寸为 100 nm、1 μm 和 10 μm 的气泡的散射光谱。4.3 μm 气泡的 Marston 结果符合我们的 1 μm 和 10 μm 光谱范围。Marston 光谱的形状类似于我们的 10 μm 情况。请注意，我们在 193 nm 处使用了 nwater = 1.44，而 Marston 在可见光波长处使用了 nwater = 1.33。

Gau 等人 使用统计方法和用 Mie 理论评估的散射截面来研究气泡对成像的影响。当发生这种情况时，一组气泡重定向的能量

掩模
首先，浸没式光刻的掩模受影响最小。掩模上的照明波长不变。干式系统中使用的所有材料均保持不变。这些材料包括空白、吸收器和薄膜，以及制造工艺。是否需要浸没掩模？在 4X 缩小系统中，即使晶圆侧的 NA 为 1.3，掩模侧的 NA 也仅为 0.325。无需浸没掩模即可将 NA 增加到 1 以上。

亚波长 3D 掩模
尽管需要改变掩模的一般配置和材料，但浸没式光刻技术能够将给定光频率的分辨率极限扩展到即使特征尺寸放大 4 倍仍使掩模图案达到亚波长的程度。例如，晶圆侧的 32 nm 变为掩模侧的 128 nm。它只有 0.66λ。亚分辨率辅助特征在掩模上可以小到 0.15λ。掩模上还有其他亚波长特征，例如光学邻近校正 (OPC) 引起的夹具和槽。在这种情况下，必须考虑掩模图案的 3D 特性和偏振效应。预计掩模衍射与特征方向、吸收器厚度和轮廓之间存在依赖关系。OPC 必须能够考虑到这种影响。否则，必须采取其他措施。此外，制造包含非常小特征的掩模也存在困难。从晶圆成像方面来看，随着 NA 变得非常大，透镜的尺寸、材料和制造成本可能难以承受。
可以通过将透镜的场尺寸从公认的 26 × 33 mm2 标准减小并将缩小率从 4X 增加到 8X 来缓解这些问题。透镜设计和制造变得更加宽容。掩模制作也变得更加容易，只需用更少的特征数量覆盖更大的特征。CD 控制和循环时间自动得到改善。因此，场尺寸减小和减小增加相辅相成，可以节省成本。它们引起了潜在受益者的关注。
场尺寸减小的唯一问题是场尺寸较小导致曝光工具的生产率损失。在较小的场中花费的时间增加，从而降低了曝光工具的晶圆吞吐量。之前关于从 4X 到 5X 掩模的生产率损失的研究 36 表明，4X 和 5X 之间的成本差异约为 10%。4X 和 8X 之间的成本差异将显著增加。
请注意，在由 30~40 个掩蔽层组成的整个半导体制造过程中，如果只有一个层具有需要较小场尺寸的工具，则所有其他工具都必须重置其场尺寸，除非可以实现极好的场拼接。工具的成本节省可能适用于某一层，但生产力损失会影响所有其他层。完美的拼接是扫描仪扫描方向所固有的。要以这种方式增加场尺寸，必须使用更大的掩模，例如 9 英寸掩模而不是 6 英寸掩模。与晶圆尺寸的变化类似，整个行业都必须支持这一举措。
因此，生产力损失是迄今为止最主要的因素。除非物理定律禁止，否则不应增加掩模放大率。在采取增加缩小率和缩小场的激烈措施之前，可以使用固体浸没式掩模 来延迟物理定律的限制。

光刻胶
与任何类型的光刻技术一样，光刻胶是浸没式光刻技术中不可或缺的组成部分。没有它，掩模图像就无法成功复制和转移。幸运的是，在浸没环境中曝光和显影光刻胶没有遇到任何严重问题。38 一些浸没式光刻胶在显影过程中会出现图案坍塌，但许多光刻胶不受影响。
除了高折射率、低光吸收和最小排气的光学要求外，光刻胶还必须经受住与水接触的片刻。最长的接触时间是在 WBC 中曝光晶圆的时间。以每小时 100 个晶圆的速度，每个晶圆与水的接触时间约为一分钟。使用 LBC，接触时间减少了约 1/50，但根据步进扫描方案，某些区域可能会重新接触。在与水接触期间，光酸、光酸生成剂或树脂等材料会渗入水中。水也会渗入光刻胶中。后者会影响光刻胶的显影特性，而前者则可能成为镜头的污染源或气泡的表层，阻止其快速溶解。如果这些材料交换依赖于曝光，那么曝光和显影均匀性可能会受到影响。
除了水接触时间外，光刻胶的水接触角也很重要。39 与通常的接触角测量方式不同，它使用倾斜表面上的水滴来测量，以模拟在 LBC 系统中扫描和步进期间浸没头在晶圆上拖动水的情况。图 7.47 显示了倾斜晶圆表面上的水滴、后退和前进接触角以及静态接触角。前进角表示前进浸没头以及具有后退角的后退浸没头的润湿性。后退接触角影响水渍，前进接触角影响气泡形成。

为了更有效地控制接触角并将光刻胶材料与浸没流体隔离，通常使用面漆。这种面漆在处理过程中的作用类似于 TARC。为简化工艺，最好在显影过程中去除面漆。有些面漆需要单独的溶剂去除步骤。最初，后者更有效。然而，由于需要简单，显影剂可去除的面漆发展迅速。最终，从成本角度来看，单层光刻胶无面漆是最优选的工艺。面漆的必要性并不明显。有些光刻胶在没有面漆的情况下也能完美工作。与其过于保守地指定浸出规格（从而导致光刻胶材料的选择有限，并且需要面漆），不如进行有效的定期清洁，以更好地防止镜头污染。
光刻胶的折射率决定了空间频率复合的角度，而这又会影响 PDS。因此，除非在光吸收、成像性能或其他光刻胶加工特性方面存在折衷，否则光刻胶始终优先选择高折射率。