浸入式光刻设备的研究方向

光刻机是生产大规模集成电路的核心设备，制造和维护需要高度的光学和电子工业基础，世界上只有少数厂家掌握。因此光刻机价格昂贵，通常在3，000至5，0000万美元。

1984年，日本人Takanashi在一项美国ZL中定义了浸入式光刻机Z基本的结构特征，即在Z后一级物镜与光刻胶之间充入一层透明的液体。

浸入式光刻是指在光刻机投影镜头与半导体硅片之间用一种液体充满，从而获得更好分辩率及增大镜头的数值孔径，进而实现更小曝光尺寸的一种新型光刻技术（图1）。

让我们看一下光刻系统分辨率的Rayleigh方程：
           R=kλ/NA
式中λ是光的波长，NA是系统中透镜的数值孔径，k是分辨率系数，代表了所有的其它工艺变量。显而易见，减小曝光光源的波长并增加投影透镜的NA都可以提高分辨率。自从193nm波长成为主攻方向以后，增大NA成为了业界人士孜孜不倦的追求。表1是提高193nm ArF浸入式光刻机NA的方案。由此可见，浸入液、光刻设备和其它相关环节的紧密配合是浸入式光刻技术前进的保证。

将液体置于主镜头和硅片之间，入射光线自然而然地就会穿透比空气折射率更高的液体，这种方式本身并没有提高特定投影图像的分辨率，但是它却能够赋予光刻机的镜头更高的数值孔径。

NA=n sinα，其中n是透镜周围介质的折射系数，α是透镜的接受角。传统的“干法”光刻系统中，介质是折射系数为1的空气，则NA的理论Zda值为1。采用具有更高折射系数的液体，浸入技术有可能使系统的NA>1。比如使用折射率为1.44的去离子水后，NA的理论Zda值即为1.44。在193nm曝光系统中，分辨率R=kλ/NA就可以达到k*193/1.44=132mn。如果液体不是水而其它液体，但折射率比1.44高时，则实际分辨率可以非常方便地再次提高，也这是浸入式光刻技术能很快普及的原因。浸入式光刻的数值孔径大小是与使用液体的折射率是直接相关的。因此，人们正在着眼于寻找除水以外具有更大折射率的液体。

早在2005年SPIE Microlithography的年会上，JSR和DuPont等公司就已经公布了它们的高折射率液体的研发计划。在选择高折射率液体时，考虑的ZD包括：与光刻胶没有反应；光透过率高；折射率高；其它各种特性良好（表2）。已研发出的第二代浸入液的折射率为1.64，该液体氧气的吸收很少，即便被曝露于空气中性能也十分稳定。并且由于蒸汽压很低，所以很难发生热分解。这个折射率数值能够把193nm光刻机的有效波长降低到大约116nm左右。至于第三代浸入液，它的折射率应为1.8左右，同时还需要有更高折射率的镜头才能达到约1.65的NA值。

浸入液体在未来仍有许多问题亟待解决：什么样的液体更适合浸入式光刻的需求；液体的供给与回收；液体传输中的流速、气泡、温度、压力的控制；液体特性，例如流速、气泡、温度、压力变化对光学性能（折射率，吸收，散射、双折射、像差）的影响及其测量与控制；偏振光照明时，液体与抗蚀剂的相互作用；液体折射率与液体两侧元件折射率匹配；液体与光刻环境中相关元件的兼容性等。

对于光刻设备来说，镜头是制约发展的主要瓶颈之一。通过改善光学主镜头来提高光刻机NA的主要途径有两个：一是用弯曲主镜头替代平面镜头。但弯曲主镜头的表面很难控制浸入液体的流动，用于浸入式光刻机有一定难度；二是寻找高折射率的光学主镜头材料。目前193nm ArF浸入式光刻机主镜头折射率为1.56，IBM与JSR联合推出Nemo系统主镜头采用高密度石英材料，其折射率为1.6。

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