浸没式光刻浸没单元流动实验及改进设计论文

1、一、题目：浸没式光刻浸没单元流动实验及改进设计二、指导教师对文献综述和开题报告的具体内容要求：要求对浸没式光刻研究背景、国内外研究现状及浸没式光刻中的浸液传送系统进行文献综述，查阅相关文献15篇以上（其中外文文献不少于5篇），译文要求3000字以上，文献综述要求4000字以上。开题报告的主要内容应该包括：课题背景及研究意义、课题研究目标、内容、预期目标、初步研究进展、进度安排等，要求字数4000字以上。指导教师（签名） 年 月 日目 录文献综述11. 浸没式光刻技术背景12. 浸没式光刻的国内外研究现状22.1 浸没式光刻的技术方案22.2 主要研发机构及其研究进展32.3 产业化历程52.4 ITRS光刻工艺技术路线图62.5 研究热点与技术难题73. 浸没式光刻中的液体传送系统83.1 液体传送系统的研究意义83.2 液体传送系统研究热点84. 参考文献10开题报告121. 课题背景及研究意义121.1国内外研究现状121.2 浸没式光刻原理132. 课题研究内容、目标142.1 研究内容142.2 预期目标143. 初步研究进展143.1 采用气密封的浸没单元设计153.2 依靠

2、表面张力密封的浸没单元194. 进度安排205. 参考文献20文献综述1. 浸没式光刻技术背景浸没式光刻的工作原理是在物镜和硅片之间充满具有高折射率的液体，改变了从镜头到硅片之间的光线折射路径，如图1所示，由于液体的折射率比空气高，增加了投影透镜的数值孔径，从而提高光刻分辨率。图1 浸没式光刻技术原理示意图根据芯片制造联盟（SEMATE.CH）研究人员Walt J. Trybula提出的公式 若选用双重去离子或去气体蒸馏水充当浸没液体，其折射率n=1.43。目前主流机型的ArF激光波长0=193nm，因此入射光投影到硅片表面的有效波长0为135nm。由公式1：其中：R为分辨率，DOF为焦深，NA为数值孔径，k1，k2为工艺因子，为半孔径角，计算可知分辨率和聚焦深度均可得到提高。可以看出，如果选用高折射率的浸没液体，则在不减小波长和工艺因子的情况下分辨率可获得进一步提高，如果浸没液体的折射率达到1.67，采用193nm的ArF光刻就可获得32nm的分辨率2。如果高折射率浸没液的研究取得突破，光刻工艺的特征尺寸甚至可以延续到22nm。同时，浸没光刻的焦深DOF也会增大，大焦深对于降低光刻设

3、备对曝光平台的精度要求有重要的意义。图2反映了传统干法光刻与浸没式光刻工艺焦深的差别3。图2 传统方式与浸没方式焦深比较2. 浸没式光刻的国内外研究现状2.1 浸没式光刻的技术方案1979年Werner Tabarelli和Ernst W. Lbach在欧洲专利中首次提出了采用浸没式光刻技术提高光刻分辨率的设想4。2000年以后随着干式光刻技术接近工艺极限，浸没式光刻技术开始受到IC业界的关注，出现了基于这种设想的多种改进方案，这一阶段，浸液系统流体传送与控制系统的研究主要集中于完全浸没式和局部浸没式两种技术方案。图3为完全浸没式浸没控制单元示意图。整个硅片被浸没在液体中，扫描台所需加速的液体质量较大，因此扫描完成后透镜所受剪应力要在几秒钟之后才会消失，这将严重影响系统的产率5。除此之外，步进扫描式光刻机中的完全浸没式单元中，硅片的装夹和定位十分困难。图3 完全浸没式浸没控制单元为克服完全浸没式光刻技术的缺陷，NIKON公司在1999年首先提出局部浸没式方案，局部浸没是在待曝光硅片的局部区域和最后一个投影透镜之间充入液体3。如图4所示，仅在透镜的曝光区域填充液体，液体的质量非常小，避免

4、了完全浸没式光刻方案中加速大量液体所带来的问题。与完全浸没式相比，局部浸没式需要将液体约束在镜头下方的有限区域，在承片台高速运动的工况下，浸没液体的密封成为主要问题。图4 局部浸没式浸没控制单元ASML提出图5所示的浸没单元气密封原理，并于2006年试用于TWINSCAN XT:1700i光刻机，获得成功6；之后，NIKON与东京电子合作研制出基于液密封原理的浸没单元，其测试样机如图6所示7。随着浸没单元密封的逐渐成熟，局部浸没式方案已经成为业界公认的主流技术。 图5 ASML气密封浸没单元原理图 图6 NIKON液密封浸没单元测试样机2.2 主要研发机构及其研究进展浸没光刻技术研究的机构主要有美国的威斯康星大学、国家标准技术研究所和麻省理工学院等。威斯康星大学的计算力学中心从2002年起开始浸液系统液体传送单元的流动、受力和光热耦合仿真等研究。该中心的Alex C. Wei和Gregory F. Nellis等首先研究了硅片在扫描状态下的液体注入问题89，提出波长157nm曝光情况下硅片扫描速度是浸没液体注入过程的主要影响因素，而波长193nm曝光条件下主要影响因素是气液相表面张力。

5、之后他们研究了当硅片表面不完全光滑情况下，液体流过此表面是否会产生气泡的问题，结果表明液体流过某些表面形貌时会产生气泡。此外他们还对自己设计的液体传送单元给镜头带来的力和变形进行了分析，并就受力变形对成像质量的影响进行了仿真。同时，他们还联合波士顿大学的So-Yeon Baek等进行了热效应研究，分析了温升可能带来的曝光缺陷10。Holly B. Burnett通过实验获得了各种光刻胶的接触角1112，并研究了动态接触角对边缘液面的影响，其实验装置如图7（a）和7（b）所示。但是他们所设计的液体传送单元未进行边缘防漏液处理，在硅片进行高速步进扫描的过程中会产生边缘液面变形、破裂甚至泄漏，导致基于现有模型的受力变形分析、边缘动态接触角等研究与实际工况差异较大。 图7 （a）威斯康星大学浸没实验装置图 图7 （b）浸没传送单元放大图美国国家标准技术研究所于2003年7月在浸没光刻技术研讨会上公布了采用去离子水作为193nm光刻机的浸没液体研究进展1314，并提供了浸液系统温度和压强等控制指标的研究结果。麻省理工学院的Michael Switkes和Mordechai Rothschild在

6、2001年最先将浸没式光刻用于157nm氟气准分子激光成像。在浸没液体研究方面，发现了单纯的去离子水并不能满足曝光要求，还需进行双重除气等处理，其创建的水纯化、除气及测试系统如图8所示。关于液体是否腐蚀镜头表面的问题，他们发现液体很容易腐蚀裸露的CaF2镜头表面，并通过增加SiO2的保护性镀膜的办法，很好的解决这一问题。此外他们还对微、纳米级气泡对曝光的影响和光刻胶排气等问题进行了初步的研究15。图8 麻省理工学院水纯化、除气及测试系统图CANON公司推出的FPA7000AS7浸没式光刻系统，其试验检测结果显示流场压力波动小于50Pa，温度波动在0.003摄氏度以内，达到了投放量产的要求。目前浸没式光刻技术的特有缺陷主要来源于光刻胶中的PAG（Photo Acid Generator，光酸产生剂）在水中形成的杂质沉降，但这种沉降的杂质可以通过大量纯水清洗去除。2.3 产业化历程一、ArF浸没式光刻技术产业化概况自2001年浸没式光刻被工业界提上议事日程，其发展已经历了7个年头。2003年国际三大光刻机制造商NIKON、CANON和ASML先后公开ArF浸没式光刻机的研究进展，浸没式光刻

7、技术进入了工程化应用开发时期。2004年IBM和台积电首次采用ArF浸没式光刻设备制造出全功能芯片。2005年ArF浸没式光刻技术进入了实质性的应用阶段，NIKON、ASML等公司发布NA1的浸没式光刻系统。2006年ArF浸没式光刻式技术突破45nm节点。2007年浸没式光刻式技术向32nm迈进。二、主要厂商及其产品162003年ASML推出的第一代浸没式光刻机（TWINSCAN AT:1150i）采用了局部浸没单元，其数值孔径为0.75，曝光线宽为90nm，扫描速度为360mm/s。2004年ASML推出第二代浸没式光刻机（TWINSCAN AT: 1250i），数值孔径增大到0.85，曝光线宽为70nm，扫描速度达到500mm/s，生产率达到85wph。台积电、比利时微电子研究中心（IMEC）、美国Albany纳米技术研究中心和应用材料公司都采购了该产品。2005年ASML推出第三代浸没式光刻机（TWINSCAN XT: 1400Ei），数值孔径达到0.93，曝光线宽为65nm。2006年推出的第四代浸没式光刻机（TWINSCAN XT: 1700i），数值孔径达到1.2，曝光线

8、宽为45nm，扫描速度达到550 mm/s，生产率高达122wph。XT:1700i 的成像质量完全满足45nm 节点要求，照明系统有较好的照明均匀性和偏振控制性能，套刻精度也显著提高，达到7nm 以下。2007年ASML推出第五代浸没式光刻机（TWINSCAN XT: 1900i），将数值孔径提高到1.35，曝光线宽为40nm，生产率达到131wph，是目前晶圆曝光的最高生产能力。NIKON于2004年开发了第一台浸没式样机用于评估浸没式光刻技术，其数值孔径为0.85。2005年推出NSR-S609B浸没式光刻机，数值孔径达到1.07，曝光线宽为55nm。2007年出厂了NSR-S610C浸没式光刻机，数值孔径达到1.3，曝光线宽为45nm。CANON于2003年底开发出第一台浸没式光刻机（FPA-5000AS3i），数值孔径为0.75；其第二台浸没式光刻机（FPA-6000AS4i）数值孔径达到0.85。2006年CANON推出了FPA-7000浸没式光刻系统。FPA-7000是适应多代曝光方式的45nm节点样机。该公司现正致力于开发一种取代纯水浸没液体的新技术，计划于2009年推

9、出下一代浸没式光刻机。2.4 ITRS光刻工艺技术路线图在2005年的国际半导体技术蓝图（ITRS， International Technology Roadmap for Semiconductors）中，已将193nm的ArF浸没光刻技术列入22nm技术节点，如图9所示。ITRS 2005Year20072010201320162019DRAM 1/2 Pitch65nm45nm32nm22nm16nm 193nm 193nm with water immersion 193nm with water immersion 193nm with other fluid immersion EUV, ML2 EUV 193nm immersion with other fluids and lens material Imprint, ML2 EUV Innovative 193nm immersion Imprint, ML2, innovative technology Innovative technology Innovative EUV, imprint, ML2图9 2005年的国际半导体技术蓝图2006年国际半导体技术发展规划（ITRS 2006）对半导体技术的发展制订了更为详尽的技术指标，预期在

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