林本堅:把半導體元件縮到光波長的四十分之一

作為浸潤式光刻方法的開創者，中國臺灣新竹清華大學、新竹交通大學、臺灣大學特聘講座教授，以及清大-臺積電聯合研發中心主任，2018年未來科學大獎-數學與計算機科學獎獲獎者，林本堅博士於近日作客北京清華大學，向師生及業界人士詳解了半導體光刻技術及其發展歷程，展示了一個詳盡、立體的光刻世界。

當人類剛發明出集成電路的時候，當時的特徵尺寸大概是5μm（5000nm），之後縮小到了3μm，發展至今，臺積電已經開始量產7nm的IC了。在這個過程當中，製程共經歷了20代變革，未來幾年，5nm集成電路也將實現量產。從5μm到5nm，實現了1000倍的變化，大概經歷了40年。

在這一過程當中，有一件比較神奇的事情，5μm階段，當時的波長是436nm，而到當今的7nm，波長是193nm，變化並不是特別大，這樣，從光學的角度看，我們要實現將特徵尺寸縮到波長的四十分之一，似乎是不可能完成的任務，我們需要跳出純光學思維，從半導體的角度去考慮如何實現它。

人的頭髮橫截面直徑大概是80μm，以採用28nm製程工藝的SRAM為例，可以在頭髮的橫截面上放20735個這個樣的SRAM單元，隨著微縮技術的發展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來越多的SRAM單元了。

那麼，這是如何做到的呢？主要是由光刻工藝及其技術演進實現的。

光刻微縮的理論基礎主要基於下圖的方程式：解析度和DOF（depth of focus，景深）。

從圖中的公式可以看出，解析度主要由三個因數決定，分別是波長λ、鏡頭角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，對於做光刻的人來說，k1這個參數是非常重要的。

縮短波長和加大sinθ（目前可以做到0.93）都可以提升解析度，但這些都是有代價的，縮短波長λ、增加sinθ，DOF都會縮短，而k3和k1又是有關聯的，且比較複雜。

4種方法提升解析度

對於採用不同設備製造相同製程IC的製造廠來說，其技術水平差異就會很突出，例如，有的廠商用EUV設備（光刻波長為13.5nm）才能做7nm晶片，而有的廠商用DUV設備（光刻波長為193nm）就可以做出7nm晶片，做同樣的產品，前者需要更多的投資去購買更新近的設備，而後者則不需要。這就是通過高水平工藝提升解析度W所產生的經濟效益。

1、增大sinθ

如下圖所示，依據方程式，有4種方法可以提升解析度W，而對於工程師來說，其中最方便的方法莫過於增加sinθ了，對於半導體廠的工程師來說，只要向老闆多申請一些經費，訂購大一點的鏡頭和機器就好了，因此，工程師會採取的首選方案，往往就是在sinθ上做文章。

提高sinθ的同時，鏡頭的複雜度隨著增加，因為sinθ每增加一點，鏡頭裡就需要增加相應的鏡片。以sinθ=0.93的鏡頭為例，整個鏡頭的長度會超過一個成年人的身高，而且很重，需要用起重機來搬運和加裝。這樣的鏡頭，便宜的也要2000多萬美金一個，貴的要7000萬美金左右。另外，增加sinθ雖然使工程師輕鬆不少，但景深DOF的犧牲會比較大。

如下圖所示的鏡頭，左邊的5X鏡頭（0.32NA）是當年在IBM工作時，我的老闆發明的，當時，這是全球半導體光刻界最厲害的鏡頭了。隨著技術的進步，新的4X鏡頭陸續出現，這些鏡頭裡增加了越來越多的鏡片，而且對精度的要求逐年提升，要做到波長的五十分之一。

2、減小波長

增加sinθ需要大量的投資，而且越來越貴，此外，目前sinθ已經提升到0.93，已很難再提升，而且其不可能大於1。這樣，我們可以通過改變波長λ來進一步提升光刻的解析度。

但是，改變波長會產生連鎖反應，由於鏡片對不同波長光的折射率都是不一樣的，焦點也就不一樣，因此，波長改變一次，就需要對鏡片進行矯正，使其焦點正確。但這些對雷射的頻寬提出了更高的要求，特別是到28nm製程時，傳統的光刻光源已經不能滿足要求，需要特殊的、更低頻寬的雷射才能進行矯正。

此外，還有其它一些方法可以矯正焦點，具體如下圖所示。

而在將來，更先進的光刻系統內，不允許有任何透光的鏡片，如EUV系統，只能通過將光多次反射實現應用功能。

另外，波長每改變一次，光阻也要變，由於光阻是化學性質的，改起來並不容易，特別是當光阻從365變為28的時候，需要很大的改動，實現這一壯舉的人是當年我在IBM的同事，當時得到了光刻界的諾貝爾獎，即日本天皇獎，他採用化學放大效應，將光阻提升了十倍，這一技術出來以後，使得整個光刻系統成本下降很多。不過，這種新光阻在剛出來的時候並不穩定，有時能提升十倍，有時又遠不能達到這一指標，問題出在哪裡呢？經過研究，他最終發現，問題在於光阻的濃度，這就對過濾器提出了很高的要求，需要考慮很多因素，另外，這種過濾器會消耗大量的電能，這對很多應用單位來說，都是不可承受之重。

當波長減小到157nm的時候，裝置中的空氣會將該波長的光吸收掉，這主要是由氧氣造成的，因此，需要一個密封的空間，而且裡面不能有氧氣，一般是充滿氮氣，但氮氣很難被監測到，且不利於工程師維修（沒有氧氣，有生命危險）。

當光刻發展到EUV的時候，此時光的波長已經非常小，很容易被裝置裡面的氣體吸收掉，因此，EUV需要抽真空的環境，而要實現真空，整個系統就會變得龐大許多，而且，抽真空泵的震動對光刻系統也會有一定的影響。此外，更加龐大和複雜的系統，維修起來也更加費時費力。

3、減小k1

下面談k1，對於做光刻的人來說，k1可以說是最有趣的話題了。

k1是一個係數，在顯微鏡應用當中，k1最小只能降到0.61，再小的話，東西就會模糊，看不清楚了，而在光刻領域，則不存在這個問題，只需要考慮線的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。通過改變k1，可以不用更換鏡片，不用改變波長和光阻，就可以提升解析度，具有很好的經濟效益。此外，DOF還有可能會增加。

減小k1有這麼多的好處，但其實現起來並不容易，需要很強的創新思維。

下圖，製程工藝為250nm時，那時候的k1=0.63，跟顯微鏡的差不多，而180nm製程對應的k1則降到了0.47，此時，相對於250nm，線寬比較大，不容易控制，還要考慮很多幹擾因素，有很大的學問在裡面，需要更多的創新。

k1=0.47的時候，就感覺是一件非常奢侈的事情了，而當製程微縮到130nm的時候，k1進一步降到了0.42，這是一件非常不簡單的事情，凝聚了光刻研發工程師的心血和智慧。

當k1=0.63和0.47的時候，是有可能增加DOF的，如下圖所示。

4、增大n

這裡的n是折射率，通過改變n，也可以提升光刻系統的解析度，最簡單的方法就是在鏡頭和晶體之間加入水，以代替空氣，也就是沉浸式系統，通過增大n，可以得到短波長的效果。

當NA大於1的時候，特別是1.35NA時，需要放入具有特別構造的鏡片，由於涉及到商業機密，下圖中沒有給出1.35NA的示意圖，目前有兩家公司可以做到這一點，他們採用不同的方法實現。

下圖所示為沉浸式的原理，利用光通過液體介質時會彎折的特性，顯微鏡的影像透過浸溼的鏡頭會進一步放大。相反地，當光線通過浸在液體中的微縮影鏡頭時，就能將影像藉由折射率進一步縮小。

這裡用水作為介質是最為經濟高效的，否則就需要花幾億美金去研發新的、更好的介質，這樣太耗費資金和時間，而且不一定能保證成功，算起來是划不來的。

結語

以上，林本堅博士主要講述了提升光刻系統解析度的4種方法，這裡凝結了光刻研發工程師的大量心血和智慧，而作為沉浸式光刻技術的發明人，林博士對於產業的技術水平提升和經濟效益做出了巨大的貢獻。相信隨著EUV的到來及普及，更多的先進技術還會誕生，繼續把半導體光刻發揚光大。