ArF浸没式光刻：物理学、工艺原理及亚10nm扩展

引言

几十年来，半导体行业一直在不懈地追求微缩，以保持摩尔定律所预期的性能提升和成本降低。实现这一微缩的主要手段是光学投影光刻。随着行业向成熟平面节点以下推进，利用在深紫外波长工作的氟化氩 (ArF) 准分子激光器的传统“干式”光学光刻技术遇到了严峻的物理屏障。光学光刻微缩面临物理约束，因为光刻限制部分源于亚微米光刻仪器有限的焦深 [T1]。干式系统的数值孔径 (NA) 受限于空气的折射率，其物理上限无法超过 1，从而限制了最小可分辨特征尺寸和焦深 (DOF)。

为了规避这一限制，业界评估了转向使用氟 ($F_2$) 激光器的更短真空紫外波长技术。然而，在更短真空紫外波长下的干式光刻面临严重的材料瓶颈，包括缺乏合适的掩膜版薄膜材料、传统透镜的高吸收率，以及氟化钙 ($CaF_2$) 光学元件在强紫外辐射下的光学退化。这为 ArF 浸没式光刻（也称为 193i）铺平了道路，该技术在投影系统的最终透镜元件与涂有光刻胶的晶圆之间引入了高折射率液体（超纯水）。通过改变光学介质，ArF 浸没式光刻绕过了真空紫外波长世代的开发，使行业能够实现从 28nm工艺流程 到先进多栅极工艺的微缩。

物理与机制

折射率与有效波长

ArF 浸没式光刻的基本物理机制依赖于通过改变光传播的光学环境来发挥作用。根据经典波动光学，当电磁波从真空或空气进入致密光学介质时，其频率保持不变，而相位速度和波长会减小。介质中的波长定义为：

$$\lambda = \frac{\lambda_0}{n}$$

其中 $\lambda_0$ 是光源的真空波长，$n$ 是介质的折射率。通过在光路中引入超纯水（其在曝光波长下的折射率显著高于空气），液体中的有效曝光波长被按比例降低。这种波长的减小无需改变底层的准分子激光光源，从而保留了为深紫外辐射开发的现有光学材料平台和光刻胶化学体系。

数值孔径的扩展

光学光刻系统的分辨率 ($W$) 受经典的瑞利分辨率极限限制：

$$W = \frac{k_1 \lambda_0}{\text{NA}} = \frac{k_1 \lambda_0}{n \sin\theta}$$

其中 $k_1$ 是由光刻胶性能和分辨率增强技术 (RET) 决定的工艺相关因子，$\theta$ 是进入物镜的最大光锥半角。

在干式系统中，最大 NA 严格受限于透镜与晶圆之间介质（空气，$n_\text{air} \le 1.0$）的折射率。在浸没式系统中，浸没液的折射率 ($n_\text{fluid}$) 缩放了系统的最大 NA，从而允许数值孔径超过 1.0 的“超高数值孔径 (hyper-NA)”光刻系统的实现。数值孔径越大，物镜收集的衍射光空间频率就越高，从而直接支持投影更密集的图案。

焦深与偏振效应

除了提高分辨率外，引入浸没液还显著影响了 DOF。投影系统的经典 DOF 公式为：

$$\text{DOF} = \frac{k_2 \lambda_0}{\text{NA}^2}$$

在 NA 恒定的情况下，从空气切换到水会减小晶圆表面的折射角，从而有效地增加了焦深位置的宽容度并扩大了可用的工艺窗口。

当会聚角较大时，成像对偏振更加敏感。电场方向会影响不同光线的场分量如何重叠并发生干涉。在某些成像几何中，p 偏振照明相较 s 偏振会降低对比度。合适的偏振有助于改善图形转移，但效果取决于照明条件和特征方向，不能普遍保证高对比度。

工艺原理

源-掩模优化与自由形态照明

为了在物理分辨率极限下最大限度地发挥 ArF 浸没式系统的能力，工程师利用源-掩模优化 (SMO) 等 RET 技术。传统的照明模式（例如环形或偶极照明）通常不足以同时解析复杂的多向特征。通过实施由微反射镜阵列组成的可编程照明器，系统可以生成定制的自由形态照明源，重新分配各衍射级次的空间频率分布，以增强对比度并稳定关键尺寸 (CD)。先进的算法被用于计算对称或非对称的自由形态源，以确保水平和垂直特征均保持在显影后检查 (ADI) CD 的允许误差范围内。

化学放大光刻胶 (CAR)

光刻胶在曝光下的化学反应原理对于获得稳定的图案至关重要。使用化学放大作用的深紫外光刻胶于较早的技术世代引入，并持续作为亚微米微缩的基础 [T1]。在吸收深紫外光子后，嵌入聚合物基体中的光酸产生剂 (PAG) 发生光解，产生强酸分子。

在随后的曝光后烘烤 (PEB) 过程中，这种酸作为催化剂，在基体内扩散并驱动脱保护反应，裂解聚合物主链上的酸敏酯基团。这种脱保护作用暴露出亲水性的羧酸基团，在碱性显影液（例如四甲基氢氧化铵，TMAH）中，曝光区域和未曝光区域之间产生巨大的溶解度对比。PEB 期间的酸扩散速率必须经过精心平衡；过度扩散会降低线边缘粗糙度 (LER) 和线宽粗糙度 (LWR)，而扩散不足则会限制灵敏度和对比度。

挑战与失效模式

液体相关缺陷：气泡与水渍

水直接存在于透镜与晶圆的界面处引入了独特的缺陷类别。晶圆台的高速扫描运动会将空气带入浸没罩中，形成微小气泡。这些气泡充当折射率不均匀体，散射入射光并导致局部投影阴影，从而引发图案桥接或微桥接。

此外，扫描过程中残留在光刻胶表面的水滴可能会溶解光刻胶中的可溶性组分，例如 PAG 或碱性淬灭剂。水分蒸发后，这些局部残留物形成“水渍”，在 PEB 期间局部改变脱保护速率，导致严重的 CD 偏差和局部图案失效。

光刻胶浸出与顶涂层

由于浸没水与光刻胶直接接触，光刻胶内的低分子量添加剂可能会浸出到水柱中。浸出的 PAG 或有机碱会污染投影光学系统的最终透镜元件，并在高强度紫外线照射下发生光沉积，从而损害透镜的透过率。

为了防止这种浸出，通常会在光刻胶层上方涂覆一层疏水性保护层即顶涂层。这种顶涂层必须对水和光刻胶组分不透，同时对深紫外光保持高度透明，并在显影步骤中易于溶解。

偏振引起的对比度损失

偏振相关的成像行为可能造成印制轮廓和曝光宽容度的差异，其影响取决于图形、光瞳照明与光刻胶响应。关键在于不同方向场分量之间的干涉，而不是断言每个 p 偏振分量都会在整个光刻胶中相消。

技术节点演进

28nm 节点：单次曝光极限

在 28nm 节点，ArF 浸没式光刻达到了密集特征单次曝光的极限（参见光刻工艺）。凭借高数值孔径光学器件和趋近理论物理极限的工艺参数，单次曝光 ArF 系统达到了单次曝光的基础间距极限。为了进一步微缩，需要采用先进的 RET、复杂的光学邻近效应修正 (OPC) 以及高度优化的相移掩模。

14nm 至 7nm 节点：多重曝光方案

在极紫外光刻 (EUV) 技术实现商业化之前，ArF 浸没式光刻通过多重曝光方案被延伸应用至 14nm FinFET 和 7nm FinFET 节点。通过将密集的布局拆分为多个较粗的子图案，有效间距可减小至二分之一或四分之一。

• 自对准双重曝光 (SADP)： 首先利用 ArF 浸没式光刻打印出心轴层，随后进行保形的原子层沉积工艺沉积间隔层材料，并通过各向异性干法刻蚀形成侧壁间隔层。接着有选择地去除心轴，留下密度翻倍的图案。
• 自对准四重曝光 (SAQP)： 通过在 SADP 生成的特征上重复间隔层沉积和刻蚀序列，空间频率再次加倍，从而允许使用 ArF 浸没式光刻打印出更小间距的图案。
• 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀 (LELE)： 顺序执行多次独立的曝光和干法刻蚀循环，这对套刻精度要求极高，并给工作台对准和量测系统带来了巨大压力。

相关工艺

ArF浸没式光刻并非独立运行，它与多个上下游工艺步骤深度耦合：

• 化学机械平坦化 (CMP)： 由于 hyper-NA 浸没式光刻的焦深较窄，传入的晶圆形貌必须通过化学机械平坦化实现平坦化，以防止因焦点偏移导致的晶圆片内 CD 波动。
• 干法刻蚀： 由于为防止高分辨率特征出现长径比坍塌而使用的光刻胶非常薄，仅凭光刻胶图案无法承受深硅或电介质刻蚀。由旋涂玻璃 (SOG)、旋涂碳 (SOC) 或底部抗反射涂层层组成的硬掩模堆栈通常由光刻胶成像，随后用于将布局转移到器件层中。
• 薄膜底层： 在光刻胶堆栈下方采用了专用底层（可能包含锡 Sn 等重元素）。这些底层提供了良好的附着力，最大限度地减少了背散射光反射，并在下游干法刻蚀步骤中充当硬掩模。

未来展望

尽管 EUV 光刻已接管了 7nm 以下节点的关键层打印任务，但 ArF 浸没式光刻仍然是现代半导体工厂的主力，负责先进逻辑和存储架构中绝大多数非关键金属层、通孔层和注入层的图案化工作。

此外，新兴应用正在将 ArF 浸没式设备用于非传统制造领域。例如，研究人员已展示了在硅平台上进行高产能、晶圆级光学超构表面的制造。通过利用 193i 扫描仪成熟、高速且精密的 CD 控制能力，光学和光子学行业正在摆脱缓慢的电子束光刻，转向实现商业上可行的平板透镜系统，凸显了这一强大光学技术的持久生命力。