光刻系统与投影物镜发展历程

1   光刻系统知识回顾

在本篇中，我们就对光刻系统的原理和物镜的发展历程做介绍，来让大家对该领域有更多的认识。光刻是半导体芯片加工过程中的一道工序，使用的设备就是光刻机，光刻机是一个光路复杂，结构精良的光学仪器，以最常见的投影曝光系统为例，它相当于一台复印机，将掩模板上的图案，以一定的比例投影到涂覆有光刻胶的晶圆上，从而在光刻胶层记录下想要的图案。一个完整的光刻系统简图如下所示：

在上图中可以看到，整个系统由激光器、光束整形与衰减系统、光瞳整形系统、匀光系统、中继镜、投影物镜、晶圆及工件台等几部分组成，激光器发出的光束，经过多次的整形后，会进入到匀光系统，匀光系统可以将光束在整个瞳面内变成能量非常均匀的光束。中继镜用来为掩模板提供均匀的远心照明，光束经过掩模板后，进入投影物镜，物镜将掩模板的图案以1/4或1/5的比例缩放投影到晶圆的光刻胶上，从而完成曝光。在整个系统中，除了常用的平面转向镜和球面透镜外，还会用到一些特殊的光学元件，比如用来整形的圆锥镜、W形锥镜，用来匀光的匀光片、积分棒或者复眼透镜等，可以说，整个系统用到了大多数种类的光学元件。

光刻系统有一个非常关键的性能指标，就是光刻分辨率R(该指标也称为关键尺寸CD，Critical dimension的缩写)，该分辨率的公式如下：

R=k1*λ/NA

在上式中可以看到，决定光刻分辨率的主要是三个因素，分别是k1  ,λ和NA，k1为比例因子，通常由光刻的工艺来决定，取值范围为0.25~0.5。λ是光源的波长，波长越小，分辨率就越小。NA值是投影物镜的数值孔径，物镜的NA值越大，则系统的分辨率越小。在1965年，英特尔的创始人之一摩尔曾提出，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍，相应的光刻分辨率也就缩小一倍，这个说法也被称为“摩尔定律”，多年来，研发人员努力在改进光刻工艺水平、缩短光刻波长和提高投影物镜的数值孔径方面做开发，从而使摩尔定律延续到了今天，光刻物镜发展路径如下图所示：

从上图可以看到，光刻系统的波长，从早期的g线、i线到后面的248nm、193nm和13.5nm的EUV光，波长逐渐缩短。投影物镜的NA值，从早期的0.38、0.6提升至0.93，配合浸没式光刻，NA值提升至了1.35的量值上，在EUV波段，近期也交付了NA值为0.55的高NA光刻系统，从而使得光刻分辨率从1000nm到100nm，再到如今的10nm以内，芯片上晶体管的集成度获得了极大的提高。

2   投影物镜光路结构的发展历程

伴随着波长的缩短，和NA值的不断增大，投影物镜的光路结构也发生了若干次的调整和迭代，这里，我们回顾一下物镜的几种结构，来了解它的演变历程。

   A、早期版本—摄影镜头加显微镜头

早期的投影物镜镜头，想法比较简单，在掩模板一端，选用一个摄影镜头，保证了有足够大的视场，而在晶圆一端，采用一个显微镜头，确保有较大的NA值和小的视场，从而实现图案的成比例的缩放。这样一来，就形成了投影物镜的雏形，即一个摄影镜头和显微镜头的组合的形式，如下图所示：

在光刻应用中，因为晶圆是平的，所以校正物镜的Petzval场曲是镜头设计的首要任务，用来校正场曲的方法，通常是在镜头的腰部采用负光焦度透镜，在镜头的变粗部分，采用正光焦度的透镜，因此，校正场曲的需求使得物镜的结构形式通常是葫芦形状的，按照性能的不同，分为单腰、双腰或者多腰系统。早期的光刻系统，工作波长是436nm（g线）、405nm（h线）或者365nm（i线），物镜元件的材料是常用的光学玻璃，包含的镜片个数较少，且都为球面透镜，镜头NA值不大，以单腰系统最为常见，早期的物镜结构图如下图所示：

上面的物镜工作在405nm波段，NA值是0.36，缩放率是0.2，元件材料主要是玻璃，共包含18片镜片，其中在后端还使用了胶合透镜。

   B、引入非球面和浸没式的纯折射系统

随着物镜NA值的增大，传统的单腰系统已经不满足要求，出现了双腰以及多腰的物镜结构。为了获得好的投影性能，需要确保镜头中没有使光线突然折转的元件，因为这类元件会引入高阶像差，很难被校正掉，因此，光线在物镜中的传播需要非常的流畅。这也就意味着镜头里镜片的个数需要增多，来实现光线的顺滑折转，这个阶段的镜头，通常有近30片球面透镜来实现这个功能。

上图是一个工作在248nm的双腰物镜，NA值为0.75，共包含29个镜片，全部采用熔石英材料。因为NA值很大，所以物镜的工作距非常短，并且此时的系统已经从早期在晶圆端的单远心系统，变为左右两侧的双远心系统。因为胶合透镜的胶水会对镜头的透过率和像质产生影响，所以在此阶段已经不再使用胶合透镜。此时的镜头，镜筒直径约60~80公分，长度在1米以上，重量达几百公斤，是相当庞大的一个镜头了。

镜片的不断增多，伴随的是成本的增加，和设计难度的持续提升。随着光学制造工艺的发展，非球面元件的加工水平得到了提高，因此，非球面透镜被用在物镜系统中，一方面，非球面透镜可以更有效的校正系统像差，另一方面，它有助于缩减物镜系统的体积。下图是一个全球面透镜的物镜与含非球面透镜的物镜结构对比，可以看到，采用非球面透镜后，镜头里最大镜片的口径缩小了10%，而整个镜头的长度则缩短了15%，从而可以将整个镜头的体积缩小40%左右，这个数字是非常可观的。

此类镜头是DUV波段的主流镜头形式，后续通过引入浸没式技术，镜头的NA值进一步增大，从而使得设备分辨率获得明显的改善。

   C、折射/反射式结构

通过在投影物镜中引入非球面透镜，可以将193nm干法刻蚀的NA值提升至0.95的量级，如果使用浸没式光刻，例如在物镜与光刻胶间充入纯水，可以将上述纯折射式镜头的数值孔径提升至1.1的量级。物镜的高NA特性，使得镜头后段部分的镜片口径非常的大，这个时候，镜片材料的均匀性已经不容易满足物镜的性能要求了，并且整个镜头的像差校正也变得非常困难。基于这些原因，引入了了折射/反射混合的物镜结构，通过使用反射镜，有助于校正Petzval场曲，也可以有效缩小整个系统的体积，并且，系统NA值可以提升到1.35的量级。

另外，国外巨头针对157nm的曝光物镜也曾经有过相当长时间的研发，在前面的文章中我们提到过，157nm波段下，只有氟化钙材料满足透过率需求。然而，可以发出157nm光的F2激光器存在单色性不佳的问题，它的单色性远不及ArF或者KrF激光器，这就导致镜头系统中会存在明显的色差，单纯使用折射式系统已经无法有效的校正轴上色差了，此时也必须引入折反式结构，来解决色差问题。

一个有代表性的折反式物镜如上图所示，采用浸没式技术，NA值达到了1.3。

    D、纯反射式结构

荷兰ASML公司，借助193nm浸没式光刻机，一举在市场获得垄断地位。该公司联合上游供应商和下游设备客户，花了10余年时间，论证了EUV光刻的可行性并完成了原理样机的研制。EUV指的是极紫外光，波长为13.5nm，在这个波长下，材料对光束的吸收非常的大，上述的折射式或者折反式系统已经不适合使用，需要采用纯反射式结构。反射式系统要解决传统反射式望远镜的遮拦问题，并且，由于反射镜在此波段的镀膜反射率的问题，单个反射镜的反射率在60%-70%的量级，因此，物镜系统需要采用尽可能少的反射镜个数来完成曝光。

最早的EUV原理装置，是同轴的反射系统，只有主镜和次镜两个反射镜，类似于传统的望远镜系统，称为微视场曝光工具MET（Microfield Exposure Tools），其光路图如下所示：

在完成了原理验证后，又相继开发了四镜系统、六镜系统等物镜结构，下图为一个六镜系统的光路图：

上面的六镜系统，放大率为0.25，NA值为0.5，所有的反射镜都是离轴的非球面元件，且面形精度达到了亚纳米量级。

近期，ASML公司已经发货了NA为0.55的EUV光刻机，据称一台设备的价格为3亿多欧元，足见其科技含量之高。另外，包含八片反射镜的八镜系统，以及十镜系统也在论文中有了报道，相信未来EUV光刻机的NA值还会有所提升，让我们一起期待。

3   结语

在本文中，我们首先对光刻系统的知识做了回顾，包括光刻机的原理和摩尔定律的延续等内容，接着，我们对投影曝光物镜的发展历程做了详细的介绍，包括早期的物镜雏形、纯折射式物镜、折反混合式物镜和纯反射式物镜等几部分，伴随着这些物镜的开发和应用，光刻机分辨率从当初的几百纳米提升至当前的几纳米量级，取得了长足的进步。

国内，在国家科技重大专项的支持下，我们已经在DUV波段做了深厚的技术储备，EUV样机也获得了验证。一些高科技企业，受到西方国家的制约，芯片供应面临困难，他们不甘被动，同样在持续的攻关和研发。相信在全社会的关心支持下，假以时日，期以流年，我国的光刻事业肯定会乘风破浪，取得丰硕的成绩。

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