光刻机光学设计难题一：追求衍射极限

   如果我们在物体上取两个相近的点，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。

   要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于0.61λ/NA时，成像系统所成的像将无法分辨这两个点，而是把它们当作一个点，这个边界也称为衍射极限。如果光刻中超过衍射极限，则刻蚀出的芯片就不那么精准了，自然无法实现设计的功能。因此，科学家就努力在衍射极限的边缘反复试探。

瑞利判据

（图像来源：光电学堂）

根据瑞利判据的公式:D = 1.22λ/NA 

（公式中，D为最小分辨的宽度，λ是光源的波长，NA是投影透镜的数值孔径，它主要与环境折射率有关）。要想提高分辨率，要么减小光源波长，要么提高数值孔径，而无论哪一种方法都难如登天。

方法一：减小光源波长。

   光源的波长越小分辨率越高，但是制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。随着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。但是，氩（Ar）是典型的惰性气体，与几乎所有物质都不发生反应，只有氧化性的氟（F）元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子，难度可想而知。

   目前的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。想激发出波长的光源，自然需要的办法。

   光刻机采用的方法是激光等离子体型光源，即利用高功率的激光击打金属锡，产生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。其实这种方法很久之前就被证实，但是起初用的是锡板，而且只用激光激发一次，产生的光源强度很低，无法作为光刻的光源。

   经过十几年的研究，科学家诞生了一个天才的设想，锡板不行那用熔化的锡，一次不行，就打两次。锡金属被熔化形成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由下落。在下落过程中，首先是193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，并激发出EUV。

EUV的诞生

仅仅是产生光源的难度就令人难以想象。

   首先两次光源需要准确击打到正在自由下落的金属液滴中，难度就好像用乒乓球击打空中的苍蝇，还是两次。而且激发产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟激发约50000次。

   此外，高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也是相当大，所需电源功率达到了200kW。那么如此高功耗的光所激发的极紫外光的功率多大呢？大约210W，效率只有5.5%，这还是经过数次技术的迭代实现的，要知道最初的发光效率仅有0.8%。

EUV每秒钟激发50000次

   有一些同学会问，x射线波长更短，为什么不用x射线做光刻的光源呢。确实x光做光源可以实现非常窄的刻蚀，但现在的相关应用更多用于直写光刻，效率不高。的问题在于它的穿透性太强了，用普通透镜无法进行放大缩小，因而无法实现光学投影式光刻。

方法二：提高数值孔径

   人们能采取的方法主要就是改变环境的折射率（折射率越大，数值孔径就越大），于是浸入式光刻机应运而生。浸入式光刻概念其实早就有了。1999年，IBM使用257nm的浸入式干涉系统制作出精度89nm的图形，但未进行深入的研究。

         2002年以前，业界普遍认为193nm的光源无法实现65nm的分辨率，而157nm光源将成为主流技术。然而，157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光能，只有CaF2 勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头精度很难控制，难度，价格也相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短，频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。

   正当众多研究者在157nm光刻面前踌躇不前时，中国台湾人林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波长下是不透明的液体，但是对于193nm的波长则是几乎透明的。并且水在193nm的折射率高达1.44！如果把水当作相当理想的浸入液，配合已经十分成熟的193nm光刻设备，那么设备厂商只需做较小的改进，就可以实现更小的分辨率。相比于真空介质下分辨率只能达到65nm，浸没超净水介质的光刻机理论上可以达到22nm甚至更低的分辨率。

   现在人们正在寻找除水以外具有更大折射率的液体。但这种液体要求非常严格：与光刻胶没有反应，光透过率高，折射率高，还要稳定。目前已研发出的第二代浸入液的折射率为1.64。

   你可能觉得把整个光学系统浸没在水中很简单，但其实它有很多复杂的问题需要解决：浸入液如何充入、会不会对镜头造成污染，光刻胶在液体中的稳定性，会不会产生气泡，液体如何保证高纯度等。科学家解决了这些所有问题，才让浸入式光刻机目前成为芯片生产中泛使用的光刻机之一。

以上文章节选来源于科学大院 ，作者王智豪

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