林本坚：如何把半导体元件缩到光波长的四十分之一

林本坚：如何把半导体元件缩到光波长的四十分之一 | 学术研讨会

2018 年 12 月 4 日 未来论坛

为庆祝半导体浸润式光刻方法的开创者林本坚博士，获得2018年未来科学大奖-数学与计算机科学奖。未来论坛和北京大学于11月19日共同为林本坚博士举办了专题学术研讨会。林老师向与会师生及芯片业人士详解了半导体光刻技术及其发展历程，展示了一个详尽、立体的光刻世界。下面是林老师演讲的精彩内容：

当人类刚发明出集成电路的时候，当时的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后缩小到了3μm，发展至今，台积电已经开始量产7nm的IC了。在这个过程当中，制程共经历了20代变革，未来几年，5nm集成电路也将实现量产。从5μm到5nm，实现了1000倍的变化，大概经历了40年。

在这一过程当中，有一件比较神奇的事情，5μm阶段，当时的波长是436nm，而到当今的7nm，波长是193nm，变化并不是特别大，这样，从光学的角度看，我们要实现将特征尺寸缩到波长的四十分之一，似乎是不可能完成的任务，我们需要跳出纯光学思维，从半导体的角度去考虑如何实现它。

人的头发横截面直径大概是80μm，以采用28nm制程工艺的SRAM为例，可以在头发的横截面上放20735个这个样的SRAM单元，随着微缩技术的发展，在直径为80μm的横截面上，可以容纳越来越多的SRAM单元了。

那么，这是如何做到的呢？主要是由光刻工艺及其技术演进实现的。

光刻微缩的理论基础主要基于下图的方程式：分辨率和DOF（depth of focus，景深）。

从图中的公式可以看出，分辨率主要由三个因数决定，分别是波长λ、镜头角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，对于做光刻的人来说，k1这个参数是非常重要的。

缩短波长和加大sinθ（目前可以做到0.93）都可以提升分辨率，但这些都是有代价的，缩短波长λ、增加sinθ，DOF都会缩短，而k3和k1又是有关联的，且比较复杂。

4种方法提升分辨率

对于采用不同设备制造相同制程IC的制造厂来说，其技术水平差异就会很突出，例如，有的厂商用EUV设备（光刻波长为13.5nm）才能做7nm芯片，而有的厂商用DUV设备（光刻波长为193nm）就可以做出7nm芯片，做同样的产品，前者需要更多的投资去购买更新近的设备，而后者则不需要。这就是通过高水平工艺提升分辨率W所产生的经济效益。

1、增大sinθ

如下图所示，依据方程式，有4种方法可以提升分辨率W，而对于工程师来说，其中最方便的方法莫过于增加sinθ了，对于半导体厂的工程师来说，只要向老板多申请一些经费，订购大一点的镜头和机器就好了，因此，工程师会采取的首选方案，往往就是在sinθ上做文章。

提高sinθ的同时，镜头的复杂度随着增加，因为sinθ每增加一点，镜头里就需要增加相应的镜片。以sinθ=0.93的镜头为例，整个镜头的长度会超过一个成年人的身高，而且很重，需要用起重机来搬运和加装。这样的镜头，便宜的也要2000多万美金一个，贵的要7000万美金左右。另外，增加sinθ虽然使工程师轻松不少，但景深DOF的牺牲会比较大。

如下图所示的镜头，左边的5X镜头（0.32NA）是当年在IBM工作时，我的老板发明的，当时，这是全球半导体光刻界最厉害的镜头了。随着技术的进步，新的4X镜头陆续出现，这些镜头里增加了越来越多的镜片，而且对精度的要求逐年提升，要做到波长的五十分之一。

2、减小波长

增加sinθ需要大量的投资，而且越来越贵，此外，目前sinθ已经提升到0.93，已很难再提升，而且其不可能大于1。这样，我们可以通过改变波长λ来进一步提升光刻的分辨率。

但是，改变波长会产生连锁反应，由于镜片对不同波长光的折射率都是不一样的，焦点也就不一样，因此，波长改变一次，就需要对镜片进行矫正，使其焦点正确。但这些对激光的频宽提出了更高的要求，特别是到28nm制程时，传统的光刻光源已经不能满足要求，需要特殊的、更低频宽的激光才能进行矫正。

此外，还有其它一些方法可以矫正焦点，具体如下图所示。

而在将来，更先进的光刻系统内，不允许有任何透光的镜片，如EUV系统，只能通过将光多次反射实现应用功能。

另外，波长每改变一次，光阻也要变，由于光阻是化学性质的，改起来并不容易，特别是当光阻从365变为28的时候，需要很大的改动，实现这一壮举的人是当年我在IBM的同事，当时得到了光刻界的诺贝尔奖，即日本天皇奖，他采用化学放大效应，将光阻提升了十倍，这一技术出来以后，使得整个光刻系统成本下降很多。不过，这种新光阻在刚出来的时候并不稳定，有时能提升十倍，有时又远不能达到这一指标，问题出在哪里呢？经过研究，他最终发现，问题在于光阻的浓度，这就对过滤器提出了很高的要求，需要考虑很多因素，另外，这种过滤器会消耗大量的电能，这对很多应用单位来说，都是不可承受之重。

当波长减小到157nm的时候，装置中的空气会将该波长的光吸收掉，这主要是由氧气造成的，因此，需要一个密封的空间，而且里面不能有氧气，一般是充满氮气，但氮气很难被监测到，且不利于工程师维修（没有氧气，有生命危险）。

当光刻发展到EUV的时候，此时光的波长已经非常小，很容易被装置里面的气体吸收掉，因此，EUV需要抽真空的环境，而要实现真空，整个系统就会变得庞大许多，而且，抽真空泵的震动对光刻系统也会有一定的影响。此外，更加庞大和复杂的系统，维修起来也更加费时费力。

3、减小k1

下面谈k1，对于做光刻的人来说，k1可以说是最有趣的话题了。

k1是一个系数，在显微镜应用当中，k1最小只能降到0.61，再小的话，东西就会模糊，看不清楚了，而在光刻领域，则不存在这个问题，只需要考虑线的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。通过改变k1，可以不用更换镜片，不用改变波长和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的经济效益。此外，DOF还有可能会增加。