资深半导体工程师解读：光刻机是如何刻出低于50纳米的结构？

  相信很多人都有疑问，波长193纳米的光刻机为什么能刻出50纳米左右甚至更小的线宽？今天作者来给大家解读一下。

  首先看一下193nm波长的光刻机长什么样，如下图所示，右边是光源系统，中间部分是透镜系统，左边部分是机械手臂来移动硅片以及曝光前对准（alignment）等等。

  193nm紫外光产生后经过一堆透镜镜面反射到左边硅片上方的透镜系统之上，紫外光会先经过掩模板（mask）再经过一系列大透镜最终聚焦到硅片上对光刻胶（resist）进行曝光，从而将掩模板上的图案转移到光刻胶上，后续经过显影（develop）刻蚀（etch）等等步骤真正转移到硅片上，最终在硅片上制造出几十纳米大小的晶体管器件。

  所以为什么193nm的光刻机可以刻出50nm以下的线、首先明白一个概念，半导体器件中大家更在意周期（period或者pitch）而不是线宽（linewidth），以前半导体行业中技术节点例如 90nm node中90nm指的就是芯片中结构最致密的那一层的半周期大小(half-pitch)，所以周期是180nm。

  例如下图是一个芯片局部的侧面图，最底下是晶体管结构，上方是多层金属互连网络用来连接导通芯片中上亿个晶体管。最紧密的一般是Cu1那一层，这一层一般是从低往上数第二层金属层，因为你们可以看到Cu1下面有一层钨（Tungsten）直接连接Si，这是因为钨与Si之间的接触电阻小。所以所谓的技术节点90nm指的是Cu1这一层的周期是180nm就是下图箭头所示的距离。但是显然Cu1这一层金属的线宽（linewidth）是小于90nm的。所以半导体器件制造中把线宽（linewidth）做小不是太难的事情，而把周期（period或pitch）做小才是关键所在，这样有限的芯片面积里才能做出更多的晶体管。

  2、清楚这个概念后，我们再来看193nm的光如何做出小于50nm的结构。下图是光刻的基本原理，光经过模板（mask）之后的光强最理想情况下最好是左边图所示，如果是这种情况，那么光刻精度只取决于模板的精度，模板能做多小，你最终的结构就是多少。但现实情况下因为光的衍射特性光强的分布如有图所示，最终在光刻胶形成的结构有可能是个倒梯形。

  下面这图表示的是瑞利判据，表示了透镜系统的分辨率，衍射会限制了透镜的分辨度，如果两个点或物理离得很近(R)，透镜的观察者便无法分辨出有两个物件。所以分辨率R的公式如下。

  光刻机的分辨率也是类似的公式如下所示，但是光刻机由很多透镜组成，而且最终的结构在光刻胶中体现出来，所以这里有一个参数k1，k1不是上图所示单个透镜中一个固定的数值0.61。这里的k1受多个因素影响，比如透镜像差（aberration）；光刻胶的对比度（contrast）；实际制造中仪器和工艺控制等等。数值孔径NA主要和透镜质量大小相关。所以一台先进的光刻机会尽量减小k1，增大数值孔径NA，以及用更短波长。用更短波长是最直接有效的方式，这样的努力从未停止，从436nm 到365nm 到248nm 到193nm 一直到现在还未成熟的13.5nm EUV光源，这里不赘述了。

  这里假设波长为题主所说的193nm，实际上先进的ASML光刻机可以将k1做到0.25，NA几乎是1，如下图公式所示，最终分辨率R已经能达到约50nm。这里仍然没有讨论到immersion浸润式光刻机，如果用是浸润式光刻机，NA会提高1.33倍，从而分辨率R可以达到约40nm，这里的R对应着我们之前说的半周期(half-pitch)。所以说事实上不用其他答主所说的Multi-patterning技术，普通光刻机可以做到的半周期(half-pitch)已经可以达到50nm左右了，浸润式光刻机可以达到40nm左右的半周期。

  3、现在我们来看一下intel的14nm技术的器件大小，FinFET中最致密的结构是Fin。这里说一点，以前技术节点的名字例如90nm技术就是指最致密的一层结构的半周期是90nm，如今14nm，7nm等等技术节点的名字更多是商业市场宣传目的，并不代表实际的结构周期大小，甚至不同foundry代工厂都不一样，但大致差不多。

  所以这里intel14nm技术并不意味着Fin的半周期是14nm，如上图所示其周期大约42nm，所以半周期是21nm，所以我们用常规浸润式光刻已经无法做出半周期21nm的Fin结构。这时候就需要其他答主所介绍的Multi-patterning技术，工业界主要用的还是self-aligned double patterning自对准两次成型技术 如下图所示，能够正常的看到结构周期可以减少一半，所以基本上浸润式光刻机加上这个技术就可以实现20nm左右的半周期，刚好对应着intel 14nm技术要求的半周期大小。

  4、那么如何实现更先进的10nm或者7nm技术呢？如果仍采用193nm紫外光的话，那么可能就需要self aligned quadruple patterning（SAQP）自对准四次成型技术了，就是在上图的基础上用(f)的结构重复(b)(c)(d)(e)的步骤，这样可得到更致密的结构，但是这种方法也带来了很高的成本，因为这一层结构的工艺变得复杂，需要更多的掩模板，更多的材料，更多时间来完成这一层结构。所以这也是为什么需要EUV光刻机的原因，一步曝光就能够达到193nm光刻机quadruple patterning的精度。但是EUV也有很多要解决的问题，这是另一个话题了，在这里不赘述了。

  5、那么怎么来实现更远的5nm或者3nm技术呢？可能到时候器件结构不再是Fin结构了，有人觉得可能是Gate All Around nanowire 纳米线或者是nanosheet结构（如下图所示），这对工艺和电路设计都将是全新的挑战。