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论分辨率与光刻机

已有 4011 次阅读 2020-10-28 10:10 |系统分类:科研笔记

论分辨率与光刻机 

前几年我写过关于超分辨显微成像的科普连载,最近在作报告时,突然想到,把分辨率的突破和光刻机对照起来讲,会让大家从不同专业产生共鸣。特此码字。 

 

在光学成像中,分辨率受到光学衍射的限制,能够形成的最小光斑大小为:

d=λ/2NA.

其中的NA叫做数值孔径。

 

通过这个公式我们能够看到,如果想要提升(缩小)分辨率,那么就需要两点:

1.         缩小波长;

2.         增加数值孔径。

同样的物理原理可以用于提升光学加工的分辨率(例如光刻)。

 

首先来看缩小波长:显然,波长越往蓝色区域甚至紫外靠拢,则分辨率越好。但是在光学成像中,由于紫外线对于细胞具有损伤,为了保持细胞的活性,大家往往选择450-700nm这一段波长。

在CD机的光头中,波长为785nm,因此它可以做到每张盘650MB;DVD的波长为660nm,它的存储容量也提升到了4.7GB;而蓝光Blu-Ray则用了405nm,使得它的存储容量达到了25GB。波长的缩短带来的分辨率提升和存储容量之间是平方的关系,即在XY两个方向上,都有提升。

 

表1  CD、DVD、蓝光光盘的分辨率、Pit size、与容量的关系。


波长(nm)

数值孔径NA

分辨率(um)

计算Pit size(um)*

容量(GB)

CD

785

0.45

0.87

3.72

0.65

DVD

650

0.6

0.54

1.38

4.7

蓝光

405

0.85

0.24

0.60

25

*注:Pit size是按照光盘内径45mm、外径116mm的标准光盘面积,除以容量计算得出的。真实的光盘包括寻道地址等信息。相当于房屋建筑面积和使用面积的区别。

image002.jpg

图1 CD、DVD光头的结构图1

 

当波长推进到物质波的时候,比如电子的德布罗意波长远远小于光波的波长,因此电子显微镜的分辨率可以远远好于光学显微镜。当然,电子显微镜如何聚焦是一个大难题,所以电子显微镜的数值孔径一直不够高,这也是未来可以发展的方向之一。

那么,对于光刻,最开始的时候人们采用的是365nm紫外光,到2000年左右才开始发展193nm。为什么不一开始就做紫外呢?看这张图就明白了:


image004.jpg

图2 不同玻璃的透过率范围(来源于Thorlabs网站)2

 

在显微镜的物镜中,为了实现良好的色差校准,我们需要多种不同折射率的玻璃,来进行光学设计。但是当我们把波长延伸到深紫外时,绝大多数材料的透过率立即下降,甚至不透光。这使得深紫外光刻物镜的设计变得非常困难。

这就要提到第二个方法:增加数值孔径。既然NA=n*sinθ, 当sinθ的最大值只能到1时,那么提高折射率,则可以有效提升分辨率。根据这一原理,为了实现更高的分辨率,在光学显微物镜中普遍使用了浸液。浸液的折射率可以到达1.5以上,因此可以做到NA>1。

image005.jpg

图3 一款典型的油浸物镜,数值孔径达到1.42. 

在2002年,台积电的林本坚博士在一次研讨会上提出了浸入式193nm的方案。随后ASML在一年的时间内就开发出样机。随后,台积电也是第一家实现浸入式量产的公司,终于追上之前制程技术遥遥领先的英特尔,林博士因此获得了崇高的荣誉。 

image008.jpg

图4  林本坚博士。

当然,数值孔径的增加是有限度的,特别是还必须保证这层浸液也要通过UV光。因此,其中的一个解决方案,就是进一步降低波长,到达深紫外区(Extreme UltraViolet, EUV)。EUV使用的波长为13.5nm,这个波长誉为当前行业标准深紫外(DUV)系统的波长193nm的14分之一。ASML公司目前是EUV光刻机的唯一制造商。

有了这个利器,实现芯片加工中的进一步微型化----就像我们之前计算过的,在同样大小的区域内,可以平方关系地放入更多的元器件,实现器件的小型化和超大规模集成电路。


image009.jpg

图5 ASML的EUV光刻机3

 

    综上所述,实现光刻机的突破,任重道远,但却是我们必须攻克的一个关键。它决定着我们芯片产业的未来。而实现这一突破,要攻克的不仅仅是光学技术,还有相关的机械制造、精密控制、光刻胶等等。2000年时,林本坚博士通过学科交叉,解决了当时发展的一个困境;相信未来也需要多学科交叉与融合,才能够提出更好、更实用的解决方案,在EUV的基础上,继续前进。

 

参考文献

  1.  Hnili?Ka B , Voda A , Schr?Der H J . Modelling the characteristics of a photodetector in a DVD player[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2005, 120(2):494-506.

  2.  Thorlabs.com,Optical substrates, https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=6973

  3. 金捷幡, 光刻机之战,https://zhuanlan.zhihu.com/p/64862205

 




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