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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。
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:
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。
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。
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。
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
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.
Thorlabs.com,Optical substrates, https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=6973
金捷幡, 光刻机之战,https://zhuanlan.zhihu.com/p/64862205
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