2000年代初，芯片行業(yè)一直致力于從193納米氟化氬（ArF）光源光刻技術(shù)過渡到157納米氟（F 2 ）光源光刻技術(shù)。就像藝術(shù)家希望用細(xì)線筆代替記號(hào)筆來繪制更精確、更詳細(xì)的圖片一樣，這種向更小波長(zhǎng)的重大轉(zhuǎn)變是業(yè)界希望繼續(xù)縮小晶體管并在芯片上實(shí)現(xiàn)更多計(jì)算能力和存儲(chǔ)功能的希望。然而，意想不到的事態(tài)發(fā)展證明了將工程推向極限的風(fēng)險(xiǎn)，但物理定律并不同意。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè) 157 納米光刻系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)完成時(shí)，采用氟化鈣透鏡作為這些系統(tǒng)中的新型光學(xué)器件被認(rèn)為具有挑戰(zhàn)性但又可行。然而，實(shí)際原型光刻系統(tǒng)的成像實(shí)驗(yàn)揭示了顯著的雙折射效應(yīng)。更糟糕的是，這種效應(yīng)是氟化鈣固有的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了成像規(guī)格。由于明顯的光刻路線圖似乎已經(jīng)陷入停滯，芯片行業(yè)陷入了困境。

一灘水，命運(yùn)的轉(zhuǎn)折

2001 年 12 月，ASML 研究員 Jan Mulkens（現(xiàn)為ASML Fellow）參加了在美國舉行的 157 納米光刻行業(yè)會(huì)議，行業(yè)專業(yè)人士齊聚一堂，共同確定下一步可能采取的措施。他們的討論集中在在鏡頭下添加一層純凈水以提高分辨率，這是顯微鏡先驅(qū)羅伯特·胡克（Robert Hooke）和安東尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek ）首次發(fā)現(xiàn)并利用的光學(xué)現(xiàn)象，并于 20 世紀(jì) 80 年代首次由 IBM 描述用于光刻。Jan 和他的同事意識(shí)到，這種光學(xué)技術(shù)可以進(jìn)一步擴(kuò)展 193 納米光刻技術(shù)，繞過業(yè)界試圖修復(fù) 157 納米光刻技術(shù)的緊迫挑戰(zhàn)。此外，通過使用水作為光學(xué)流體，所有現(xiàn)有的光學(xué)器件、掩模和光刻膠都可以繼續(xù)使用。這是維持摩爾定律的最佳機(jī)會(huì) 。

Jan 解釋道：“通過高度純化的水投射光將可以打印出明顯更小的芯片特征，因?yàn)檫@種液體可以設(shè)計(jì)光學(xué)透鏡，從而更準(zhǔn)確地對(duì)晶圓上的精細(xì)圖案進(jìn)行成像。”在***中使用這一原理，人們覺得很奇怪。水與飛濺、水滴和氣泡有關(guān)——這真的能在復(fù)雜且高精度的成像系統(tǒng)中發(fā)揮作用嗎？” 將可能無法安全可靠地通過軟管流動(dòng)的水引入系統(tǒng)似乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

回到位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的 ASML 總部后，Jan 組建了一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，相信競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手很快就會(huì)效仿。想要抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，就必須盡快行動(dòng)。帶著高度的緊迫感，Jan 的團(tuán)隊(duì)首先定義并測(cè)試了一些基本的沉浸式概念。“當(dāng)我們通過一系列實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)架構(gòu)的概念想法展示浸沒式光刻的基本可行性時(shí)，我們獲得了批準(zhǔn)，可以與 20 名同事組成的團(tuán)隊(duì)將我們的概念擴(kuò)展到全尺寸原型系統(tǒng)，”Jan 回憶道。

加速 ASML 沉浸式計(jì)劃的三大優(yōu)勢(shì)

借助TWINSCAN 平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)取得了快速進(jìn)展。得益于專有的雙級(jí)架構(gòu)，我們的系統(tǒng)能夠同時(shí)執(zhí)行兩件事：一個(gè)級(jí)測(cè)量晶圓位置以實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)和聚焦，而另一個(gè)級(jí)在透鏡下方精確移動(dòng)以對(duì)晶圓上的圖案進(jìn)行成像。Jan 的團(tuán)隊(duì)在勾畫出浸沒式系統(tǒng)的雙級(jí)架構(gòu)時(shí)意識(shí)到，芯片制造商可以在一個(gè)階段利用浸沒式光刻的分辨率增強(qiáng)功能，同時(shí)在另一個(gè)階段繼續(xù)使用我們久經(jīng)考驗(yàn)的干式計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)雙贏。

我們的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是與蔡司的密切合作。在采用 Veldhoven 系統(tǒng)架構(gòu)的同時(shí)，位于德國 Oberkochen 的蔡司光學(xué)設(shè)計(jì)工程師想出了如何稍微修改常規(guī)鏡頭，以便將其用于浸沒式光刻。因此，芯片制造商看到了在其試點(diǎn)工廠快速測(cè)試早期浸入式系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，同時(shí)為利用新技術(shù)進(jìn)行大批量芯片制造做好準(zhǔn)備。

浸沒式 DUV 系統(tǒng)與干式系統(tǒng)不同，前者在透鏡和晶圓之間含有一層水。

最后，我們的生態(tài)系統(tǒng)提供了另一個(gè)好處：長(zhǎng)期研究合作伙伴飛利浦研究中心開發(fā)了一種利用浸沒式透鏡的高密度光學(xué)記錄技術(shù)。他們的研究和工程專業(yè)知識(shí)被用于開發(fā)光刻系統(tǒng)的技術(shù)概念，該系統(tǒng)可以在鏡頭下移動(dòng)和保持水。

到 2003 年秋季，沉浸式團(tuán)隊(duì)能夠在名為 TWINSCAN AT:1150i 的 ASML 原型系統(tǒng)上展示具體的成像結(jié)果。“原型結(jié)果幾乎立即改變了光刻路線圖，”Jan 說。“我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)定義了一系列新的光刻系統(tǒng)，這將直接解決芯片行業(yè)的分辨率問題。”

同年12月，我們公開發(fā)布了業(yè)界首款浸沒式光刻系統(tǒng)TWINSCAN XT:1250i。該預(yù)生產(chǎn)系統(tǒng)將浸沒式光刻的增強(qiáng)分辨率和焦深與 XT（一個(gè)更加緊湊的平臺(tái)）上的干式光刻精度相結(jié)合。

控制討厭的水坑

雖然我們?nèi)〉昧司薮蟮倪M(jìn)步，但浸沒式光刻技術(shù)還沒有走出困境。現(xiàn)在必須為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。缺陷對(duì)早期浸入式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成了真正的威脅，因?yàn)樵诠杈A上復(fù)制掩模幾何圖案時(shí)的任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量損失，而產(chǎn)量損失是芯片制造商大規(guī)模生產(chǎn)過程中最重要的性能指標(biāo)。在高速平臺(tái)上添加一灘水會(huì)帶來兩個(gè)新的潛在缺陷來源：鏡頭下可能會(huì)形成氣泡，從而降低成像性能。更糟糕的是，逸出的水滴可能會(huì)與晶圓上的感光涂層發(fā)生不可控制的相互作用。通過減慢晶圓階段來犧牲系統(tǒng)生產(chǎn)力并不是一種選擇：這樣做會(huì)使系統(tǒng)變得難以承受。

為了更好地了解水坑的行為并找到控制它的方法，ASML 的研究人員再次利用了我們廣泛的學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)。德國特溫特大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)和力學(xué)研究員 Detlef Lohse 教授投入了大量時(shí)間和精力來加深我們對(duì)浸沒式光刻基礎(chǔ)物理的了解。這種加深的理解激發(fā)了我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和高科技供應(yīng)鏈的工程創(chuàng)意。該團(tuán)隊(duì)縮小了解決方案空間，足以確定一個(gè)基本的工程機(jī)制：被稱為“浸沒罩”的光刻系統(tǒng)的這個(gè)新部分在最后一個(gè)透鏡元件周圍形成一個(gè)環(huán)來控制水坑。“在接下來的幾年里，基本原型可以得到測(cè)試，最好的概念將被工業(yè)化，臺(tái)積電 (TSMC)宣布推出首款采用我們?cè)缙诮胧较到y(tǒng)制造的全功能 90 納米節(jié)點(diǎn)芯片。

到 2006 年，我們推出了 XT:1700Fi，將浸沒式光刻技術(shù)引入批量生產(chǎn)。新系統(tǒng)的數(shù)值孔徑從 0.93 增加到 1.2，繞過了預(yù)浸入障礙 1.0，并提供了繼續(xù)縮小晶體管至 65 納米節(jié)點(diǎn)以上的可行途徑。該系統(tǒng)破紀(jì)錄的成像性能使芯片制造商能夠?qū)⒎直媛侍岣?0%，這是幾十年來最大的進(jìn)步，同時(shí)系統(tǒng)生產(chǎn)率提高到每小時(shí)122片晶圓，這也是當(dāng)時(shí)的記錄。

隨后進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和新系統(tǒng)，提高了成像性能和系統(tǒng)生產(chǎn)率，同時(shí)使芯片制造商能夠趕上摩爾定律并推動(dòng)其路線圖向前發(fā)展。

多重圖案和終極沉浸式平臺(tái)

雖然浸沒式光刻技術(shù)顯著提高了分辨率，但摩爾定律仍然有增無減。芯片制造商很快意識(shí)到，需要更清晰的成像才能實(shí)現(xiàn) 32 納米及更高節(jié)點(diǎn)的路線圖。芯片制造商開始嘗試各種類型的多重圖案技術(shù)，該技術(shù)暴露多個(gè)更簡(jiǎn)單的交錯(cuò)圖案以創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的層圖案。

“多重圖案化“這是光刻技術(shù)的根本性變化。”Jos 評(píng)論道。“突然間，覆蓋范圍（而不是成像分辨率）成為實(shí)現(xiàn)縮小的關(guān)鍵參數(shù)。多重圖案化的額外成本使得提高浸入式系統(tǒng)的生產(chǎn)率變得至關(guān)重要，以便保持縮小成本效益。” 這就是我們開始開發(fā) NXT 平臺(tái)的原因，它是緊湊型 XT 平臺(tái)的后繼產(chǎn)品。該平臺(tái)使用磁懸浮晶圓平臺(tái)和基于編碼器而不是干涉儀的位置測(cè)量系統(tǒng)，能夠以更高的速度更精確地定位平臺(tái)以及更快的平臺(tái)交換。在時(shí)間就是金錢的行業(yè)中，我們將NXT平臺(tái)的速度與浸沒式光刻的分辨率相結(jié)合的能力確保了NXT平臺(tái)的市場(chǎng)份額能夠持續(xù)增長(zhǎng)。

浸沒式光刻技術(shù)持續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新

目前，NXT 平臺(tái)約占迄今為止已發(fā)貨的 1,100 多個(gè)沉浸式系統(tǒng)的 80%。浸入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求處于歷史最高水平，預(yù)計(jì)到 2023 年之后仍將保持強(qiáng)勁。我們?nèi)ツ昴甑装l(fā)布的最新 NXT 浸入式掃描儀 NXT:2100i 體現(xiàn)了我們工程師堅(jiān)定不移地致力于推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)向前發(fā)展。由于鏡頭調(diào)整系統(tǒng)，它具有下一代成像功能，目前用于全球領(lǐng)先芯片制造商的最先進(jìn)的芯片節(jié)點(diǎn)。總體而言，NXT 浸沒式系統(tǒng)的生產(chǎn)率在過去 9 年中增加了一倍多，最新的系統(tǒng)每天能夠運(yùn)行超過 6,000 個(gè)晶圓。這對(duì)于芯片制造商來說意味著物有所值。

毫不夸張地說，為了在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)需要了解并應(yīng)對(duì)行業(yè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)，即解決技術(shù)復(fù)雜性，同時(shí)確保制造負(fù)擔(dān)能力。這是始終指導(dǎo)我們努力實(shí)現(xiàn)浸沒式光刻成果的基本方法，雖然該技術(shù)的挑戰(zhàn)隨著時(shí)間的推移而不斷變化，但我們對(duì)浸沒式光刻技術(shù)的生產(chǎn)力和芯片制造商以及整個(gè)行業(yè)的承受能力的關(guān)注將保持不變。