一汪水把光刻分辨率推过 NA=1：193 nm 浸没式光刻的原理与工程账本

现象：先进制程里，光刻机”泡”在水里工作

如果把一台先进光刻机拆开看，最反直觉的部分在最后一段光路：镜头末端和晶圆之间，不是真空也不是空气，而是一层不断循环过滤的超纯水。这层水在行业里叫”浸没液体”，整个技术叫做浸没式光刻（immersion lithography） [S1]。

过去二十多年，芯片工艺节点从 90 nm 一路走到 5 nm 以下，主力光源始终是 193 nm 的 ArF 准分子激光。真正让这束 193 nm 光”服役”这么久的，就是这汪水：在成熟制程与部分先进制程里，193i（193 nm immersion）至今仍是主角之一 [S11]。它做的事情，是让光刻机的**数值孔径（NA）**越过 1——在空气里，这是不可能做到的。

分辨率从哪来：NA 是聚焦能力的”口径”

光刻本质上是把掩模上的图形用光投影到光刻胶上。由于衍射，任何投影系统都有分辨率极限，半导体行业最常用的估计式是：

$$CD = k_1 \cdot \frac{\lambda}{NA}$$

其中 $CD$ 是最小特征尺寸（critical dimension），$\lambda$ 是光在真空中的波长，$NA$ 是数值孔径，$k_1$ 是综合照明与工艺条件的系数，量产中典型值约 0.4 [S2]。

要缩小特征尺寸只有三条路：缩短波长、增大 NA、降低 $k_1$。波长这条路上，193 nm 之后是 157 nm（F2 激光），再之后是 EUV 的 13.5 nm，每走一步都代价巨大。于是工程师盯上了 NA——它决定了投影系统能”收拢”多大的角度。

数值孔径的定义是：

$$NA = n \cdot \sin\theta$$

$n$ 是像方介质的折射率，$\theta$ 是边缘光线与光轴的夹角（最大会聚半角）[S1][S3]。$n = 1$ 时（空气或真空），$\sin\theta$ 最大只能是 1，所以干式光刻的 NA 理论上限就是 1，量产干式系统的 NA 只做到 0.93 左右 [S1]。换句话说，空气把分辨率的天花板钉死了：想聚焦得更”尖”，锥角已经顶到极限。

水的魔法：n = 1.44 意味着什么

如果最后一段介质换成折射率大于 1 的液体，同样的会聚角下，NA 直接乘以 $n$。193 nm 处高纯水的折射率约 1.44，NIST 的精确测量值是 1.43662(2)（193.39 nm、21.5 °C）[S8][S1]。于是：

$$NA_{\text{浸没}} = 1.44 \cdot \sin\theta > 1$$

量产浸没扫描仪的 NA 做到了 1.35，是当前半导体行业最高 [S5]。回到分辨率公式：$NA$ 从约 0.93 提到 1.35，相当于把成像系统的”口径”扩大了约 45%，分辨率提升约 30–40% [S1]。

图 1：浸没式光刻的几何示意——光经过镜头系统后穿过水层，再到达晶圆表面的光刻胶。来源：Wikimedia Commons（Oleg Alexandrov），公有领域（Public domain）。

浸没式光刻示意图：镜头与水层之间的光路

直观理解：波在介质中的波长是 $\lambda / n$，光进入水后”变短了”，衍射极限随之下降，投影到光刻胶上的细节因此更细。这个类比能解释量级，但严格分析还要计入入射角、偏振与多层膜反射——高 NA 下这些效应会变得显著 [S1]，我们到”工程账本”一节再展开。

这其实是个一百多年前的老招

“用液体填充物镜与样品之间的空隙来提高分辨率”并非光刻的原创。在光刻之前，光学显微镜早就实践过同样的物理：**油浸物镜（oil immersion objective）**用折射率约 1.5 的浸油代替空气，换取更高的数值孔径和分辨率 [S1][S3]。浸没式光刻本质上把同一个思路搬到了 193 nm——区别只在于：显微镜里滴的是一滴油，光刻机里循环的是纯水，而两者的物理核心都是 NA = n·sinθ。

图 2：Ernst Leitz 油浸显微镜（历史藏品）。油浸显微术是最早的”浸没成像”实践，也是浸没光刻概念的近亲。来源：Wikimedia Commons / DPLA，公有领域（Public domain）。

Ernst Leitz 油浸显微镜

浸没光刻的现代版本由来已久：1984 年 Takanashi 等人申请了相关专利，台湾工程师 Burn J. Lin 在 1980 年代持续推动这一概念 [S1]。但直到 2000 年代初，业界才真正需要它——因为 193 nm 干式光刻在 90 nm 节点之后逼近极限，而换波长的路并不好走 [S9]。

从论文到产线：浸没光刻的二十年

浸没光刻从”概念”到”量产主力”的速度，在半导体史上算快的。几个关键节点：

时间 事件 意义
1984 Takanashi 等申请浸没专利 概念最早落地为专利
1980s Burn J. Lin 提出并推动浸没光刻 为 90 nm 之后的问题储备方案
2003 ASML 开发浸没式 DUV 系统 光刻机厂商正式入场 [S4]
2004-12 TSMC 用浸没工具产出功能完整的 90 nm 器件 业界首批”接近量产就绪”的浸没数据 [S10]
2010s NA 1.35 浸没扫描仪成为高端主力 水浸 193 nm 实现小于 45 nm 的特征 [S5][S1]
2023 193i 再度成为行业焦点 成熟制程扩产 + 先进节点辅助层的现实选择 [S11]

这张表想说明的不是”谁先发明”，而是产业切换路线的节奏：当 157 nm 的 F2 路线迟迟无法解决材料与吸收问题时，浸没让 193 nm 的存量技术栈继续吃下好几代节点 [S9][S2]。2004 年 12 月 TSMC 的 90 nm 验证是一个标志性节点：它让浸没从论文走向了晶圆厂 [S10]。

工程账本：水带来分辨率，也带来新麻烦

浸没不是”把镜头泡进水”这么简单，它有明确的物理代价。先看干式与浸没的对比：

项目 干式（空气） 浸没（水）
介质折射率 1 ≈ 1.44（193 nm）[S1][S8]
NA 上限 理论 1，量产约 0.93 量产 1.35，理论约 1.4 [S1][S5][S2]
分辨率效果 基线 相同锥角下提升约 30–40% [S1]
景深 随 NA 增大而变浅 同样变浅，但同分辨率下优于干式 [S2][S1]
新增工程问题 无 气泡、水痕、温度与纯度控制、偏振 [S1]

景深（depth of focus）是第一个代价。投影光刻的景深公式是：

$$DOF = k_2 \cdot \frac{\lambda}{NA^2}$$

$k_2$ 是另一个工艺系数。NA 增大时，分辨率按 1/NA 改善，景深却按 1/NA² 恶化 [S2]。这意味着焦平面更”浅”，光刻胶厚度、晶圆表面起伏和扫描台高度误差的容差都变严。浸没相对干式的优势在于：在相同分辨率目标下，浸没工具可以比对应的干式工具获得更好的景深 [S1]——但一旦把 NA 推向 1.35，景深依然紧张，这也是高 NA 时代必须配合化学机械抛光（CMP）平整化的原因之一 [S2]。

水的质量是第二个代价。193 nm 处高纯水的吸收系数约 0.036 cm⁻¹，本身可以接受，但任何杂质都会显著增加吸收与散射 [S7]。更麻烦的是折射率对温度敏感：水的热光系数 dn/dT = -1.00(4)×10⁻⁴ °C⁻¹，温度每漂移 0.1 °C，折射率就变化约 1×10⁻⁵ [S8]。对毫米量级的水层来说，这会直接转化为波前相位误差，所以浸没机台必须对水温做精密恒温，并让水持续循环以消除热致形变 [S2]。

第三类问题是界面与缺陷：扫描过程中水与光刻胶高速相对运动，可能留下水痕（watermark），也可能卷入气泡，气泡会让局部光路畸变；行业用顶部覆盖层（topcoat）优化液体与光刻胶的界面 [S1]。最后还有偏振：当特征逼近 40 nm、干涉角很大时，光在光刻胶中的偏振混合会降低对比度，照明光源需要专门的偏振控制 [S1]。

图 3：2014 年某 193i 扫描仪在不同产品段的基准吞吐量（WPH）随剂量的变化。高 NA 浸没的吞吐量受扫描速度与激光功率约束，剂量越大产能越低。来源：Wikimedia Commons（基于 ASML 公开数据），CC BY-SA 3.0。

193i 扫描仪吞吐量与剂量关系

产能是浸没的隐性成本。吞吐量与扫描速度成正比，而扫描速度受剂量、狭缝宽度和激光脉冲功率共同限制：剂量越高，同一台机器每小时能处理的晶圆越少 [S1]。2015 年 ASML 的 NXT:1980Di 把浸没平台做到最高约 275 片/小时，靠的是更高的扫描台速度和更强的 ArF 激光 [S1]。

为什么是”一汪水”，而不是更短的波长

既然分辨率公式里 $\lambda$ 在分子上，直觉上最直接的办法是换更短的波长。2000 年代初，业界的默认路线就是 157 nm（F2 激光）接替 193 nm。但这条路线没有走通：

  • 空气在约 185 nm 以下开始强烈吸收，157 nm 干式系统对光路环境的要求急剧升高 [S2]；
  • F2 技术存在一系列关键的材料与工艺问题，193 nm 浸没则让 ArF 存量技术栈继续扩容，经济和工程上更有吸引力 [S9][S2]。

浸没等于用”换介质”替代了”换波长”：193 nm 光在水中等效于约 134 nm 的”有效波长”，且不用重建整套光源、光学材料和洁净环境 [S1]。这就是为什么 157 nm 计划最终让位于 193 nm 浸没——不是波长输了，是”波长 × 介质”的组合赢了。

现在与未来：1.35 的天花板和多重曝光

浸没也有自己的天花板。水的折射率只有约 1.44，量产 NA 停在 1.35；NA=1.35、193 nm 的浸没工具，分辨率极限大约在 36 nm 附近 [S1][S5]。低于这个尺度怎么办？答案是多重曝光（multiple patterning）：把一层图形拆成两三层分别曝光再套叠，用次数换分辨率，代价是成本和工艺复杂度上升 [S1][S11]。

这也是 193i 至今无法退役的原因：EUV 进入量产（2018 年前后）后主要用于最先进的逻辑节点，而成熟制程与先进节点的非关键层仍大量依赖 193i 与多重曝光 [S2][S11]。EUV 是反射式光学、工作在真空里，不存在”泡水”这回事；两套系统在未来很长一段时间内会并行存在 [S2][S11]。

结论与延伸

把这条因果链收拢：分辨率由 CD = k1·λ/NA 决定 → NA = n·sinθ 被空气钉死在 1 → 用 n≈1.44 的水解封 NA → 193 nm 光继续服役二十年 → 代价是景深变浅、水要超纯恒温、界面缺陷与偏振要处理。浸没式光刻不是把镜头泡进水，而是用一个精心维护的”液态透镜”换来了分辨率，同时把一堆工程问题从光源搬到了液体上。

与平台历史文章的关系：

  • 平台《光刻光学邻近效应与 OPC 修正》讲的是成像系统作为”低通滤波器”如何让图形失真；浸没提高 NA，本质上是把这个低通滤波器的通带拓宽——但通带拓宽之后，残余像差与邻近效应依然要靠 OPC 等计算光刻手段补偿，两者是同一个链条上的两个环节。
  • 平台《GDS 圆弧离散与制造容差》讲的是设计数据如何逼近几何；本文则说明”几何”本身要经过一层水、一个镜头和一块光刻胶才能落到硅片上。

下次看到”193i 产能不足””浸没机台涨价”这类新闻时，可以想起：那汪水的背后，是一整套关于折射率、景深、温度与缺陷控制的物理账本。

参考资料

半导体相关
#光学 #半导体 #光刻 #浸没式光刻 #数值孔径 #193nm
一汪水把光刻分辨率推过 NA=1：193 nm 浸没式光刻的原理与工程账本
https://time-frame.cloud/2026/08/06/2026-08-06-immersion-lithography/
作者
Time Frame
发布于
2026年8月6日
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