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光刻機(jī)發(fā)展要另辟蹊徑?

作者: 時(shí)間:2023-09-25 來(lái)源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫 收藏

最近,話題異?;馃?,似乎全世界都在關(guān)注中國(guó)本土相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202309/450928.htm

要想制造出一臺(tái)可商用的高端(可制造 7nm 及更先進(jìn)制程芯片),是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,因?yàn)楦叨?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光刻機(jī)">光刻機(jī)所需要的精密零部件太多了,每一種的技術(shù)含量都非常高,而且,要想把這些零部件組合成一臺(tái)可用的機(jī)器,需要長(zhǎng)期的技術(shù)和實(shí)踐積累。

光刻這個(gè)概念,有廣義和狹義之分。在狹義層面,就是用光去「復(fù)印」集成電路圖案,這也是我們常說(shuō)的光學(xué)光刻技術(shù),特別是紫外線光刻技術(shù)(DUV 和 EUV)。在廣義層面,光刻泛指各種集成電路「復(fù)印」和「印刷」技術(shù),這些技術(shù)中,有的用光,有的不用光(如電子束和納米壓印光刻)。

按應(yīng)用劃分,半導(dǎo)體光刻技術(shù)主要用在三個(gè)領(lǐng)域:前道工序的集成電路制造,后道工序的芯片封裝,以及顯示面板的制造。其中,技術(shù)含量最高、受關(guān)注度最高的就是前道工序光刻工藝,我們常說(shuō)的 DUV 和 EUV,就是這一部分應(yīng)用。本文主要討論這一領(lǐng)域的光刻技術(shù)。

光刻技術(shù)總覽

首先,我們先從廣義層面了解一下各種光刻技術(shù)。

在半導(dǎo)體行業(yè),光刻技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段,接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光刻、分步(重復(fù))投影光刻出現(xiàn)時(shí)間較早。目前,集成電路制造主要采用光學(xué)光刻技術(shù),包括掃描式光刻、浸沒(méi)式掃描光刻、極紫外光刻工藝。此外,還有 X 射線、電子束光刻、聚焦粒子束光刻、納米壓印、激光直寫(xiě)技術(shù)。

光學(xué)光刻,是通過(guò)照射,用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)圖形「畫(huà)」在涂有光刻膠的硅片上,通過(guò)光的照射,光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而生成電路圖,光學(xué)光刻需要掩模。集成電路的最小特征尺寸與光刻系統(tǒng)的分辨率直接相關(guān),而減小照射光源的波長(zhǎng)是提高分辨率的有效途徑。因此,開(kāi)發(fā)新型短波長(zhǎng)光源光刻機(jī)一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

電子束光刻,該技術(shù)不需要掩模,直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。電子束光刻存在的一些問(wèn)題阻礙了該技術(shù)的普及,例如:電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng);在實(shí)現(xiàn)納米尺度的加工中,電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術(shù)問(wèn)題。

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)光刻,是利用電透鏡將離子束聚焦成小尺寸的顯微切割儀器,它的工作原理與電子束光刻相近。目前,商用的離子束為液態(tài)金屬離子源,金屬材質(zhì)為鎵。典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測(cè)器、5-6 軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電子控制面板,以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備。外加電場(chǎng)于液相金屬離子源,可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端,再加上負(fù)電場(chǎng),牽引尖端的鎵,導(dǎo)出鎵離子束,通過(guò)電透鏡聚焦,經(jīng)過(guò)一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA) 可調(diào)整離子束的大小,再經(jīng)過(guò)二次聚焦至試片表面,利用物理碰撞來(lái)達(dá)到切割的目的。

納米壓印光刻,采用電子束等技術(shù)將電路圖案刻制在掩模版上,然后通過(guò)掩模使對(duì)象上的聚合物變形,再采用某種方式使聚合物固化,進(jìn)而完成圖案的轉(zhuǎn)移。納米壓印分辨率高,成本低,但存在刻套誤差大、缺陷率高、掩模版易被污染的缺點(diǎn)。

主流光學(xué)光刻工藝

如前文所述,狹義層面的光刻,也就是目前的主流光刻技術(shù),其基本原理是:利用光通過(guò)具有圖形的光罩(掩模版)對(duì)涂有光刻膠的晶圓曝光,光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化,使光罩上的電路圖復(fù)印到晶圓上,形成電子線路圖。

光刻系統(tǒng)非常復(fù)雜,整個(gè)設(shè)備由光源、投影物鏡、工件臺(tái)、掩模臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)與測(cè)量、掩模傳輸、晶圓傳輸?shù)炔糠纸M成。此外,還需要環(huán)境與電氣系統(tǒng)、光刻計(jì)算(OPC)與掩模優(yōu)化(SMO)軟件、顯影、涂膠設(shè)備提供支持。


隨著制程工藝的演進(jìn),光刻機(jī)各個(gè)系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化升級(jí),雙工件臺(tái)技術(shù)與浸液技術(shù)相繼被采用。

目前,在前道工序集成電路制造方面,主要采用的都是紫外線光刻工藝,包括深紫外 DUV 和極紫外 EUV。而在早些年,半導(dǎo)體制程工藝還沒(méi)演進(jìn)到 180nm 節(jié)點(diǎn),那時(shí)的光刻精度沒(méi)現(xiàn)在這么高,也不需要用到 DUV 和 EUV,采用的是接觸/接近式光刻機(jī)(Aligner),掃描投影/重復(fù)步進(jìn)光刻機(jī)(Stepper)。

當(dāng)制程工藝發(fā)展到 0.25 微米后,步進(jìn)掃描式光刻機(jī)(Scanner)的掃描曝光視場(chǎng)尺寸與曝光均勻性更具優(yōu)勢(shì),逐步成為主流光刻設(shè)備(DUV 和 EUV)。其利用 26mm x 8mm 的狹縫,采用動(dòng)態(tài)掃描的方式(掩模版與晶圓片同步運(yùn)動(dòng)),可以實(shí)現(xiàn) 26mm x 33mm 的曝光場(chǎng)。當(dāng)前曝光場(chǎng)掃描完畢后,轉(zhuǎn)移至下一曝光場(chǎng),直至整個(gè)晶圓曝光完畢。

為了滿足不斷提升的性能指標(biāo)要求,光刻機(jī)的各個(gè)組成系統(tǒng)不斷突破光學(xué)、精密機(jī)械、材料等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)高精尖技術(shù)的融合。最近這幾年,在 EUV 光刻系統(tǒng)中,光源的重要性似乎更加凸出,也受到了更多關(guān)注。

通過(guò)配置不同類型的光源(i 線、KrF、ArF,EUV),步進(jìn)掃描光刻機(jī)可以支持所有集成電路制程節(jié)點(diǎn),但為滿足最先進(jìn)制程的要求,每一代步進(jìn)掃描光刻機(jī)都?xì)v經(jīng)了重大技術(shù)升級(jí),例如:步進(jìn)掃描式光刻機(jī) 26mm x 8mm 的靜態(tài)曝光場(chǎng)相對(duì)較小,降低了物鏡系統(tǒng)制造的難度;但其工件臺(tái)與掩模臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)掃描方式,提升了對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求。

從 DUV 到 EUV

自 1990 年 SVGL 公司推出 Micrascan I 步進(jìn)掃描光刻機(jī)以來(lái),光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)就進(jìn)入了 DUV 時(shí)代,一直到 7nm 芯片量產(chǎn),DUV 都是市場(chǎng)的統(tǒng)治者。在這一過(guò)程中,DUV 技術(shù)也在不斷演進(jìn),以滿足制程工藝的發(fā)展要求。例如,越先進(jìn)的制程,其線寬越小,這就需要光刻機(jī)具有更高的曝光分辨率,為了提升分辨率,要不斷提高光刻機(jī)物鏡的數(shù)值孔徑(NA),并采用波長(zhǎng)更短的光源,另外,浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)也是一大發(fā)明,它通過(guò)在物鏡鏡頭和晶圓之間增加去離子水來(lái)增大折射率,達(dá)到了提升分辨率的效果。

當(dāng)制程工藝發(fā)展到 22nm 時(shí),必須引入新的方法才能進(jìn)一步提升光刻的分辨率,多重曝光技術(shù)誕生。多重曝光技術(shù)有多種類型,包括:雙重曝光(DE),曝光-固化-曝光-刻蝕(LFLE),雙重曝光(LELE),三重曝光(LELELE),自對(duì)準(zhǔn)多重曝光(SAMP)。

多重曝光是把原來(lái)一層光刻圖形拆分到兩個(gè)或多個(gè)掩模版上,以實(shí)現(xiàn)圖像密度的疊加,這樣就實(shí)現(xiàn)了比光刻機(jī)極限分辨率更小的圖形。例如,用 DUV 加上四重曝光技術(shù)(SAQP)進(jìn)行多次曝光處理,可使制程工藝水平由雙重曝光(SADP)的 40nm 提升到 20nm。

當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)演進(jìn)到 5nm 時(shí),DUV 和多重曝光技術(shù)的組合也難以滿足量產(chǎn)需求了,EUV 光刻機(jī)就成為前道工序的必需品了,沒(méi)有它,很難制造出符合應(yīng)用需求的 5nm 芯片,即使不用 EUV 能制造出一些 5nm 芯片,其整個(gè)生產(chǎn)線的良率也非常低,無(wú)法形成大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。

隨著制程節(jié)點(diǎn)不斷演進(jìn),3nm、2nm 芯片已經(jīng)或即將問(wèn)世,行業(yè)對(duì) EUV 光刻機(jī)的要求越來(lái)越高,對(duì)其發(fā)展前景和發(fā)展路徑也提出了更多期待。

雖然 EUV 光刻系統(tǒng)每一個(gè)主要組成部分都需要高精尖技術(shù),但光源的重要性更加凸出,特別是近些年,中國(guó)在發(fā)展 EUV 光刻機(jī)方面不斷積蓄力量,光源是重中之重。

光源波長(zhǎng)越短,光刻機(jī)分辨率越高,制程工藝越先進(jìn)。與 DUV 使用的準(zhǔn)分子激光光源不同,EUV 光刻機(jī)采用 13.5nm 波長(zhǎng)的離子體光源,這種光源是通過(guò)二氧化碳激光器轟擊霧化的錫(Sn)金屬液滴,將它們蒸發(fā)成等離子體(激光等離子體,LPP),通過(guò)高價(jià)錫離子能級(jí)間的躍遷獲得的。

EUV 的未來(lái)發(fā)展路徑

目前,3nm 制程芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),未來(lái) 3 年內(nèi),2nm 量產(chǎn)幾無(wú)懸念,而在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾年內(nèi),1nm,甚至更先進(jìn)制程芯片也將陸續(xù)量產(chǎn)。在這樣的行業(yè)背景下,EUV 光刻機(jī)的重要性愈加凸出。

目前來(lái)看,EUV 光刻機(jī)必須不斷演進(jìn),才能跟上制程工藝發(fā)展的步伐,而要提升光刻精度,除了提升物鏡的數(shù)值孔徑 NA,人們將主要精力放在了提升光源分辨率上,增加光源功率是一條重要發(fā)展路徑。

目前,最先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)都是由 ASML 生產(chǎn)的,已商用的 EUV 的 NA 最高達(dá)到了 0.33,而 NA 值為 0.55 的 EUV 產(chǎn)品也將在 2024 年問(wèn)世,并有望在 2025 年實(shí)現(xiàn)商用。

光源方面,要提升功率,有幾條發(fā)展路徑可供選擇。

一、傳統(tǒng)的 LPP 光源系統(tǒng),可以在已有基礎(chǔ)上,不斷增加功率。

LPP 光源的好處是轉(zhuǎn)換率高,大廠都希望功率能達(dá)到 200W 以上的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),這就需要龐大的二氧化碳激光裝置。在實(shí)際應(yīng)用中,高水平的 EUV LPP 光源的激光器需要達(dá)到 20kW 的功率,而這樣的發(fā)射功率經(jīng)過(guò)重重反射,達(dá)到焦點(diǎn)處的功率只有 350W 左右。

更小的功率并不是說(shuō)不能正常運(yùn)行,只是對(duì)于一臺(tái)售價(jià)上億美元的光刻機(jī)來(lái)說(shuō),這樣的功率還不足以最大化利用率,尤其是到了 3nm 和 2nm 制程節(jié)點(diǎn)后,為了最大化掃描速度,3nm 節(jié)點(diǎn)需要 1500W 的焦點(diǎn)功率,2nm 節(jié)點(diǎn)需要 2800W 的焦點(diǎn)功率。而這樣的功率是現(xiàn)有 LPP EUV 達(dá)不到的。目前,在這方面較為領(lǐng)先,也在加緊研究的是 ASML 公司。

二、可以采用分時(shí)高功率光纖激光器射擊液態(tài)錫靶技術(shù),用這種方法制造的光源,其光源功率有望超過(guò)傳統(tǒng) LPP 數(shù)倍。

三、使用能量回收型直線加速器(ERL)的 FEL(自由電子激光)方案,這種光源的極限功率也很高,最高可達(dá) 10kW。根據(jù)日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)給出的數(shù)據(jù),F(xiàn)EL 可以做到近 LPP 方案七分之一的耗電成本。不過(guò),這種光源存在不少需要突破的技術(shù)難點(diǎn),而且造價(jià)高昂。

四、基于穩(wěn)態(tài)微聚束(Steady-state microbunching,SSMB)技術(shù)的粒子加速器光源。SSMB 概念由斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)訪問(wèn)教授趙午與其博士生 Daniel Ratner 于 2010 年提出。

基于 SSMB 原理,能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射,波長(zhǎng)可覆蓋從太赫茲到極紫外波段。下圖所示為 SSMB 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖。


基于 SSMB 的 EUV 光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率,并具備向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展的潛力,為大功率 EUV 光源的突破提供了新思路。

目前,清華大學(xué)正積極支持和推動(dòng) SSMB EUV 光源在國(guó)家層面的立項(xiàng)工作,清華 SSMB 研究組已向國(guó)家發(fā)改委提交「穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置」的項(xiàng)目建議書(shū),申報(bào)「十四五」國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

結(jié)語(yǔ)

光刻機(jī)從誕生到現(xiàn)在,經(jīng)歷了多次迭代,發(fā)展出了多種應(yīng)用技術(shù),為了應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的應(yīng)用需求,新的技術(shù)高峰和難題也在等待業(yè)界去攀登和攻克。

對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言,面對(duì)外部壓力,需要在保持國(guó)際供應(yīng)鏈通道的同時(shí),不斷強(qiáng)化自研能力,光刻機(jī),特別是 EUV 光刻機(jī)是重要一環(huán)。目前,中國(guó)本土企業(yè)在封裝和顯示面板用光刻機(jī)方面已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主,但在先進(jìn)制程芯片制造方面,還有很長(zhǎng)的路要走。

在提升 EUV 光源功率水平方面,已出現(xiàn)多條發(fā)展路徑,無(wú)論是走傳統(tǒng)技術(shù)路線,還是另辟蹊徑,尋找更好的追趕國(guó)際先進(jìn)光刻技術(shù)水平的解決方案,都需要踏踏實(shí)實(shí)地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和工程驗(yàn)證工作,絕對(duì)不是短期內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)的,需要長(zhǎng)期堅(jiān)持,不懈努力。



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