光刻行業(yè)遭雙重打擊 下一代技術面臨難題

　　曾經(jīng)看來大有希望的遠紫外(EUV)光刻技術面臨著重重困難，193納米沉浸式技術似乎成為了必然的選擇，但成本高昂，而且很難延伸到16納米節(jié)點以下。半導體光刻工藝正面臨著技術和成本方面的雙重壓力。 

　　半導體光刻工藝面臨技術和成本壓力 

　　光刻行業(yè)正遭到雙重打擊：對用于集成電路生產(chǎn)的遠紫外光刻技術而言，機會窗口在慢慢關閉；而最有希望的一項替代技術即193納米沉浸式光刻技術卻成本高昂，于是行業(yè)陷入一片混亂當中。成本增加會對芯片尺寸的繼續(xù)縮小帶來嚴重的影響。 

　　在近期國際光學工程學會(SPIE)主辦的先進光刻技術大會上，種種不利跡象表明，一再推遲的遠紫外光刻技術可能會進一步推遲到2013年，用于16納米節(jié)點——如果該技術果真能實現(xiàn)的話。這可能會妨礙像英特爾和三星這些站在前沿的芯片生產(chǎn)商，它們曾希望有機會獲得遠紫外光刻工具，用于2011年22納米節(jié)點的早期開發(fā)階段。 

　　遠紫外光刻技術存在的問題為一批新興技術提供了契機，譬如沉浸式光刻、無掩膜光刻和納米壓印光刻。但至少就32納米和22納米節(jié)點而言，領先的競爭技術還是193納米沉浸式光刻，這項光刻技術涉及“兩次曝光(doub  
le exposure)”和“兩次圖形曝光(double patterning)”這兩個熱門術語。 

　　雖然許多公司已經(jīng)證明了兩次曝光和兩次圖形曝光切實可行，但沉浸式光刻技術的成本高于如今的圖形曝光方法。這意味著，芯片制造成本將來可能會大幅提升。這會對將來繼續(xù)竭力為每個工藝技術節(jié)點降低集成電路的比特價格帶來不利影響。 

　　在SPIE先進光刻技術大會上，應用材料公司、海力士、IBM和比利時校際微電子研究中心(IMEC)各自介紹了有望降低這項技術成本的方法。 

　　分析師G. Dan Hutcheson是VLSI研究公司的首席執(zhí)行官，他認為如果業(yè)界不去尋找新的光刻解決方案，摩爾定律就會失效。 

　　Hutcheson仍認為，遠紫外光刻技術有一席之地。他說：“遠紫外光刻技術大有前途，但可能是在22納米之后的某個時候。遠紫外光刻技術會出現(xiàn)在16納米階段。”Hutcheson對無掩膜光刻和納米壓印光刻較為悲觀。他說：“除了研究領域外，無掩膜光刻不可能取得成功。納米壓印光刻技術也在半導體行業(yè)沒有用武之地?！?nbsp;

　　這樣一來，193納米沉浸式光刻技術成了近期的選擇。 

　　IBM公司最近宣布，它并沒有指望將遠紫外光刻技術用于邏輯芯片的22納米節(jié)點的早期開發(fā)階段——之前這家公司還對此寄予希望——遠紫外光刻技術的前景顯得更黯淡了。IBM及合作伙伴聲稱，它們會把193納米沉浸式光刻技術向下擴展到22納米節(jié)點，這要歸功于兩次圖形曝光或者兩次曝光技術。 

　　IBM杰出工程師、光刻技術開發(fā)部門主管George Gomba在SPIE技術大會上做報告時說：“用于22納米節(jié)點早期開發(fā)的遠紫外光刻技術將會推遲。沉浸式光刻技術將是惟一能夠滿足22納米節(jié)點的兩年周期和需求的解決方案?！?nbsp;

　　遠紫外光刻技術的主要支持者英特爾公司同意IBM的評價。英特爾高級研究員、技術和生產(chǎn)部的先進光刻部門主管Yan Borodovsky說：“我們會有一樣的看法?！彼f，遠紫外光刻技術仍存在一直以來阻礙開發(fā)的“同一些問題”，包括缺少光掩膜、功率源和光刻膠(resist)。另外，每臺光刻機的售價可能高達驚人的7000萬美元。 

　　圓晶代工巨頭臺積電公司的微制像技術發(fā)展處資深處長林本堅在SPIE大會上說：“人家說魔鬼在于細節(jié)；我要說，魔鬼在于掩膜、功率源和成本?！?nbsp;

　　英特爾的Borodovsky說，接下來的12到18個月對實現(xiàn)遠紫外光刻技術至關重要。不過他堅持認為，這項技術仍在英特爾的路線圖上，用于2011年的22納米節(jié)點。 

　　實際上，遠紫外光刻技術在英特爾內(nèi)部已經(jīng)推遲了幾次。英特爾曾想利用遠紫外光刻技術用于32納米節(jié)點。但去年，英特爾推遲了將這項技術投入32納米生產(chǎn)的工作。 

　　大相徑庭的技術 

　　遠紫外光刻技術使用13.5納米波長，與如今使用的傳統(tǒng)光刻工具大相徑庭。工藝步驟在多反射鏡真空室里面進行。光學元件基本上是沒有缺陷的反射鏡，這些反射鏡通過層間干擾來反射光線。 

　　將遠紫外光刻技術投入市場方面的進展很緩慢。譬如說，為了獲得每小時生產(chǎn)100塊圓晶的產(chǎn)能，遠紫外光刻工具要有可以生成100瓦持續(xù)功率的功率源。迄今為止，最好的功率源在猝發(fā)模式下也只能生成四分之一的持續(xù)功率。 

　　最近，光刻設備巨頭ASML控股公司為比利時勒芬的IMEC芯片生產(chǎn)研究組織和總部設在紐約的奧爾巴尼納米技術研究中心交付了遠紫外光刻“演示型”工具。ASML現(xiàn)正在開發(fā)一種更先進的“預生產(chǎn)型”遠紫外光刻設備，定于2009年下半年批量生產(chǎn)。上周，ASML聲稱它在這個方面取得了突破，它可以使用該工具刻印32納米密集線路和接觸孔。 

　　ASML公司的營銷副總裁Peter Jenkins說：“這是難度很大的技術。我們認為，能夠顯示低于30納米的圖案這項功能極具意義?！?nbsp;

　　不甘落后的競爭對手尼康公司在上周披露了遠紫外光刻技術路線圖，聲稱它會在年底之前交付兩款原型，并在2009年年底之前推出一款生產(chǎn)型設備。 

　　在幕后，ASML、佳能和尼康彼此競相開發(fā)新的193納米沉浸式掃描光刻設備，這種設備用于兩次曝光和兩次圖形曝光時代。首款這種設備定于2008年年中前后推出。 

　　兩次曝光的優(yōu)點 

　　幾家芯片生產(chǎn)商已經(jīng)將兩次圖形曝光技術運用到集成電路生產(chǎn)，據(jù)說美光科技公司也在此列。兩次圖形曝光要求進行兩次曝光，首先曝光一半線路、進行蝕刻、執(zhí)行其他步驟。然后，另一光刻膠涂層做到圓晶上，另一半圖案在第一批線路之間的空隙里面曝光。這種方法成本高、速度慢，但從技術上來說相對容易，不過要求大約2納米的套刻精度(overlay accuracy)。 

　　于兩次曝光，它需要先曝光一批線路，然后在執(zhí)行其他工藝步驟之前，將曝光圖案移到鄰近地方，對第二批線路進行曝光。雖然兩次曝光  
速度比兩次圖形曝光快，但關鍵是找到一種非線性光刻膠——這種光刻膠的化學特性能夠吸收來自鄰近曝光的弱光，又不會形成圖案。 

　　至于邏輯芯片的生產(chǎn)，IBM上周提議后段制程采用基于暗場、雙極照明的兩次曝光技術。雙極照明可以把掩膜圖案分為X軸和Y軸兩層，然后對它們進行兩次曝光。 

　　IBM在實驗室里面使用了數(shù)值孔徑為0.93的193納米沉浸式掃描設備。IBM使用ASML的Maskweaver光學鄰近校正工具和專門的三層光刻膠，聲稱已演示了第一層金屬線之間的間距為90到100納米的器件。 

　　IMEC已開發(fā)出一種兩次圖形曝光技術，能夠獲得50納米半間距、單鑲嵌設計。IMEC使用了數(shù)值孔徑為0.85的193納米沉浸式掃描設備。它還采用與雙極照明相競爭的四極照明方案，使用了6%的軟相移掩膜(PSM)和有機材料的雙層光刻膠。 

　　應用材料公司在技術大會上演示了一種類似方法：自對準兩次圖形曝光技術，該技術面向干式光刻而不是沉浸式光刻，從而引起了人們的濃厚興趣。該方法采用了應用材料公司的先進圖膜(Advanced Patterning Film)和等離子增強的化學氣相沉積系統(tǒng)。應用材料公司薄膜事業(yè)部的高級副總裁兼總經(jīng)理Farhad Moghadam說：“該方法能夠使用193納米‘干式’掃描設備獲得32納米線路和間隙壁?！?nbsp;