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光刻机发展要另辟蹊径?

作者:时间:2023-09-25来源:半导体产业纵横收藏

最近,话题异常火热,似乎全世界都在关注中国本土相关产业的发展。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202309/450928.htm

要想制造出一台可商用的高端(可制造 7nm 及更先进制程芯片),是一项复杂的工程,因为高端所需要的精密零部件太多了,每一种的技术含量都非常高,而且,要想把这些零部件组合成一台可用的机器,需要长期的技术和实践积累。

光刻这个概念,有广义和狭义之分。在狭义层面,就是用光去「复印」集成电路图案,这也是我们常说的光学光刻技术,特别是紫外线光刻技术(DUV 和 EUV)。在广义层面,光刻泛指各种集成电路「复印」和「印刷」技术,这些技术中,有的用光,有的不用光(如电子束和纳米压印光刻)。

按应用划分,半导体光刻技术主要用在三个领域:前道工序的集成电路制造,后道工序的芯片封装,以及显示面板的制造。其中,技术含量最高、受关注度最高的就是前道工序光刻工艺,我们常说的 DUV 和 EUV,就是这一部分应用。本文主要讨论这一领域的光刻技术。

光刻技术总览

首先,我们先从广义层面了解一下各种光刻技术。

在半导体行业,光刻技术的发展经历了多个阶段,接触/接近式光刻、光学投影光刻、分步(重复)投影光刻出现时间较早。目前,集成电路制造主要采用光学光刻技术,包括扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻工艺。此外,还有 X 射线、电子束光刻、聚焦粒子束光刻、纳米压印、激光直写技术。

光学光刻,是通过照射,用投影方法将掩模上的大规模集成电路结构图形「画」在涂有光刻胶的硅片上,通过光的照射,光刻胶的成分发生化学反应,从而生成电路图,光学光刻需要掩模。集成电路的最小特征尺寸与光刻系统的分辨率直接相关,而减小照射光源的波长是提高分辨率的有效途径。因此,开发新型短波长光源光刻机一直是业界的研究热点。

电子束光刻,该技术不需要掩模,直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上。电子束光刻存在的一些问题阻碍了该技术的普及,例如:电子束高精度扫描成像曝光效率低;电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应;在实现纳米尺度的加工中,电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题。

聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)光刻,是利用电透镜将离子束聚焦成小尺寸的显微切割仪器,它的工作原理与电子束光刻相近。目前,商用的离子束为液态金属离子源,金属材质为镓。典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6 轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板,以及计算机等设备。外加电场于液相金属离子源,可使液态镓形成细小尖端,再加上负电场,牵引尖端的镓,导出镓离子束,通过电透镜聚焦,经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA) 可调整离子束的大小,再经过二次聚焦至试片表面,利用物理碰撞来达到切割的目的。

纳米压印光刻,采用电子束等技术将电路图案刻制在掩模版上,然后通过掩模使对象上的聚合物变形,再采用某种方式使聚合物固化,进而完成图案的转移。纳米压印分辨率高,成本低,但存在刻套误差大、缺陷率高、掩模版易被污染的缺点。

主流光学光刻工艺

如前文所述,狭义层面的光刻,也就是目前的主流光刻技术,其基本原理是:利用光通过具有图形的光罩(掩模版)对涂有光刻胶的晶圆曝光,光刻胶见光后会发生性质变化,使光罩上的电路图复印到晶圆上,形成电子线路图。

光刻系统非常复杂,整个设备由光源、投影物镜、工件台、掩模台、对准与测量、掩模传输、晶圆传输等部分组成。此外,还需要环境与电气系统、光刻计算(OPC)与掩模优化(SMO)软件、显影、涂胶设备提供支持。


随着制程工艺的演进,光刻机各个系统也在不断优化升级,双工件台技术与浸液技术相继被采用。

目前,在前道工序集成电路制造方面,主要采用的都是紫外线光刻工艺,包括深紫外 DUV 和极紫外 EUV。而在早些年,半导体制程工艺还没演进到 180nm 节点,那时的光刻精度没现在这么高,也不需要用到 DUV 和 EUV,采用的是接触/接近式光刻机(Aligner),扫描投影/重复步进光刻机(Stepper)。

当制程工艺发展到 0.25 微米后,步进扫描式光刻机(Scanner)的扫描曝光视场尺寸与曝光均匀性更具优势,逐步成为主流光刻设备(DUV 和 EUV)。其利用 26mm x 8mm 的狭缝,采用动态扫描的方式(掩模版与晶圆片同步运动),可以实现 26mm x 33mm 的曝光场。当前曝光场扫描完毕后,转移至下一曝光场,直至整个晶圆曝光完毕。

为了满足不断提升的性能指标要求,光刻机的各个组成系统不断突破光学、精密机械、材料等领域的技术瓶颈,实现了多项高精尖技术的融合。最近这几年,在 EUV 光刻系统中,光源的重要性似乎更加凸出,也受到了更多关注。

通过配置不同类型的光源(i 线、KrF、ArF,EUV),步进扫描光刻机可以支持所有集成电路制程节点,但为满足最先进制程的要求,每一代步进扫描光刻机都历经了重大技术升级,例如:步进扫描式光刻机 26mm x 8mm 的静态曝光场相对较小,降低了物镜系统制造的难度;但其工件台与掩模台反向运动的动态扫描方式,提升了对运动系统的性能要求。

从 DUV 到 EUV

自 1990 年 SVGL 公司推出 Micrascan I 步进扫描光刻机以来,光刻机产业就进入了 DUV 时代,一直到 7nm 芯片量产,DUV 都是市场的统治者。在这一过程中,DUV 技术也在不断演进,以满足制程工艺的发展要求。例如,越先进的制程,其线宽越小,这就需要光刻机具有更高的曝光分辨率,为了提升分辨率,要不断提高光刻机物镜的数值孔径(NA),并采用波长更短的光源,另外,浸没式光刻系统也是一大发明,它通过在物镜镜头和晶圆之间增加去离子水来增大折射率,达到了提升分辨率的效果。

当制程工艺发展到 22nm 时,必须引入新的方法才能进一步提升光刻的分辨率,多重曝光技术诞生。多重曝光技术有多种类型,包括:双重曝光(DE),曝光-固化-曝光-刻蚀(LFLE),双重曝光(LELE),三重曝光(LELELE),自对准多重曝光(SAMP)。

多重曝光是把原来一层光刻图形拆分到两个或多个掩模版上,以实现图像密度的叠加,这样就实现了比光刻机极限分辨率更小的图形。例如,用 DUV 加上四重曝光技术(SAQP)进行多次曝光处理,可使制程工艺水平由双重曝光(SADP)的 40nm 提升到 20nm。

当制程节点演进到 5nm 时,DUV 和多重曝光技术的组合也难以满足量产需求了,EUV 光刻机就成为前道工序的必需品了,没有它,很难制造出符合应用需求的 5nm 芯片,即使不用 EUV 能制造出一些 5nm 芯片,其整个生产线的良率也非常低,无法形成大规模的商业化生产。

随着制程节点不断演进,3nm、2nm 芯片已经或即将问世,行业对 EUV 光刻机的要求越来越高,对其发展前景和发展路径也提出了更多期待。

虽然 EUV 光刻系统每一个主要组成部分都需要高精尖技术,但光源的重要性更加凸出,特别是近些年,中国在发展 EUV 光刻机方面不断积蓄力量,光源是重中之重。

光源波长越短,光刻机分辨率越高,制程工艺越先进。与 DUV 使用的准分子激光光源不同,EUV 光刻机采用 13.5nm 波长的离子体光源,这种光源是通过二氧化碳激光器轰击雾化的锡(Sn)金属液滴,将它们蒸发成等离子体(激光等离子体,LPP),通过高价锡离子能级间的跃迁获得的。

EUV 的未来发展路径

目前,3nm 制程芯片已经实现量产,未来 3 年内,2nm 量产几无悬念,而在可预见的未来几年内,1nm,甚至更先进制程芯片也将陆续量产。在这样的行业背景下,EUV 光刻机的重要性愈加凸出。

目前来看,EUV 光刻机必须不断演进,才能跟上制程工艺发展的步伐,而要提升光刻精度,除了提升物镜的数值孔径 NA,人们将主要精力放在了提升光源分辨率上,增加光源功率是一条重要发展路径。

目前,最先进的 EUV 光刻机都是由 ASML 生产的,已商用的 EUV 的 NA 最高达到了 0.33,而 NA 值为 0.55 的 EUV 产品也将在 2024 年问世,并有望在 2025 年实现商用。

光源方面,要提升功率,有几条发展路径可供选择。

一、传统的 LPP 光源系统,可以在已有基础上,不断增加功率。

LPP 光源的好处是转换率高,大厂都希望功率能达到 200W 以上的工业应用标准,这就需要庞大的二氧化碳激光装置。在实际应用中,高水平的 EUV LPP 光源的激光器需要达到 20kW 的功率,而这样的发射功率经过重重反射,达到焦点处的功率只有 350W 左右。

更小的功率并不是说不能正常运行,只是对于一台售价上亿美元的光刻机来说,这样的功率还不足以最大化利用率,尤其是到了 3nm 和 2nm 制程节点后,为了最大化扫描速度,3nm 节点需要 1500W 的焦点功率,2nm 节点需要 2800W 的焦点功率。而这样的功率是现有 LPP EUV 达不到的。目前,在这方面较为领先,也在加紧研究的是 ASML 公司。

二、可以采用分时高功率光纤激光器射击液态锡靶技术,用这种方法制造的光源,其光源功率有望超过传统 LPP 数倍。

三、使用能量回收型直线加速器(ERL)的 FEL(自由电子激光)方案,这种光源的极限功率也很高,最高可达 10kW。根据日本高能加速器研究机构给出的数据,FEL 可以做到近 LPP 方案七分之一的耗电成本。不过,这种光源存在不少需要突破的技术难点,而且造价高昂。

四、基于稳态微聚束(Steady-state microbunching,SSMB)技术的粒子加速器光源。SSMB 概念由斯坦福大学教授、清华大学访问教授赵午与其博士生 Daniel Ratner 于 2010 年提出。

基于 SSMB 原理,能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射,波长可覆盖从太赫兹到极紫外波段。下图所示为 SSMB 原理验证实验示意图。


基于 SSMB 的 EUV 光源有望实现大的平均功率,并具备向更短波长扩展的潜力,为大功率 EUV 光源的突破提供了新思路。

目前,清华大学正积极支持和推动 SSMB EUV 光源在国家层面的立项工作,清华 SSMB 研究组已向国家发改委提交「稳态微聚束极紫外光源研究装置」的项目建议书,申报「十四五」国家重大科技基础设施。

结语

光刻机从诞生到现在,经历了多次迭代,发展出了多种应用技术,为了应对不断发展的应用需求,新的技术高峰和难题也在等待业界去攀登和攻克。

对于中国半导体产业而言,面对外部压力,需要在保持国际供应链通道的同时,不断强化自研能力,光刻机,特别是 EUV 光刻机是重要一环。目前,中国本土企业在封装和显示面板用光刻机方面已经能够实现自主,但在先进制程芯片制造方面,还有很长的路要走。

在提升 EUV 光源功率水平方面,已出现多条发展路径,无论是走传统技术路线,还是另辟蹊径,寻找更好的追赶国际先进光刻技术水平的解决方案,都需要踏踏实实地进行技术研发和工程验证工作,绝对不是短期内就能达到目标的,需要长期坚持,不懈努力。



关键词: 光刻机

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