光刻機發(fā)展要另辟蹊徑？

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

　　要想制造出一臺可商用的高端光刻機(可制造7nm及更先進(jìn)制程芯片)，是一項復(fù)雜的工程，因為高端光刻機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可用的機器，需要長期的技術(shù)和實踐積累。

　　光刻這個概念，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)。

　　01 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、激光直寫技術(shù)。

　　光學(xué)光刻，是通過照射，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”在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，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是提高分辨率的有效途徑。因此，開發(fā)新型短波長光源光刻機一直是業(yè)界的研究熱點。

　　電子束光刻，該技術(shù)不需要掩模，直接將會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、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板，以及計算機等設(shè)備。外加電場于液相金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場，牽引尖端的鎵，導(dǎo)出鎵離子束，通過電透鏡聚焦，經(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可調(diào)整離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達(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，然后通過掩模使對象上的聚合物變形，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。

　　02 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：利用光通過具有圖形的光罩(掩模版)對涂有光刻膠的晶圓曝光，光刻膠見光后會發(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，整個設(shè)備由光源、投影物鏡、工件臺、掩模臺、對準(zhǔn)與測量、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)，光刻機各個系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化升級，雙工件臺技術(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)體制程工藝還沒演進(jìn)到180nm節(jié)點，那時的光刻精度沒現(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(Aligner)，掃描投影/重復(fù)步進(jìn)光刻機(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(Scanner)的掃描曝光視場尺寸與曝光均勻性更具優(yōu)勢，逐步成為主流光刻設(shè)備(DUV和EUV)。其利用 26mm x 8mm 的狹縫，采用動態(tài)掃描的方式(掩模版與晶圓片同步運動)，可以實現(xiàn) 26mm x 33mm 的曝光場。當(dāng)前曝光場掃描完畢后，轉(zhuǎn)移至下一曝光場，直至整個晶圓曝光完畢。

　　為了滿足不斷提升的性能指標(biāo)要求，光刻機的各個組成系統(tǒng)不斷突破光學(xué)、精密機械、材料等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了多項高精尖技術(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。

　　通過配置不同類型的光源(i線、KrF、ArF，EUV)，步進(jìn)掃描光刻機可以支持所有集成電路制程節(jié)點，但為滿足*進(jìn)制程的要求，每一代步進(jìn)掃描光刻機都?xì)v經(jīng)了重大技術(shù)升級，例如：步進(jìn)掃描式光刻機 26mm x 8mm 的靜態(tài)曝光場相對較小，降低了物鏡系統(tǒng)制造的難度;但其工件臺與掩模臺反向運動的動態(tài)掃描方式，提升了對運動系統(tǒng)的性能要求。

　　03 從DUV到EUV

　　自1990年SVGL公司推出Micrascan I步進(jìn)掃描光刻機以來，光刻機產(chǎn)業(yè)就進(jìn)入了DUV時代，一直到7nm芯片量產(chǎn)，DUV都是市場的統(tǒng)治者。在這一過程中，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，要不斷提高光刻機物鏡的數(shù)值孔徑(NA)，并采用波長更短的光源，另外，浸沒式光刻系統(tǒng)也是一大發(fā)明，它通過在物鏡鏡頭和晶圓之間增加去離子水來增大折射率，達(dá)到了提升分辨率的效果。

　　當(dāng)制程工藝發(fā)展到22nm時，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)，自對準(zhǔn)多重曝光(SAMP)。

　　多重曝光是把原來一層光刻圖形拆分到兩個或多個掩模版上，以實現(xiàn)圖像密度的疊加，這樣就實現(xiàn)了比光刻機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)點演進(jìn)到5nm時，DUV和多重曝光技術(shù)的組合也難以滿足量產(chǎn)需求了，EUV光刻機就成為前道工序的必需品了，沒有它，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，其整個生產(chǎn)線的良率也非常低，無法形成大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。

　　隨著制程節(jié)點不斷演進(jìn)，3nm、2nm芯片已經(jīng)或即將問世，行業(yè)對EUV光刻機的要求越來越高，對其發(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，中國在發(fā)展EUV光刻機方面不斷積蓄力量，光源是重中之重。

　　光源波長越短，光刻機分辨率越高，制程工藝越先進(jìn)。與DUV使用的準(zhǔn)分子激光光源不同，EUV光刻機采用13.5nm波長的離子體光源，這種光源是通過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)，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得的。

　　04 EUV的未來發(fā)展路徑

　　目前，3nm制程芯片已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，未來3年內(nèi)，2nm量產(chǎn)幾無懸念，而在可預(yù)見的未來幾年內(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光刻機的重要性愈加凸出。

　　目前來看，EUV光刻機必須不斷演進(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，*進(jìn)的EUV光刻機都是由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年問世，并有望在2025年實現(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)過重重反射，達(dá)到焦點處的功率只有350W左右。

　　更小的功率并不是說不能正常運行，只是對于一臺售價上億美元的光刻機來說，這樣的功率還不足以*化利用率，尤其是到了3nm和2nm制程節(jié)點后，為了*化掃描速度，3nm節(jié)點需要1500W的焦點功率，2nm節(jié)點需要2800W的焦點功率。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*，也在加緊研究的是ASML公司。

　　二、可以采用分時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，這種光源存在不少需要突破的技術(shù)難點，而且造價高昂。

　　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，波長可覆蓋從太赫茲到極紫外波段。下圖所示為SSMB原理驗證實驗示意圖。

　　基于SSMB的EUV光源有望實現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長擴展的潛力，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SSMB EUV光源在國家層面的立項工作，清華SSMB研究組已向國家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書，申報“十四五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

　　05 結(jié)語

　　光刻機從誕生到現(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。

　　對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，面對外部壓力，需要在保持國際供應(yīng)鏈通道的同時，不斷強化自研能力，光刻機，特別是EUV光刻機是重要一環(huán)。目前，中國本土企業(yè)在封裝和顯示面板用光刻機方面已經(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，尋找更好的追趕國際先進(jìn)光刻技術(shù)水平的解決方案，都需要踏踏實實地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和工程驗證工作，*不是短期內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)的，需要長期堅持，不懈努力。