中科院中紫外光刻設(shè)備研制成功，國產(chǎn)光刻機有望突破

近日，一種新型的中紫外直接光刻機由中國科學院光電技術(shù)研究所微電子專用設(shè)備研發(fā)團隊在國內(nèi)研制成功。該設(shè)備采用特有的高均勻、高準直中紫外照明技術(shù)，結(jié)合光敏玻璃材料，實現(xiàn)基于光敏玻璃基底的微細結(jié)構(gòu)直接加工，能夠極大簡化工藝流程，將有力促進光敏玻璃微細結(jié)構(gòu)的光刻工藝技術(shù)“革命”，目前在國內(nèi)尚未見有此類產(chǎn)品成功研發(fā)的報道。

光刻設(shè)備是用于微細結(jié)構(gòu)加工的核心設(shè)備，在微電子、生物、醫(yī)學和光學等領(lǐng)域得到全面應(yīng)用。由于光刻工藝的限制，原有光刻設(shè)備大多是針對光刻膠曝光進行技術(shù)研發(fā)。而針對玻璃基底的微細結(jié)構(gòu)加工具有特殊性：光敏玻璃光譜敏感特性不同于光刻膠、微細結(jié)構(gòu)深寬比大和完全非接觸曝光。近年來，針對玻璃基底的微細加工技術(shù)愈發(fā)重要，在微流控芯片、微光學元件以及OLED顯示屏等新型微細結(jié)構(gòu)的加工中需求迫切，也是國內(nèi)外光刻設(shè)備研發(fā)的重要方向之一。因此，光電所微電子專用設(shè)備研發(fā)團隊聯(lián)合國內(nèi)外科研機構(gòu)，開展了汞燈光源、大口徑高精度反射鏡、中紫外鍍膜和間隙測量等技術(shù)研發(fā)，成功提高了汞燈光源中紫外光譜能量，通過反射式光路結(jié)構(gòu)保證光能利用率和準直性，精密間隙測量和控制技術(shù)實現(xiàn)非接觸曝光，并進行了光敏玻璃直接光刻實驗，實現(xiàn)了玻璃基底高分辨、高深寬比、大面積微細結(jié)構(gòu)的直接光刻工藝。

該設(shè)備的成功研制，是光刻設(shè)備研發(fā)與光刻工藝應(yīng)用結(jié)合的產(chǎn)物，將促進光刻工藝的革命性改進，符合國際光刻設(shè)備研究發(fā)展趨勢，也使得我國在新型直接光刻設(shè)備研發(fā)中搶占先機。

EUV光刻機，摩爾定律的拯救者

關(guān)于EUV技術(shù)可以溯源到20世紀70年代，那時候業(yè)界剛好開發(fā)出X光光刻，那是一種依賴于大型同步回旋加速器的技術(shù)。但由于X光光刻比較高，最終在上世紀80年代，宣告失敗。

然后X光光刻轉(zhuǎn)變成一種叫做軟性X光，或者稱作EUV的技術(shù)。通過使用多層的鏡子，讓這個技術(shù)變得更實際。于是從上世紀80年代開始，業(yè)界就投入到了EUV光刻的研發(fā)，但直到21世紀出，這個技術(shù)才取得了業(yè)界認可的突破性進展。也就是在那時，芯片制造商表示，傳統(tǒng)光刻將會在65nm或者45nm的時候遇到障礙，由此亟需下一代的光刻技術(shù)，去縮小晶體管的規(guī)模，延續(xù)摩爾定律。

多年以后，EUV已經(jīng)成為下一代光刻技術(shù)中的佼佼者，其他的競爭技術(shù)，如自組裝技術(shù)、電子束直寫和納米打印技術(shù)都現(xiàn)實不見了。

業(yè)界指望下一代光刻技術(shù)能給業(yè)界帶來新的顛覆，但從目前的狀況看來，似乎還沒準備好。

傳統(tǒng)的光刻技術(shù)開始逐漸違背物理定律了，但無奈地還得充當Fab的主流技術(shù)。現(xiàn)在應(yīng)用在Fab的先進光刻技術(shù)，就只有193nm沉浸式光刻，但也只能在晶圓上打印一下細小的功能部件，并不能大規(guī)模應(yīng)用。

按理說，193nm光刻在80nm的時候就會碰到瓶頸。但芯片制造商通過應(yīng)用分辨率增強技術(shù)(RETs),將193nm光刻技術(shù)應(yīng)用在遠低于這個波長的場景。

有了RETs，光刻機在28nm的時候只需要一次的光刻曝光就可以實現(xiàn)了。但到了22nm/20nm，單次曝光有時候就不能給臨界層提供足夠的分辨率。芯片制造商就通過多重pattern的方式解決問題。這也就是增加了一個簡單的兩步流程。

應(yīng)用材料的VP Uday Mitra表示，現(xiàn)在的pattern也就需要兩個基本的操作。第一步就是line/space;第二步是cut。

第一步就是光刻機在設(shè)備上刻下很小的線。Mitra還表示，現(xiàn)在的公司都在使用line/space，之后還會繼續(xù)使用基于spacer的SADP和SAQP多重pattern技術(shù)。

這當中的主要的挑戰(zhàn)就是刻這些細線圖案。為了達到目標，芯片制造商只好使用雙重pattern技術(shù)。在這個步驟里會需要兩次光刻和刻蝕步驟去確定一個單層。這就是我們聲稱的LELE技術(shù)。

使用這種雙重pattern技術(shù)，可以節(jié)省30%的pitch，而三重pattern則需要三次曝光，也就是需要三次刻蝕步驟(LELELE)，當然，SADP和SAQP也可以在刻的時候應(yīng)用上。

除此之外，業(yè)界在10nm和7nm還會碰到其他問題。在45nm和40nm的時候，設(shè)計的時候需要用到40層光罩，而到了14nm和10nm，光罩的需求量則上升到60層。“如果沒有EUV，只是靠沉浸式去實現(xiàn)三倍甚至四倍pattern，那么我們認為在7nm的時候，光罩數(shù)量會上升到80到85層之間”。三星的晶圓制造資深主管Kelvin Low表示。

光罩層數(shù)的增加，也就代表著成本的水漲船高。同時覆蓋物也將會成為Fab的災(zāi)難。覆蓋物需要把光罩層有秩序的精確地放置在彼此的身上。而隨著mask的增加，覆蓋層也就會成為噩夢。如果沒對齊，覆蓋層問題就夠你喝一壺了。

另外，現(xiàn)在做一層光罩需要1到1.5天，在7nm的時候使用多重pattern，那就需要差不多五個月的時間才能做好晶圓。

但不妨礙很多人把EUV當做現(xiàn)代半導(dǎo)體的救星。

有了EUV，你就不需要那么多層，ASML的產(chǎn)品市場主管Applied’s Mitra說。屆時你會把光罩的層數(shù)降到60左右，而晶圓的出廠時間也會縮短到一個月。

同時我們要明白到，并不是每層光罩都需要EUV，沉浸式/多重pattern在很多場景下都能用得上。

雖然已經(jīng)投入了那么多去研發(fā)，但現(xiàn)在看來EUV還沒準備好。在正式投產(chǎn)之前，EUV還需要獲得更多的信息，去推動發(fā)展。EUV也有另外的路徑，但改善率不高，沒有很明顯的優(yōu)勢，也不能滿足大型芯片制造商的需求，因此EUV需要進一步發(fā)展，滿足需求。

我們也要明確一點，并不是所有的層都會用到EUV，沉浸式/多重pattern也會在很多功能件上用到。

我們也要明白這一點，對于未來的某些功能，只有EUV才能做到，因為其他方案還沒能實現(xiàn)，比EUV更不堪。

通過八倍pattern去擴展光刻是很有問題的。這事你會面臨很多問題，最大的挑戰(zhàn)則是cut。

在過去的幾年，ASML已經(jīng)推出過幾個版本的EUV光刻機，但目前來說，這些光刻機都是只能用于研究，ASML也將其光源功率共80瓦提升到123瓦特。而工作效率也提升到60~85wph。

業(yè)界希望EUV在正式投入使用之前，能夠用上250瓦特的光源。屆時生產(chǎn)效率就提高到125wph。

現(xiàn)在EUV工具的可用性是70%到80%，這離業(yè)界宣傳的的90%甚至以上的可用性目標還有一段距離。

如果ASML真如他們所說，在明年推出其首個量產(chǎn)機器NEX：3400B，那么會面臨很大的考驗。它的數(shù)控直徑是0.33，分辨率是13nm，ASML也將其電源功率提升到200瓦特。