中科院中紫外光刻設備研制成功，國產光刻機有望突破

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研究所微電子專用設備研發團隊在國內研制成功。該設備采用特有的高均勻、高準直中紫外照明技術，結合光敏玻璃材料，實現基于光敏玻璃基底的微細結構直接加工，能夠極大簡化工藝流程，將有力促進光敏玻璃微細結構的光刻工藝技術“革命”，目前在國內尚未見有此類產品成功研發的報道。

光刻設備是用于微細結構加工的核心設備，在微電子、生物、醫學和光學等領域得到全面應用。由于光刻工藝的限制，原有光刻設備大多是針對光刻膠曝光進行技術研發。而針對玻璃基底的微細結構加工具有特殊性：光敏玻璃光譜敏感特性不同于光刻膠、微細結構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愈發重要，在微流控芯片、微光學元件以及OLED顯示屏等新型微細結構的加工中需求迫切，也是國內外光刻設備研發的重要方向之一。因此，光電所微電子專用設備研發團隊聯合國內外科研機構，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研發，成功提高了汞燈光源中紫外光譜能量，通過反射式光路結構保證光能利用率和準直性，精密間隙測量和控制技術實現非接觸曝光，并進行了光敏玻璃直接光刻實驗，實現了玻璃基底高分辨、高深寬比、大面積微細結構的直接光刻工藝。

該設備的成功研制，是光刻設備研發與光刻工藝應用結合的產物，將促進光刻工藝的革命性改進，符合國際光刻設備研究發展趨勢，也使得我國在新型直接光刻設備研發中搶占先機。

EUV光刻機，摩爾定律的拯救者

關于EUV技術可以溯源到20世紀70年代，那時候業界剛好開發出X光光刻，那是一種依賴于大型同步回旋加速器的技術。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光光刻轉變成一種叫做軟性X光，或者稱作EUV的技術。通過使用多層的鏡子，讓這個技術變得更實際。于是從上世紀80年代開始，業界就投入到了EUV光刻的研發，但直到21世紀出，這個技術才取得了業界認可的突破性進展。也就是在那時，芯片制造商表示，傳統光刻將會在65nm或者45nm的時候遇到障礙，由此亟需下一代的光刻技術，去縮小晶體管的規模，延續摩爾定律。

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

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

傳統的光刻技術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。現在應用在Fab的先進光刻技術，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，并不能大規模應用。

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用分辨率增強技術(RETs),將193nm光刻技術應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。

應用材料的VP Uday Mitra表示，現在的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備上刻下很小的線。Mitra還表示，現在的公司都在使用line/space，之后還會繼續使用基于spacer的SADP和SAQP多重pattern技術。

這當中的主要的挑戰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。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。

使用這種雙重pattern技術，可以節省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用上。

除此之外，業界在10nm和7nm還會碰到其他問題。在45nm和40nm的時候，設計的時候需要用到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三倍甚至四倍pattern，那么我們認為在7nm的時候，光罩數量會上升到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當做現代半導體的救星。

有了EUV，你就不需要那么多層，ASML的產品市場主管Applied’s Mitra說。屆時你會把光罩的層數降到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。

雖然已經投入了那么多去研發，但現在看來EUV還沒準備好。在正式投產之前，EUV還需要獲得更多的信息，去推動發展。EUV也有另外的路徑，但改善率不高，沒有很明顯的優勢，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，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，最大的挑戰則是cut。

在過去的幾年，ASML已經推出過幾個版本的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。屆時生產效率就提高到125wph。

現在EUV工具的可用性是70%到80%，這離業界宣傳的的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機器NEX：3400B，那么會面臨很大的考驗。它的數控直徑是0.33，分辨率是13nm，ASML也將其電源功率提升到200瓦特。