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光刻机发展要另辟蹊径?

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。
2023-09-21 20:29 · 微信公众号:半导体产业纵横 畅秋

最近,光刻机话题异常火热,似乎全世界都在关注中国本土相关产业的发展。

要想制造出一台可商用的高端光刻机(可制造7nm及更先进制程芯片),是一项复杂的工程,因为高端光刻机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。

01 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。

02 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*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。

03 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。

04 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,*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*化利用率,尤其是到了3nm和2nm制程节点后,为了*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*,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。

05 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,*不是短期内就能达到目标的,需要长期坚持,不懈努力。

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