光刻技術(shù)，有了新選擇

作者：豐寧

光刻工藝是半導(dǎo)體器件制造工藝中的一個(gè)重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到所在襯底上。

自1961年第一臺(tái)光刻機(jī)誕生以來(lái)，光刻機(jī)經(jīng)歷了接觸式→接近式→投影式的發(fā)展路線，如今以投影式中的步進(jìn)掃描式光刻機(jī)為主流。在不同的階段，每一代光刻機(jī)都遇到了前所未有的挑戰(zhàn)與難題，與此同時(shí)，光刻技術(shù)也在這個(gè)過(guò)程中不斷演進(jìn)。

?01光刻技術(shù)的發(fā)展路徑接觸式光刻技術(shù)

接觸式光刻技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是小規(guī)模集成電路時(shí)期最主要的光刻技術(shù)，有著良率低、成本高的特點(diǎn)。

接觸式光刻示意圖接觸式光刻技術(shù)中掩膜版與晶圓表面的光刻膠直接接觸，一次曝光整個(gè)襯底，掩膜版圖形與晶圓圖形的尺寸關(guān)系是1:1，分辨率可達(dá)亞微米級(jí)。接觸式可以減小光的衍射效應(yīng)，但在接觸過(guò)程中晶圓與掩膜版之間的摩擦容易形成劃痕，產(chǎn)生顆粒沾污，降低了晶圓良率及掩膜版的使用壽命，需要經(jīng)常更換掩膜版，故接近式光刻技術(shù)得以引入。

接近式光刻技術(shù)

接近式光刻技術(shù)廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)70年代，接近式光刻技術(shù)中的掩膜版與晶圓表明光刻膠并未直接接觸，留有被氮?dú)馓畛涞拈g隙。

接近式光刻示意圖接近式光刻技術(shù)的特點(diǎn)是最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，分辨率越高。缺點(diǎn)是掩膜版和晶圓之間的間距會(huì)導(dǎo)致光產(chǎn)生衍射效應(yīng)，因此接近式光刻機(jī)的空間分辨率極限約為2u m。隨著特征尺寸縮小，出現(xiàn)了投影光刻技術(shù)。

投影式光刻技術(shù)

20世紀(jì)70年代中后期出現(xiàn)投影光刻技術(shù)，可以有效提高分辨率。

投影式光刻示意圖基于遠(yuǎn)場(chǎng)傅里葉光學(xué)成像原理，在掩膜版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡。早期掩膜版與襯底圖形尺寸比為1:1，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，出現(xiàn)了縮小倍率的步進(jìn)重復(fù)光刻技術(shù)。

步進(jìn)重復(fù)光刻技術(shù)

步進(jìn)重復(fù)光刻示意圖步進(jìn)重復(fù)光刻主要應(yīng)用于0.25微米以上工藝，光刻時(shí)掩膜版固定不動(dòng)，晶圓步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，完成全部曝光工作。隨著集成電路的集成度不斷提高，芯片面積變大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進(jìn)的步進(jìn)掃描光刻機(jī)問(wèn)世。

步進(jìn)掃描式光刻機(jī)

步進(jìn)掃描光刻示意圖當(dāng)制程工藝發(fā)展到0.25微米后，步進(jìn)掃描式光刻機(jī)的掃描曝光視場(chǎng)尺寸與曝光均勻性更具優(yōu)勢(shì)，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(dòng)態(tài)掃描的方式（掩模版與晶圓片同步運(yùn)動(dòng)），可以實(shí)現(xiàn) 26mm x 33mm 的曝光場(chǎng)。當(dāng)前曝光場(chǎng)掃描完畢后，轉(zhuǎn)移至下一曝光場(chǎng)，直至整個(gè)晶圓曝光完畢。

自1990年SVGL公司推出Micrascan I步進(jìn)掃描光刻機(jī)以來(lái)，光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)就進(jìn)入了DUV時(shí)代，通過(guò)多重曝光等技術(shù)手段，一直到7nm芯片量產(chǎn)，DUV都是市場(chǎng)的統(tǒng)治者。然而隨著制程演進(jìn)到5nm，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(jī)就成為前道工序的必需品。之后制程節(jié)點(diǎn)不斷演進(jìn)，行業(yè)對(duì)EUV光刻機(jī)的要求越來(lái)越高，對(duì)其發(fā)展前景和發(fā)展路徑也提出了更多期待。

對(duì)于未來(lái)光刻技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界正積極尋找高精度且經(jīng)濟(jì)的方法，以在晶圓上生成圖案。多家公司/研究機(jī)構(gòu)已公布了其研究進(jìn)展，一起來(lái)看看他們?yōu)楣饪碳夹g(shù)帶來(lái)了哪些新的選擇。

?02選擇之一：High NA EUV光刻機(jī)

光刻機(jī)所使用的光源波長(zhǎng)從最早的紫外光源(ultraviolet, UV)，如g線(波長(zhǎng)436 nm)、i線(波長(zhǎng)365 nm)光源，發(fā)展到以KrF(波長(zhǎng)248 nm)、ArF(波長(zhǎng)193 nm)為代表的深紫外光源(deep ultraviolet, DUV)，再到現(xiàn)在波長(zhǎng)13.5 nm的極紫外光源(extreme ultraviolet, EUV)。隨著光源波長(zhǎng)的不斷縮短，光刻機(jī)單次曝光分辨率不斷提升，目前最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)曝光分辨率為13納米，可用于3 nm制程芯片的生產(chǎn)。

如今，臺(tái)積電、三星、英特爾等芯片制造公司之間的競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入先進(jìn)制程賽道。在此過(guò)程中，EUV極紫外光刻設(shè)備也已經(jīng)成為各廠商爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。據(jù)悉，2024-2025年，臺(tái)積電將接受60臺(tái)EUV光刻機(jī)，預(yù)估總費(fèi)用將超122億美元；英特爾率先擁抱全球第一臺(tái)High NA EUV光刻機(jī)；三星也在向High NA EUV光刻機(jī)躍躍欲試，試圖追趕臺(tái)積電。

然而追逐最先進(jìn)的光刻機(jī)的同時(shí)，是喜悅的也是痛苦的。喜悅在于，最先得到最先進(jìn)的光刻機(jī)意味著可以極大地提升其芯片制造能力和效率，幫助公司在未來(lái)先進(jìn)制程技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中取得先行優(yōu)勢(shì)。痛苦在于，EUV高昂的售價(jià)令各大芯片廠商苦不堪言。據(jù)悉，目前0.33NA EUV光刻機(jī)的售價(jià)約為1.81億美元每臺(tái)，新一代的High-NA（0.55NA）EUV倍增至2.9-3.62億美元一臺(tái)。而進(jìn)入1納米以下的埃米世代后，ASML將計(jì)劃推出更先進(jìn)Hyper-NA（0.75NA）EUV光刻機(jī)設(shè)備，其售價(jià)則有可能超過(guò)7.24億美元。這一方法顯然足夠精細(xì)但不夠經(jīng)濟(jì)。因此業(yè)內(nèi)也有不少機(jī)構(gòu)正在探究High NA EUV的降本之法，他們將主要精力放在了提升光源分辨率上。

ASML當(dāng)前所采用的激光等離子體EUV光源（EUV-LPP）價(jià)格昂貴，效率低下，光電轉(zhuǎn)化率僅為3%-5%。要提升功率，有幾條發(fā)展路徑可供選擇：有人利用傳統(tǒng)的LPP光源系統(tǒng)，在已有基礎(chǔ)上，不斷增加功率；還有人采用分時(shí)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(guò)傳統(tǒng)LPP數(shù)倍。使用能量回收型直線加速器（ERL）的FEL（自由電子激光）方案也是一種辦法。

日本高能加速器研究組織（KEK）的研究人員認(rèn)為，如果利用粒子加速器的力量，EUV光源的獲取可能會(huì)更便宜、更快、更高效。FEL利用電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生超強(qiáng)激光，其效率比普通EUV光源高出一倍，能量轉(zhuǎn)化率超過(guò)30%，且擁有成本低、功率大等優(yōu)勢(shì)。在電力消耗方面，F(xiàn)EL光源也要遠(yuǎn)低于EUV-LPP光源。此外，EUV-FEL還可升級(jí)為BEUV-FEL，以使用更短的波長(zhǎng)（6.6-6.7 nm）實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化。它還可以可變地控制FEL光的偏振，以實(shí)現(xiàn)High NA光刻。

據(jù)悉，目前業(yè)界已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種基于能量回收直線加速器（ERL）的FEL光源用于未來(lái)的光刻，并且已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)了主要組件。FEL光源在EUV功率、升級(jí)到BEUV-FEL、High NA光刻的偏振控制、電力消耗和每臺(tái)光刻機(jī)的成本方面具有許多優(yōu)勢(shì)。EUV-FEL光源也被認(rèn)為是未來(lái)光刻最有前途的光源。不過(guò)，對(duì)于光刻技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，業(yè)內(nèi)還有不少人持有不同看法。

?03選擇之二：納米壓印技術(shù)（NIL）

納米壓印和光刻技術(shù)的“較量”由來(lái)已久。納米壓印是基于高分子模壓技術(shù)的微納加工技術(shù)。納米壓印需要一個(gè)模板，就像活字印刷的模板上刻著要印的字，納米壓印的模板上是需要制造的納米結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)加熱加壓，把模板上的納米結(jié)構(gòu)復(fù)制到納米壓印的材料里。形象一點(diǎn)可以將其類比為活字印刷術(shù)。

與光刻技術(shù)相比，納米壓印技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

成本更低：相比光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)的成本更低，主要原因是納米壓印設(shè)備相對(duì)便宜且工序簡(jiǎn)單，更易于批量操作。

精度更高：通過(guò)精心設(shè)計(jì)和制造高精度的“印章”，納米壓印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10nm的高精度電路圖印制，為芯片制造提供更高的精度保障。

更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：納米壓印技術(shù)不僅適用于邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片的制造，還可以廣泛應(yīng)用于DOE、AR/VR衍射光波導(dǎo)、生物芯片、LED等領(lǐng)域的量產(chǎn)，具有較大的市場(chǎng)潛力。目前納米壓印在LED、AR、VR等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。納米壓印已發(fā)展二十余年，但在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，由于納米壓印的制成品缺陷多、良率低，不太被半導(dǎo)體領(lǐng)域接受，光刻技術(shù)則發(fā)展得更快、更好。

而在近十年，隨著納米壓印對(duì)工藝的優(yōu)化和控制精度上了一個(gè)臺(tái)階，一度被光刻否定的納米壓印，迎來(lái)了高光時(shí)刻。不過(guò)納米壓印技術(shù)也有它的短板，它是一種物理接觸式的加工技術(shù)。在物理接觸的過(guò)程中，容易產(chǎn)生一些外部缺陷。而半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)缺陷的容忍度非常低。業(yè)界有一部分人認(rèn)為納米壓印是非常有前景的技術(shù)，還有一部分人認(rèn)為它的缺陷率比較高，不適合半導(dǎo)體加工。

佳能公司在傳統(tǒng)的光刻領(lǐng)域落后于ASML公司之后，一直在半導(dǎo)體制造方向?qū)ふ倚碌耐黄泣c(diǎn)，它的探究重點(diǎn)之一就是納米壓印技術(shù)。去年10月中旬，佳能宣布推出FPA-1200NZ2C納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備，可制造5nm芯片。據(jù)佳能公司CEO透露，設(shè)備售價(jià)將“比ASML的EUV光刻機(jī)少一位數(shù)”。

璞璘科技創(chuàng)始人葛海雄去年年底曾表示：從最近的報(bào)道來(lái)看，佳能公司的納米壓印各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)與DUV的光刻技術(shù)持平，有一些指標(biāo)甚至達(dá)到了EUV的光刻技術(shù)。

關(guān)于納米壓印技術(shù)的未來(lái)，葛海雄表示，依據(jù)佳能提供的技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)，納米壓印有可能為半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)造一些有益的補(bǔ)充，因?yàn)锳SML、尼康的半導(dǎo)體光刻設(shè)備已經(jīng)在產(chǎn)線上被廣泛采用了，納米壓印可以看成是光刻技術(shù)的衍生。因此，納米壓印技術(shù)也被稱為未來(lái)半導(dǎo)體制造的核心技術(shù)。

目前，不少科研機(jī)構(gòu)和廠商都加大了納米壓印上的投入。除了佳能，國(guó)外廠商如EV Group、Nanonex Corp、Obducat AB、SUSS MicroTec等公司已出產(chǎn)納米壓印光刻設(shè)備。國(guó)內(nèi)也有不少?gòu)S商在納米壓印賽道上加緊布局，如青島天仁微納、蘇州蘇大維格、歌爾股份、蘇州光舵微納、昇印光電、新維度微納、埃眸科技等。獲得華為哈勃青睞的國(guó)內(nèi)頭部廠商天仁微納目前產(chǎn)品涵蓋整機(jī)設(shè)備、模具、壓印材料，研發(fā)了多款高精度紫外納米壓印設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最大150／300mm基底面積上高精度（優(yōu)于10nm ）、高深寬比（優(yōu)于10比1）納米結(jié)構(gòu)復(fù)制量產(chǎn)。

對(duì)于納米壓印技術(shù)最先落地的領(lǐng)域，或許是存儲(chǔ)芯片。在芯片制造領(lǐng)域，目前最契合納米壓印技術(shù)的，就是存儲(chǔ)芯片，尤其是3D NAND、DRAM等存儲(chǔ)芯片。從佳能規(guī)劃的納米壓印設(shè)備路線圖來(lái)看，納米壓印應(yīng)用將從3D NAND存儲(chǔ)芯片開(kāi)始，逐漸過(guò)渡到DRAM，最終實(shí)現(xiàn)CPU等邏輯芯片的制造。存儲(chǔ)廠商在芯片制造上對(duì)成本把控極為嚴(yán)苛，同時(shí)設(shè)計(jì)的余量可以承受一定的缺陷而不影響成品率，放寬對(duì)缺陷的要求，所以目前已經(jīng)有不少存儲(chǔ)廠商計(jì)劃使用納米壓印技術(shù)來(lái)制造存儲(chǔ)芯片。鎧俠、東芝等日系存儲(chǔ)廠商很早便開(kāi)始布局納米壓印技術(shù)。

今年3月，美光公司宣布計(jì)劃率先支持佳能的納米印刷技術(shù)，從而進(jìn)一步降低生產(chǎn)DRAM存儲(chǔ)芯片的單層成本。此前，內(nèi)存大廠SK海力士也引入了佳能納米壓印機(jī)，用于進(jìn)行3D NAND的生產(chǎn)測(cè)試。納米壓印技術(shù)與存儲(chǔ)芯片相結(jié)合，將大大提高存儲(chǔ)廠商的生產(chǎn)效率，并降低成本。納米壓印設(shè)備在芯片制造領(lǐng)域大規(guī)模商用化后，其優(yōu)勢(shì)將更加明顯。因此納米壓印技術(shù)也被稱為最有機(jī)會(huì)代替現(xiàn)有光刻技術(shù)的技術(shù)手段。

?04選擇之三：電子束光刻（EBL&MEBL）技術(shù)

說(shuō)到電子束光刻技術(shù)，在這里要再提及一下光刻技術(shù)的原理。眾所周知，光刻是整個(gè)微加工工藝中技術(shù)難度最大，也是最為關(guān)鍵的技術(shù)步驟。所謂光刻就是通過(guò)對(duì)光束進(jìn)行控制，在一層薄薄的光刻膠表面“刻蝕”出我們需要的圖案，光束照過(guò)的位置光刻膠的化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)顯影液的浸泡會(huì)使照射過(guò)的部分去除（正膠）或者保留（負(fù)膠）。

光源的波長(zhǎng)是影響光刻精度的主要原因，由于光源波長(zhǎng)的限制，X射線曝光可達(dá)到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而電子的波長(zhǎng)較小，因而電子束光刻的加工精度可以達(dá)到10nm以內(nèi)。

電子束光刻以其分辨率高、性能穩(wěn)定，成本相對(duì)較低的特點(diǎn)，因而成為人們最為關(guān)注的下一代光刻技術(shù)之一。電子束光刻按照曝光方式劃分可分為兩種，投影式曝光與直寫式曝光。投影式曝光通過(guò)控制電子束照射掩模圖形，將掩模圖形投影至光刻膠表面，把掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，原理類似于照相機(jī)，拍攝對(duì)象好比掩模板，光刻膠就像是膠卷，通過(guò)光線的照射把拍攝對(duì)象投影到膠卷上。

直寫式光刻不需要掩模版，通過(guò)磁場(chǎng)直接控制電子束斑按照預(yù)設(shè)的軌跡在光刻膠表面照射，完成圖案轉(zhuǎn)移，就像是畫畫，鉛筆類似于電子束，紙類似于光刻膠，而我們的手類似于磁場(chǎng)，通過(guò)手控制鉛筆的移動(dòng)完成圖畫的繪制。由于基于掩膜的傳統(tǒng)光刻技術(shù)，其成本正呈指數(shù)級(jí)攀升。無(wú)掩膜的電子束光刻技術(shù)則提供了補(bǔ)充性選項(xiàng)，因?yàn)椴恍枰嘿F的光掩模，直寫技術(shù)很有吸引力。但單光束電子束光刻的吞吐量太慢，對(duì)于批量 IC 生產(chǎn)來(lái)說(shuō)成本太高。

分析人士也直言，直寫真正的問(wèn)題是吞吐量。直接寫入光刻技術(shù)，即使有數(shù)十萬(wàn)甚至一百萬(wàn)個(gè)光束，但對(duì)于晶圓光刻來(lái)說(shuō)也太慢了。因此，單光束直寫工具只能用于復(fù)合半導(dǎo)體和光子學(xué)等小眾應(yīng)用。

為了解決寫入慢的難題，Multibeam給出了它的答案。近日，電子束光刻技術(shù)的主要參與者M(jìn)ultibeam推出了 MB Platform，——全球首創(chuàng)的多柱電子束光刻 (MEBL：Multicolumn E-Beam Lithography )。據(jù)介紹，其新光刻系統(tǒng)是專為大規(guī)模生產(chǎn)而打造的系統(tǒng)。

全自動(dòng)精密圖案化技術(shù)將用于快速成型、先進(jìn)封裝、高混合生產(chǎn)、芯片 ID、復(fù)合半導(dǎo)體和其他應(yīng)用。Multibeam表示，公司剛發(fā)布的平臺(tái)將以新的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)徹底改變了電子束光刻，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高分辨率、精細(xì)特征、寬視野和大景深。Multibeam 首席執(zhí)行官兼董事長(zhǎng) David K. Lam 在接受采訪時(shí)表示，Multibeam 可以使芯片制造的某些部分的生產(chǎn)效率比現(xiàn)有系統(tǒng)高出 100 倍。在Multibeam 看來(lái)，這是一款改變了游戲規(guī)則的設(shè)備。

不過(guò)，早在80年代，當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為光學(xué)曝光已經(jīng)走到了盡頭，電子束光刻是最有前景的替代手段，然而，30多年過(guò)去了，電子束光刻依然無(wú)法替代光學(xué)曝光。在兩種光刻技術(shù)的發(fā)展方面逐漸形成了相互補(bǔ)充的格局。

隨著科技的日新月異，新型光刻技術(shù)的涌現(xiàn)無(wú)疑為行業(yè)注入了新的活力。未來(lái)，這些創(chuàng)新的光刻技術(shù)將給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)哪些驚喜，我們拭目以待！