光刻機(jī)發(fā)展要另辟蹊徑？

最近，光刻機(jī)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(jī)（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(jī)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(jī)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)。

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(jī)一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

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(jī)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(diǎn)。

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(jī)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(diǎn)，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(jī)（Aligner），掃描投影/重復(fù)步進(jìn)光刻機(jī)（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(jī)（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(yùn)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(jī)的各個組成系統(tǒng)不斷突破光學(xué)、精密機(jī)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(jī)可以支持所有集成電路制程節(jié)點(diǎn)，但為滿足最先進(jìn)制程的要求，每一代步進(jìn)掃描光刻機(jī)都?xì)v經(jīng)了重大技術(shù)升級，例如：步進(jìn)掃描式光刻機(jī) 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(yùn)動的動態(tài)掃描方式，提升了對運(yùn)動系統(tǒng)的性能要求。

從 DUV 到 EUV

自 1990 年 SVGL 公司推出 Micrascan I 步進(jìn)掃描光刻機(jī)以來，光刻機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(jī)方面不斷積蓄力量，光源是重中之重。

光源波長越短，光刻機(jī)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(jī)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。

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(jī)的重要性愈加凸出。

目前來看，EUV 光刻機(jī)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，最先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)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(diǎn)處的功率只有 350W 左右。

更小的功率并不是說不能正常運(yùn)行，只是對于一臺售價上億美元的光刻機(jī)來說，這樣的功率還不足以最大化利用率，尤其是到了 3nm 和 2nm 制程節(jié)點(diǎn)后，為了最大化掃描速度，3nm 節(jié)點(diǎn)需要 1500W 的焦點(diǎn)功率，2nm 節(jié)點(diǎn)需要 2800W 的焦點(diǎn)功率。而這樣的功率是現(xiàn)有 LPP EUV 達(dá)不到的。目前，在這方面較為領(lǐng)先，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(jī)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(diǎn)，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(kuò)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。

結(jié)語

光刻機(jī)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(qiáng)化自研能力，光刻機(jī)，特別是 EUV 光刻機(jī)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(jī)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，絕對不是短期內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)的，需要長期堅持，不懈努力。