光刻技術(shù)，有了新選擇

作者：豐寧

光刻工藝是半導體器件制造工藝中的一個重要步驟，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年第一臺光刻機誕生以來，光刻機經(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掃描式光刻機為主流。在不同的階段，每一代光刻機都遇到了前所未有的挑戰(zhàn)與難題，與此同時，光刻技術(shù)也在這個過程中不斷演進。

?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60年代，是小規(guī)模集成電路時期最主要的光刻技術(shù)，有著良率低、成本高的特點。

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，一次曝光整個襯底，掩膜版圖形與晶圓圖形的尺寸關系是1:1，分辨率可達亞微米級。接觸式可以減小光的衍射效應，但在接觸過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)廣泛應用于20世紀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，留有被氮氣填充的間隙。

接近式光刻示意圖接近式光刻技術(shù)的特點是最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，分辨率越高。缺點是掩膜版和晶圓之間的間距會導致光產(chǎn)生衍射效應，因此接近式光刻機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場傅里葉光學成像原理，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)了縮小倍率的步進重復光刻技術(shù)。

步進重復光刻技術(shù)

步進重復光刻示意圖步進重復光刻主要應用于0.25微米以上工藝，光刻時掩膜版固定不動，晶圓步進運動，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，促使更為先進的步進掃描光刻機問世。

步進掃描式光刻機

步進掃描光刻示意圖當制程工藝發(fā)展到0.25微米后，步進掃描式光刻機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動），可以實現(xiàn) 26mm x 33mm 的曝光場。當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。

自1990年SVGL公司推出Micrascan I步進掃描光刻機以來，光刻機產(chǎn)業(yè)就進入了DUV時代，通過多重曝光等技術(shù)手段，一直到7nm芯片量產(chǎn)，DUV都是市場的統(tǒng)治者。然而隨著制程演進到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光刻機就成為前道工序的必需品。之后制程節(jié)點不斷演進，行業(yè)對EUV光刻機的要求越來越高，對其發(fā)展前景和發(fā)展路徑也提出了更多期待。

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

?02選擇之一：High NA EUV光刻機

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

如今，臺積電、三星、英特爾等芯片制造公司之間的競爭已進入先進制程賽道。在此過程中，EUV極紫外光刻設備也已經(jīng)成為各廠商爭奪的焦點。據(jù)悉，2024-2025年，臺積電將接受60臺EUV光刻機，預估總費用將超122億美元；英特爾率先擁抱全球第一臺High NA EUV光刻機；三星也在向High NA EUV光刻機躍躍欲試，試圖追趕臺積電。

然而追逐最先進的光刻機的同時，是喜悅的也是痛苦的。喜悅在于，最先得到最先進的光刻機意味著可以極大地提升其芯片制造能力和效率，幫助公司在未來先進制程技術(shù)的競爭中取得先行優(yōu)勢。痛苦在于，EUV高昂的售價令各大芯片廠商苦不堪言。據(jù)悉，目前0.33NA EUV光刻機的售價約為1.81億美元每臺，新一代的High-NA（0.55NA）EUV倍增至2.9-3.62億美元一臺。而進入1納米以下的埃米世代后，ASML將計劃推出更先進Hyper-NA（0.75NA）EUV光刻機設備，其售價則有可能超過7.24億美元。這一方法顯然足夠精細但不夠經(jīng)濟。因此業(yè)內(nèi)也有不少機構(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當前所采用的激光等離子體EUV光源（EUV-LPP）價格昂貴，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)，在已有基礎上，不斷增加功率；還有人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。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）的研究人員認為，如果利用粒子加速器的力量，EUV光源的獲取可能會更便宜、更快、更高效。FEL利用電子在磁場中的運動產(chǎn)生超強激光，其效率比普通EUV光源高出一倍，能量轉(zhuǎn)化率超過30%，且擁有成本低、功率大等優(yōu)勢。在電力消耗方面，F(xiàn)EL光源也要遠低于EUV-LPP光源。此外，EUV-FEL還可升級為BEUV-FEL，以使用更短的波長（6.6-6.7 nm）實現(xiàn)更精細的圖案化。它還可以可變地控制FEL光的偏振，以實現(xiàn)High NA光刻。

據(jù)悉，目前業(yè)界已經(jīng)設計了一種基于能量回收直線加速器（ERL）的FEL光源用于未來的光刻，并且已經(jīng)研究和開發(fā)了主要組件。FEL光源在EUV功率、升級到BEUV-FEL、High NA光刻的偏振控制、電力消耗和每臺光刻機的成本方面具有許多優(yōu)勢。EUV-FEL光源也被認為是未來光刻最有前途的光源。不過，對于光刻技術(shù)的未來發(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)，然后通過加熱加壓，把模板上的納米結(jié)構(gòu)復制到納米壓印的材料里。形象一點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：

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備相對便宜且工序簡單，更易于批量操作。

精度更高：通過精心設計和制造高精度的“印章”，納米壓印技術(shù)可以實現(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。

更廣泛的應用領域：納米壓印技術(shù)不僅適用于邏輯芯片和存儲芯片的制造，還可以廣泛應用于DOE、AR/VR衍射光波導、生物芯片、LED等領域的量產(chǎn)，具有較大的市場潛力。目前納米壓印在LED、AR、VR等領域被廣泛運用。納米壓印已發(fā)展二十余年，但在相當長一段時間里，由于納米壓印的制成品缺陷多、良率低，不太被半導體領域接受，光刻技術(shù)則發(fā)展得更快、更好。

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

佳能公司在傳統(tǒng)的光刻領域落后于ASML公司之后，一直在半導體制造方向?qū)ふ倚碌耐黄泣c，它的探究重點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納米壓印半導體制造設備，可制造5nm芯片。據(jù)佳能公司CEO透露，設備售價將“比ASML的EUV光刻機少一位數(shù)”。

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

關于納米壓印技術(shù)的未來，葛海雄表示，依據(jù)佳能提供的技術(shù)參數(shù)、指標，納米壓印有可能為半導體領域創(chuàng)造一些有益的補充，因為ASML、尼康的半導體光刻設備已經(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)也被稱為未來半導體制造的核心技術(shù)。

目前，不少科研機構(gòu)和廠商都加大了納米壓印上的投入。除了佳能，國外廠商如EV Group、Nanonex Corp、Obducat AB、SUSS MicroTec等公司已出產(chǎn)納米壓印光刻設備。國內(nèi)也有不少廠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內(nèi)頭部廠商天仁微納目前產(chǎn)品涵蓋整機設備、模具、壓印材料，研發(fā)了多款高精度紫外納米壓印設備，已經(jīng)實現(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)復制量產(chǎn)。

對于納米壓印技術(shù)最先落地的領域，或許是存儲芯片。在芯片制造領域，目前最契合納米壓印技術(shù)的，就是存儲芯片，尤其是3D NAND、DRAM等存儲芯片。從佳能規(guī)劃的納米壓印設備路線圖來看，納米壓印應用將從3D NAND存儲芯片開始，逐漸過渡到DRAM，最終實現(xiàn)CPU等邏輯芯片的制造。存儲廠商在芯片制造上對成本把控極為嚴苛，同時設計的余量可以承受一定的缺陷而不影響成品率，放寬對缺陷的要求，所以目前已經(jīng)有不少存儲廠商計劃使用納米壓印技術(shù)來制造存儲芯片。鎧俠、東芝等日系存儲廠商很早便開始布局納米壓印技術(shù)。

今年3月，美光公司宣布計劃率先支持佳能的納米印刷技術(shù)，從而進一步降低生產(chǎn)DRAM存儲芯片的單層成本。此前，內(nèi)存大廠SK海力士也引入了佳能納米壓印機，用于進行3D NAND的生產(chǎn)測試。納米壓印技術(shù)與存儲芯片相結(jié)合，將大大提高存儲廠商的生產(chǎn)效率，并降低成本。納米壓印設備在芯片制造領域大規(guī)模商用化后，其優(yōu)勢將更加明顯。因此納米壓印技術(shù)也被稱為最有機會代替現(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，光刻是整個微加工工藝中技術(shù)難度最大，也是最為關鍵的技術(shù)步驟。所謂光刻就是通過對光束進行控制，在一層薄薄的光刻膠表面“刻蝕”出我們需要的圖案，光束照過的位置光刻膠的化學性質(zhì)會發(fā)生變化，通過顯影液的浸泡會使照射過的部分去除（正膠）或者保留（負膠）。

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

電子束光刻以其分辨率高、性能穩(wěn)定，成本相對較低的特點，因而成為人們最為關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，拍攝對象好比掩模板，光刻膠就像是膠卷，通過光線的照射把拍攝對象投影到膠卷上。

直寫式光刻不需要掩模版，通過磁場直接控制電子束斑按照預設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，通過手控制鉛筆的移動完成圖畫的繪制。由于基于掩膜的傳統(tǒng)光刻技術(shù)，其成本正呈指數(shù)級攀升。無掩膜的電子束光刻技術(shù)則提供了補充性選項，因為不需要昂貴的光掩模，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，對于批量 IC 生產(chǎn)來說成本太高。

分析人士也直言，直寫真正的問題是吞吐量。直接寫入光刻技術(shù)，即使有數(shù)十萬甚至一百萬個光束，但對于晶圓光刻來說也太慢了。因此，單光束直寫工具只能用于復合半導體和光子學等小眾應用。

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Multibeam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)。

全自動精密圖案化技術(shù)將用于快速成型、先進封裝、高混合生產(chǎn)、芯片 ID、復合半導體和其他應用。Multibeam表示，公司剛發(fā)布的平臺將以新的生產(chǎn)力優(yōu)勢徹底改變了電子束光刻，同時實現(xiàn)了高分辨率、精細特征、寬視野和大景深。Multibeam 首席執(zhí)行官兼董事長 David K. Lam 在接受采訪時表示，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，這是一款改變了游戲規(guī)則的設備。

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

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