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IWAPS 2020 會議成功開展
近日，第四屆國際先進光刻技術研討會，簡稱 IWAPS 2020 會議在成都成功舉辦。會議由中國集成電路創(chuàng)新聯(lián)盟和中國光學學會主辦，中國科學院微電子研究所、中科芯未來微電子科技成都有限公司和中國科學院光電技術研究所承辦，成都市雙流區(qū)人民政府和南京誠芯集成電路技術研究院協(xié)辦，IEEE 電氣和電子工程師協(xié)會提供技術支持。來自中國、美國、德國、日本、荷蘭等世界各地眾多名企、廠商、科研機構、高校的共 500 余名技術專家和學者參加了本屆大會，另外還有 30 余位由于疫情等原因進行在線分享、互動的國外演講嘉賓和組委會成員，并就先進節(jié)點的計算光刻技術、SMO、DTCO、EUV、工藝、量測、Deep Learning、光刻設備、材料等主題分享了各自的研究成果，探討了圖形化解決方案，研討了即將面臨的技術挑戰(zhàn)，分享者包括來自 ASML、Nikon、Canon 這三大光刻機主要提供商的技術和領導層。
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值得一提的是，此次會議在成都舉辦，也有其深意蘊含其中，目前成都正計劃圍繞“芯、網(wǎng)、核、航、屏”這五大元素在雙流區(qū)建立成都芯谷科創(chuàng)空間，進一步夯實其在集成電路產(chǎn)業(yè)的強勁發(fā)展勢頭。
深度摩爾定律與超越摩爾定律
當摩爾定律發(fā)展到工藝節(jié)點 5nm 的時候，繼續(xù)簡單粗暴地縮小特征尺寸變得越來越困難。那么接下來集成電路何去何從呢？我們的技術專家和學者們給出了三種方案方向：“More Moore”、“More than Moore”、“Beyond CMOS”，即深度摩爾、超越摩爾與新器件。
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廈門大學嘉庚創(chuàng)新實驗室科技總監(jiān) Mark Neisser 告訴我們的記者，“目前像手機、車載、物聯(lián)網(wǎng)等非常多的應用場景下，我們除了要追求深度摩爾定律下的特征尺寸極致化外，目前更大的趨勢是追求功能的多樣化，比如通過封裝技術實現(xiàn)手機多種傳感器的集成，從而增加人臉識別功能等等?！?/p>
卡主脖子的何止光刻機？
“光刻技術作為集成電路制造中最復雜、最關鍵的工藝，面臨內(nèi)部“短板”和外部封鎖等困難，您如何看待該現(xiàn)象？”
當我們的記者提問中國光學學會秘書長，浙江大學教授劉旭時，他表示，“光刻機被老百姓廣泛關注，既是好事也不是好事。因為沒有光刻機，我們做不出圖案來，確確實實是集成電路中很重要的一個環(huán)節(jié)，但實際上它并不是制約我們集成電路發(fā)展的唯一因素。就好比前一階段日本與韓國的經(jīng)濟糾紛，其焦點就是材料——光刻膠及集成芯片化學試劑。而目前有非常多的芯片其實是用不到 7nm 這樣的頂級工藝，比如物聯(lián)網(wǎng)、筆記本、計算機、服務器等領域的芯片，因此我們不能把目光過度集中在 7nm 光刻機這一件事情上?！?/p>
“具體到光刻機的問題，我們國家 02 專項里面已經(jīng)進行了部署，自主研制的 DUV 光刻設備也已在生產(chǎn)。按照芯片制造工藝的等級劃分，50nm 以下光刻機的研發(fā)基本實現(xiàn)了。而今天我們這個會議更重要的目的并不是要做出更高等級的光刻機，而是討論如何在 193nm 的 DUV 光刻機的條件下，將 40nm+變成 14nm 的工藝技術，也就是所謂的超越摩爾定律的工藝制備技術。今天，我們將這個會議定義為 Patterning Solutions，也就是利用曝光圖形設計與曝光工藝技術來超越當前光刻機的分辨率極限，也是出于這方面的考慮?！?劉旭補充道。
聊點關于光刻機的實際問題，如何用 DUV 做出從 40、50nm 到 14nm 的突破？
- 光刻機：光源、鏡頭與控制系統(tǒng)
目前，市面上比較成熟的光刻機根據(jù)光源的不同，可以分為紫外光源（UV）、深紫外光源（DUV）和極紫外光源（EUV）。中國在用的最先進的光刻機就是采用 ArF 光源的 DUV 光刻機，我們知道最初的 ArF 光刻機采用的是干式光刻法，光源波長為 193nm，匹配 130-65nm 級芯片工藝節(jié)點。隨著摩爾定律的發(fā)展，又發(fā)展至浸沒式 ArF 光刻，這里的浸沒式指的是鏡頭和硅片之間的空間浸沒在液體中，目前主流使用的是純凈水作浸沒液，其折射率為 1.44，因此等效波長便從 193nm 降到了 134nm（193nm/1.14=134nm），分辨率也因此提高了，工藝節(jié)點向 45-22nm 邁進。同樣是在摩爾定律的推動下，我們的芯片制程需求開始往 14nm、10nm、7nm，甚至 5nm 發(fā)展，ArF 光刻機已不能滿足其要求，EUV 光刻機，也就是我們常說的第五代光刻機應運而生。
如果我們將光刻機粗略分為光源、鏡頭和精密控制系統(tǒng)，而今天我們又是通過光源來區(qū)分光刻機種類的，那么這里不妨從光源開始談起。
我們知道光源是光刻機非常重要的組成部分，目前全世界能夠提供準分子激光光源的只有兩家公司，分別為美國 Cymer 公司和日本 Gigaphoton 公司，前者已經(jīng)被 ASML 全資收購。為何光刻機光源門檻會這么高？來自日本 Gigaphoton 公司副總經(jīng)理 Toshihiro Oga 表示，“首先，光刻機成像質(zhì)量對光源的性能要求非常高，比如高對比度和純度，并且高頻、高功率的光源（目前 Arf 浸沒式光刻機常用的是 6kHz，120W 光源）不是通用的，專業(yè)性非常強；其次是光源廠需要的投資非常大，市場卻很窄，一般一年光刻機需要的光源也就在 200 個單元左右（80 個用來做 Arf 浸沒式光刻機，20 個用來做 Arf 干式光刻機，其他的用來做 Krf 光刻機），而且在面對客戶時既要為合作的 Foundry 廠考慮成本問題，又要保證良好的可靠性，確實是一個難題。其實在 20 年前，德國和美國有很多這樣的激光光源公司，而今天在競爭之下只剩下了兩家。而目前 Gigaphoton 除了在給 ASML、佳能、尼康這三家光刻機公司提供光源外，也為上海微電子在供貨。”?
聊完光源，我們再來聊一下鏡頭和精密控制系統(tǒng)。
關于鏡頭，要想把鏡片材質(zhì)做到均勻，需幾十年甚至上百年技術積淀?？梢赃@么說，同樣一個鏡片，不同工人去磨，光潔度可能相差十倍。ASML 的鏡片有蔡司技術打底，中國的鏡片產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需沉淀。
關于精密控制系統(tǒng)，隨著半導體工藝的不斷革新，誤差控制已成為最關鍵和最具挑戰(zhàn)性的部分。來自 HLMC 華力微電子的 Dongyu Xu 表示，“高階修正是一種作為抑制產(chǎn)品套刻精度的常見解決方案。而高階修正往往需要在曝光區(qū)域使用更多的測量和更多的目標。此外，測量位置也會影響生成的套刻精度。由于技術的限制，基于圖像的套刻精度(IBO)只能測量放置在器件周圍劃線處的光柵目標。目標在某些區(qū)域可能分布不均勻，部分區(qū)域甚至都無法放置。因此他們提出了一種利用 CDSEM 量測來補充 IBO 目標缺失位置的新方法。據(jù)測試，該方法可顯著恢復 IBO 目標缺陷處的誤校正，從而改善產(chǎn)品套刻精度?！?/p>
- ?光刻工藝：光刻膠、BARC、清洗材料、掩膜、掩膜保護薄膜（pellicle）等
除了光刻機外，光刻技術在量產(chǎn)過程中還有很多問題需要解決，比如光刻膠、掩膜、掩膜保護薄膜（pellicle）。如果這些問題解決得好，就有可能實現(xiàn) DUV 光刻機下從 40nm、50nm 到 14nm 的突破，那我們依次來談一談。
提到光刻膠，大家的第一反應可能是日本和韓國的半導體貿(mào)易摩擦，日本一卡，韓國就只能退步，可見光刻膠等光刻材料的重要性。廈門大學嘉庚創(chuàng)新實驗室科技總監(jiān) Mark Neisser 表示，“當我們?yōu)榱颂岣吖饪虣C的產(chǎn)能，就不得不提高光刻膠被曝光的速度，但是一旦光刻膠曝光時間縮短，曝光反應的量就可能會較少，這時候就會引入隨機效應，也就是噪音，那如何降低隨機效應呢？這個時候我們就要提高光刻膠的精度，這對于材料的研究也是一個挑戰(zhàn)?！?/p>
關于光掩膜，大家知道光掩膜其實是芯片制造中的一個模板，我們也稱之為光罩，它是一種模具，就像我們小時候印照片的膠卷底片，但為了制造方便，光掩膜會變大 4 倍左右，然后再微縮到硅片上，實現(xiàn)芯片的小型化。蔡司半導體光掩模解決方案銷售及商務服務總監(jiān)徐慕鄧表示，“光掩模通常是用石英玻璃制造的，石英基板上有金屬涂層，通過電子束曝光等工序，即可做成用來制造集成電路的掩模版。如果掩模版上面存在缺陷或者表面附有臟污的話，就會影響光刻時的成像，進而影響芯片良率，甚至廢片。因此有時會給掩模板加一層保護薄膜（pellicle），防止灰塵等污染物掉到金屬圖形上去。”蔡司在光掩模制造過程中的強項，在于其電子束修復機、光學影像模擬測量儀，這都是比較有競爭力的產(chǎn)品?！霸诠庋谀５闹圃爝^程中，或多或少會有一些工藝缺陷，電子束修復機就是用于修復這些缺陷，以提高良品率。，電子束修復機的難點在于精度要求非常高。而光學影像模擬測量儀就好比光罩出廠前的最后認證，是用來模擬光刻機在 wafer 上曝光成像的，就使得光罩廠可以在不通過 wafer print 的情況下就能知道這片光罩的成像效果，這一點非常方便且重要?！?徐慕鄧補充道。
無獨有偶，來自 ICRD 的時雪龍在 IWAPS 2020 會上作了題為《快速準確的基于機器學習的反演光刻：使用基于物理的特征圖和經(jīng)過特殊設計的 DCNN》的報告。時雪龍表示，“由于巨大的計算資源需求和較長的計算時間，反演光刻技術（Inverse lithography technology, ILT）的全芯片實現(xiàn)仍然是一項艱巨的任務。為了實現(xiàn)全芯片級別的反演光刻技術，他們提出了一種方法，能夠?qū)⑶皫讉€基于物理學的特征圖與經(jīng)過特殊設計的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(DCNN)結構相結合。其測試結果表明，這種方法可以使基于機器學習的反演光刻變得更加容易、快速和準確?！?/p>
- 光刻工藝相關設備：涂膠顯影設備、清洗設備等
集成電路光刻工藝環(huán)節(jié)非常多，包括涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠、清洗、烘干等，因此也需要相應的光刻工藝設備來做支持，包括上面提到的光刻機，也包括涂膠顯影設備、去膠設備和相關檢測設備。其中涂膠顯影設備是光刻工序中與光刻機配套使用的，具體又可分為涂膠、烘烤及顯影設備。
來自芯源微的前道事業(yè)部總經(jīng)理謝永剛告訴我們的記者，“目前半導體設備國產(chǎn)化是大勢所趨，而目前芯源的適用于 28nm 工藝制程的抗反射層涂膠設備已經(jīng)在國內(nèi)某國際大廠中驗證成功，投入量產(chǎn)。芯源微自主研發(fā)的和光刻機 Scanner 聯(lián)機的高產(chǎn)能 I 線（365nm）涂膠顯影設備 Track，也正在某大廠進行驗證中。深紫外線 DUV Track 預計 2021 年初運抵某客戶現(xiàn)場開始驗證。此外，單片清洗機（Wafer scrubber）作為芯源微新業(yè)務方向，目前增長趨勢也很迅猛，以獲得了國內(nèi)幾個大廠的批量訂單。為了滿足高端涂膠顯影設備和清洗機需求的增長，芯源已著手新廠房的建設，新廠址廠房投入使用后可新增產(chǎn)值 10 億元人民幣以上。
- 應用趨勢：3D 集成電路
三維集成作為集成電路的主要技術方向之一，越來越受到重視，會上非常多的專家、學者對其進行了研究和分享。
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來自 Stanford 的 H.-S. Philip Wong 給我們介紹了如何實現(xiàn)擁有多個邏輯層和存儲層的單片 3D 集成芯片，并闡述了還需要開發(fā)哪些新材料和器件技術，推測了如何將它們集成到未來的電子系統(tǒng)中，以及未來的 3D 集成電路需要怎樣的技術支持。
來自 YMTC 長江存儲的 Dean Wu 吳振國向我們指出，隨著 3D-NAND 閃存芯片存儲密度的不斷增加，堆疊的層數(shù)和總高度也在不斷增加，將會導致由于局部圖形設計不同而產(chǎn)生的應力不匹配的問題變得更嚴重，同時還會帶來更高深寬比刻蝕制程。其中局部應力不匹配將導致傳統(tǒng)的切割道位置套刻誤差(OVL)Mark 不能再代表芯片內(nèi)部的 OVL，更高的深寬比蝕刻制程也將導致更嚴重的傾斜。3D-NAND 最具挑戰(zhàn)性的制程就是高深寬比 Memory hole 的刻蝕，在疊加高度增加的過程中 Memory hole 的刻蝕工藝可能會達到一些很難突破的瓶頸，因此在 3D-DAND 制程中引入了兩次 Memory hole 刻蝕的工藝，對于兩次 Memory hole 刻蝕的工藝，下層和上層連接處的 OVL 是最關鍵的也是最大的挑戰(zhàn)。但不幸的是，應力和上層 Memory hole 的傾斜都會影響 OVL 測量。如何準確地測量連接位置的 OVL 是兩次 Memory hole 刻蝕工藝的最關鍵的基本要求之一。會上他分享了一種光學測量方法，可以直接測量 device pattern 在連接位置處的 OVL，其精度與 SEM OVL 相當，而且具有更快的量測速度。
寫在最后
不論是光刻機還是其他卡脖子技術的跟進與另辟蹊徑中的突破，歸根結底還是人才的競爭。中國光學學會秘書長，浙江大學教授劉旭在談到制約我國工業(yè)半導體材料、芯片、器件可持續(xù)發(fā)展的人才問題時提到，“一方面我們的大學需要全產(chǎn)業(yè)鏈的學科培養(yǎng)，這種新模式是符合現(xiàn)下所需的、解決卡脖子問題的緊缺人才快速培養(yǎng)法；但另一方面我們更要讓大學的專業(yè)拓寬，讓一級學科深入材料、物理等基礎科學，為下一個科技周期培養(yǎng)儲備人才?！?/p>
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