最近，***話(huà)題異?；馃?，似乎全世界都在關(guān)注中國(guó)本土相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

要想制造出一臺(tái)可商用的高端***（可制造7nm及更先進(jìn)制程芯片），是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，因?yàn)楦叨?**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(tái)可用的機(jī)器，需要長(zhǎng)期的技術(shù)和實(shí)踐積累。

光刻這個(gè)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(shuō)的光學(xué)光刻技術(shù)，特別是紫外線(xiàn)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(gè)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(shuō)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)。

?01 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(gè)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(shí)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(méi)式掃描光刻、極紫外光刻工藝。此外，還有X射線(xiàn)、電子束光刻、聚焦粒子束光刻、納米壓印、激光直寫(xiě)技術(shù)。

光學(xué)光刻，是通過(guò)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(huà)”在涂有光刻膠的硅片上，通過(guò)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(zhǎng)是提高分辨率的有效途徑。因此，開(kāi)發(fā)新型短波長(zhǎng)光源***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(huì)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(wèn)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(shí)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(wèn)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(cè)器、5-6軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電子控制面板，以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備。外加電場(chǎng)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(chǎng)，牽引尖端的鎵，導(dǎo)出鎵離子束，通過(guò)電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)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(guò)二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來(lái)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(guò)掩模使對(duì)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)。

?02 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(guò)具有圖形的光罩（掩模版）對(duì)涂有光刻膠的晶圓曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)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(xiàn)路圖。

光刻系統(tǒng)非常復(fù)雜，整個(gè)設(shè)備由光源、投影物鏡、工件臺(tái)、掩模臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)與測(cè)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(jì)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)，***各個(gè)系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化升級(jí)，雙工件臺(tái)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(xiàn)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(méi)演進(jìn)到180nm節(jié)點(diǎn)，那時(shí)的光刻精度沒(méi)現(xiàn)在這么高，也不需要用到DUV和EUV，采用的是接觸/接近式***（Aligner），掃描投影/重復(fù)步進(jìn)***（Stepper）。

當(dāng)制程工藝發(fā)展到0.25微米后，步進(jìn)掃描式***（Scanner）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。

為了滿(mǎn)足不斷提升的性能指標(biāo)要求，***的各個(gè)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(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)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(guò)配置不同類(lèi)型的光源（i線(xiàn)、KrF、ArF，EUV），步進(jìn)掃描***可以支持所有集成電路制程節(jié)點(diǎn)，但為滿(mǎn)足最先進(jìn)制程的要求，每一代步進(jìn)掃描***都?xì)v經(jīng)了重大技術(shù)升級(jí)，例如：步進(jìn)掃描式*** 26mm x 8mm 的靜態(tài)曝光場(chǎng)相對(duì)較小，降低了物鏡系統(tǒng)制造的難度；但其工件臺(tái)與掩模臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)掃描方式，提升了對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求。

?03 從DUV到EUV

自1990年SVGL公司推出Micrascan I步進(jìn)掃描***以來(lái)，***產(chǎn)業(yè)就進(jìn)入了DUV時(shí)代，一直到7nm芯片量產(chǎn)，DUV都是市場(chǎng)的統(tǒng)治者。在這一過(guò)程中，DUV技術(shù)也在不斷演進(jìn)，以滿(mǎn)足制程工藝的發(fā)展要求。例如，越先進(jìn)的制程，其線(xiàn)寬越小，這就需要***具有更高的曝光分辨率，為了提升分辨率，要不斷提高***物鏡的數(shù)值孔徑（NA），并采用波長(zhǎng)更短的光源，另外，浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)也是一大發(fā)明，它通過(guò)在物鏡鏡頭和晶圓之間增加去離子水來(lái)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(shí)，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(lèi)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(duì)準(zhǔn)多重曝光（SAMP）。

多重曝光是把原來(lái)一層光刻圖形拆分到兩個(gè)或多個(gè)掩模版上，以實(shí)現(xiàn)圖像密度的疊加，這樣就實(shí)現(xiàn)了比***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(shí)，DUV和多重曝光技術(shù)的組合也難以滿(mǎn)足量產(chǎn)需求了，EUV***就成為前道工序的必需品了，沒(méi)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(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的良率也非常低，無(wú)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(wèn)世，行業(yè)對(duì)EUV***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。

雖然EUV光刻系統(tǒng)每一個(gè)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(guó)在發(fā)展EUV***方面不斷積蓄力量，光源是重中之重。

光源波長(zhǎng)越短，***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***采用13.5nm波長(zhǎng)的離子體光源，這種光源是通過(guò)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(guò)高價(jià)錫離子能級(jí)間的躍遷獲得的。

?04 EUV的未來(lái)發(fā)展路徑

目前，3nm制程芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，未來(lái)3年內(nèi)，2nm量產(chǎn)幾無(wú)懸念，而在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)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***的重要性愈加凸出。

目前來(lái)看，EUV***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***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(wèn)世，并有望在2025年實(shí)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(shí)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(guò)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(shuō)不能正常運(yùn)行，只是對(duì)于一臺(tái)售價(jià)上億美元的***來(lái)說(shuō)，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(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。

三、使用能量回收型直線(xiàn)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(guò)，這種光源存在不少需要突破的技術(shù)難點(diǎn)，而且造價(jià)高昂。

基于SSMB原理，能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射，波長(zhǎng)可覆蓋從太赫茲到極紫外波段。下圖所示為SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖。

基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供了新思路。

?05 結(jié)語(yǔ)

***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(duì)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(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，面對(duì)外部壓力，需要在保持國(guó)際供應(yīng)鏈通道的同時(shí)，不斷強(qiáng)化自研能力，***，特別是EUV***是重要一環(huán)。目前，中國(guó)本土企業(yè)在封裝和顯示面板用***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(zhǎng)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(wú)論是走傳統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)，還是另辟蹊徑，尋找更好的追趕國(guó)際先進(jìn)光刻技術(shù)水平的解決方案，都需要踏踏實(shí)實(shí)地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和工程驗(yàn)證工作，絕對(duì)不是短期內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)的，需要長(zhǎng)期堅(jiān)持，不懈努力。

編輯：黃飛

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