光刻机发展要另辟蹊径？

2023-09-22 09:23

最近，光刻机话题异常火热，似乎全世界都在关注中国本土相关产业的发展。

要想制造出一台可商用的高端光刻机（可制造7nm及更先进制程芯片），是一项复杂的工程，因为高端光刻机所需要的精密零部件太多了，每一种的技术含量都非常高，而且，要想把这些零部件组合成一台可用的机器，需要长期的技术和实践积累。

光刻这个概念，有广义和狭义之分。在狭义层面，就是用光去“复印”集成电路图案，这也是我们常说的光学光刻技术，特别是紫外线光刻技术（DUV和EUV）。在广义层面，光刻泛指各种集成电路“复印”和“印刷”技术，这些技术中，有的用光，有的不用光（如电子束和纳米压印光刻）。

按应用划分，半导体光刻技术主要用在三个领域：前道工序的集成电路制造，后道工序的芯片封装，以及显示面板的制造。其中，技术含量最高、受关注度最高的就是前道工序光刻工艺，我们常说的DUV和EUV，就是这一部分应用。本文主要讨论这一领域的光刻技术。

光刻技术总览

首先，我们先从广义层面了解一下各种光刻技术。

在半导体行业，光刻技术的发展经历了多个阶段，接触/接近式光刻、光学投影光刻、分步（重复）投影光刻出现时间较早。目前，集成电路制造主要采用光学光刻技术，包括扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻工艺。此外，还有X射线、电子束光刻、聚焦粒子束光刻、纳米压印、激光直写技术。

光学光刻，是通过照射，用投影方法将掩模上的大规模集成电路结构图形“画”在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而生成电路图，光学光刻需要掩模。集成电路的最小特征尺寸与光刻系统的分辨率直接相关，而减小照射光源的波长是提高分辨率的有效途径。因此，开发新型短波长光源光刻机一直是业界的研究热点。

电子束光刻，该技术不需要掩模，直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上。电子束光刻存在的一些问题阻碍了该技术的普及，例如：电子束高精度扫描成像曝光效率低；电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应；在实现纳米尺度的加工中，电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题。

聚焦离子束（Focused Ion beam, FIB）光刻，是利用电透镜将离子束聚焦成小尺寸的显微切割仪器，它的工作原理与电子束光刻相近。目前，商用的离子束为液态金属离子源，金属材质为镓。典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板，以及计算机等设备。外加电场于液相金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场，牵引尖端的镓，导出镓离子束，通过电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可调整离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割的目的。

纳米压印光刻，采用电子束等技术将电路图案刻制在掩模版上，然后通过掩模使对象上的聚合物变形，再采用某种方式使聚合物固化，进而完成图案的转移。纳米压印分辨率高，成本低，但存在刻套误差大、缺陷率高、掩模版易被污染的缺点。

主流光学光刻工艺

如前文所述，狭义层面的光刻，也就是目前的主流光刻技术，其基本原理是：利用光通过具有图形的光罩（掩模版）对涂有光刻胶的晶圆曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，使光罩上的电路图复印到晶圆上，形成电子线路图。

光刻系统非常复杂，整个设备由光源、投影物镜、工件台、掩模台、对准与测量、掩模传输、晶圆传输等部分组成。此外，还需要环境与电气系统、光刻计算（OPC）与掩模优化（SMO）软件、显影、涂胶设备提供支持。

随着制程工艺的演进，光刻机各个系统也在不断优化升级，双工件台技术与浸液技术相继被采用。

目前，在前道工序集成电路制造方面，主要采用的都是紫外线光刻工艺，包括深紫外DUV和极紫外EUV。而在早些年，半导体制程工艺还没演进到180nm节点，那时的光刻精度没现在这么高，也不需要用到DUV和EUV，采用的是接触/接近式光刻机（Aligner），扫描投影/重复步进光刻机（Stepper）。

当制程工艺发展到0.25微米后，步进扫描式光刻机（Scanner）的扫描曝光视场尺寸与曝光均匀性更具优势，逐步成为主流光刻设备（DUV和EUV）。其利用 26mm x 8mm 的狭缝，采用动态扫描的方式（掩模版与晶圆片同步运动），可以实现 26mm x 33mm 的曝光场。当前曝光场扫描完毕后，转移至下一曝光场，直至整个晶圆曝光完毕。

为了满足不断提升的性能指标要求，光刻机的各个组成系统不断突破光学、精密机械、材料等领域的技术瓶颈，实现了多项高精尖技术的融合。最近这几年，在EUV光刻系统中，光源的重要性似乎更加凸出，也受到了更多关注。

通过配置不同类型的光源（i线、KrF、ArF，EUV），步进扫描光刻机可以支持所有集成电路制程节点，但为满足最先进制程的要求，每一代步进扫描光刻机都历经了重大技术升级，例如：步进扫描式光刻机 26mm x 8mm 的静态曝光场相对较小，降低了物镜系统制造的难度；但其工件台与掩模台反向运动的动态扫描方式，提升了对运动系统的性能要求。

从DUV到EUV

自1990年SVGL公司推出Micrascan I步进扫描光刻机以来，光刻机产业就进入了DUV时代，一直到7nm芯片量产，DUV都是市场的统治者。在这一过程中，DUV技术也在不断演进，以满足制程工艺的发展要求。例如，越先进的制程，其线宽越小，这就需要光刻机具有更高的曝光分辨率，为了提升分辨率，要不断提高光刻机物镜的数值孔径（NA），并采用波长更短的光源，另外，浸没式光刻系统也是一大发明，它通过在物镜镜头和晶圆之间增加去离子水来增大折射率，达到了提升分辨率的效果。

当制程工艺发展到22nm时，必须引入新的方法才能进一步提升光刻的分辨率，多重曝光技术诞生。多重曝光技术有多种类型，包括：双重曝光（DE），曝光-固化-曝光-刻蚀（LFLE），双重曝光（LELE），三重曝光（LELELE），自对准多重曝光（SAMP）。

多重曝光是把原来一层光刻图形拆分到两个或多个掩模版上，以实现图像密度的叠加，这样就实现了比光刻机极限分辨率更小的图形。例如，用DUV加上四重曝光技术（SAQP）进行多次曝光处理，可使制程工艺水平由双重曝光（SADP）的40nm提升到20nm。

当制程节点演进到5nm时，DUV和多重曝光技术的组合也难以满足量产需求了，EUV光刻机就成为前道工序的必需品了，没有它，很难制造出符合应用需求的5nm芯片，即使不用EUV能制造出一些5nm芯片，其整个生产线的良率也非常低，无法形成大规模的商业化生产。

随着制程节点不断演进，3nm、2nm芯片已经或即将问世，行业对EUV光刻机的要求越来越高，对其发展前景和发展路径也提出了更多期待。

虽然EUV光刻系统每一个主要组成部分都需要高精尖技术，但光源的重要性更加凸出，特别是近些年，中国在发展EUV光刻机方面不断积蓄力量，光源是重中之重。

光源波长越短，光刻机分辨率越高，制程工艺越先进。与DUV使用的准分子激光光源不同，EUV光刻机采用13.5nm波长的离子体光源，这种光源是通过二氧化碳激光器轰击雾化的锡（Sn）金属液滴，将它们蒸发成等离子体（激光等离子体，LPP），通过高价锡离子能级间的跃迁获得的。

EUV的未来发展路径

目前，3nm制程芯片已经实现量产，未来3年内，2nm量产几无悬念，而在可预见的未来几年内，1nm，甚至更先进制程芯片也将陆续量产。在这样的行业背景下，EUV光刻机的重要性愈加凸出。

目前来看，EUV光刻机必须不断演进，才能跟上制程工艺发展的步伐，而要提升光刻精度，除了提升物镜的数值孔径NA，人们将主要精力放在了提升光源分辨率上，增加光源功率是一条重要发展路径。

目前，最先进的EUV光刻机都是由ASML生产的，已商用的EUV的NA最高达到了0.33，而NA值为0.55的EUV产品也将在2024年问世，并有望在2025年实现商用。

光源方面，要提升功率，有几条发展路径可供选择。

一、传统的LPP光源系统，可以在已有基础上，不断增加功率。

LPP光源的好处是转换率高，大厂都希望功率能达到200W以上的工业应用标准，这就需要庞大的二氧化碳激光装置。在实际应用中，高水平的EUV LPP光源的激光器需要达到20kW的功率，而这样的发射功率经过重重反射，达到焦点处的功率只有350W左右。

更小的功率并不是说不能正常运行，只是对于一台售价上亿美元的光刻机来说，这样的功率还不足以最大化利用率，尤其是到了3nm和2nm制程节点后，为了最大化扫描速度，3nm节点需要1500W的焦点功率，2nm节点需要2800W的焦点功率。而这样的功率是现有LPP EUV达不到的。目前，在这方面较为领先，也在加紧研究的是ASML公司。

二、可以采用分时高功率光纤激光器射击液态锡靶技术，用这种方法制造的光源，其光源功率有望超过传统LPP数倍。

三、使用能量回收型直线加速器（ERL）的FEL（自由电子激光）方案，这种光源的极限功率也很高，最高可达10kW。根据日本高能加速器研究机构给出的数据，FEL可以做到近LPP方案七分之一的耗电成本。不过，这种光源存在不少需要突破的技术难点，而且造价高昂。

四、基于稳态微聚束（Steady-state microbunching，SSMB）技术的粒子加速器光源。SSMB概念由斯坦福大学教授、清华大学访问教授赵午与其博士生Daniel Ratner于2010年提出。

基于SSMB原理，能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射，波长可覆盖从太赫兹到极紫外波段。下图所示为SSMB原理验证实验示意图。