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光刻机

更新于 2021-01-27

卡脖子问题——光刻机

自2019年来,中美贸易战爆发,中国在芯片制造领域的劣势凸显。前不久,美国商务部修改国家出口管制规定,限制所有使用了美国技术的半导体企业接收华为公司的订单,华为面临的压力前所未有。

芯片制造涉及多学科、多领域,世界上的半导体技术本是多个国家技术融合的结果,非一国之力得以达成。然而,由于国家利益的冲突,我国需要在落后两代的芯片制造技术的基础上突出重围,以维护国家安全和国家利益。

芯片制造包含多达5000多道程序,异常艰难。其中,又以利用光刻机执行的紫外线曝光为核心步骤。

一、光刻机的国内外现状概述

(一)市场

2019年,半导体前道制造用光刻机全球出货约360台,其中ASML、Nikon、Canon作为全球半导体巨头,2019年出货量359台。

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根据数据统计,ASML占据市场的绝大部分份额,并且在最高端的EUV光刻机领域更是没有对手。

(二)国内发展

国内,由于起步较晚,技术薄弱,经过17年的努力,上海微电子装备量产了90nm的光刻机,占据了国内80%的市场。近期迎来了研发生产出22纳米的光刻机,代表国产光刻机的最高技术。

二、光刻机原理

所谓光刻,类同于老式照相机冲洗照片,即将胶卷中的影像投射到相片上。

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如图所示为ASML光刻机的简单工作原理。

激光器发出激光经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台,经掩模版后,在高精度物镜的作用下,将掩模版上的芯片电路投射到具有光敏感性的光刻胶薄膜上,然后通过刻蚀技术将电路刻在晶圆上。

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然而,此处仅仅是说明了几个光刻机的几个主要步骤,实际过程要复杂得多,此处不再赘述。

(一)光刻机分辨率

光刻机决定了半导体工艺的制程工艺,而光刻机本身的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的。

光刻机分辨率=$\frac {k_1 λ} {NA}$。

其中,

  • k1是工艺因子常数,不同的光刻机k1不同,较难提升;
  • λ指的是光源波长;
  • NA是物镜的数值孔径。

由此,我们可以知道,要提高光刻机的分辨率,就要缩小波长,增大数值孔径。

1. 波长

激光器作为光源,对分辨率的影响很大。随着半导体工业节点的不断提升,光刻机的激光波长也在不断缩小。从最初的436nm、365nm的近紫外(NUV)激光进入到246nm、193nm的深紫外(DUV)激光,现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机,波长是193nm,光源是ArF(氟化氩)准分子激光器,从45nm到10/7nm工艺都可以使用这种光刻机,但是到了7nm这个节点已经是DUV光刻的极限。

在上世纪90年代后半期,大家都在寻找取代193nm光刻光源的技术,提出了包括157nm光源、电子束投射、离子投射、X射线和EUV,而从现在的结果来看只有EUV成功了。

目前,ASML已经量产13.5nm的极紫外光(EUV)光刻技术。

除了从光源处改变波长之外,最初的浸入式光刻则是通过在晶圆光刻胶上加1mm厚的水,将193nm的光波长折射成134nm。后来不断改进高NA镜片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段铃木的光刻胶等技术,一只用到现在的7nm/10nm,然而正如上述提及到的,但这已经是193nm光刻机的极限了。

2. 数值孔径

相比于缩短光源波长,NA数值孔径并不容易提升。目前广泛使用的镜片NA值是0.33,ASML前不久入股卡尔·蔡司公司后,合作研发数值孔径为0.5的镜片,尚未有结果。

三、关键技术

(一)光源

1. 研究现状

在使用了浸润技术的193nm波长光源的光刻机达到极限后,伴随着13.5nm的极紫外光光源的可行性被理论验证,13.5nm的极紫外光光源成为生产高端光刻机的必要条件。此外,极紫外光光源能够有效提高芯片运行效率,是未来发展的不二选择。

在国际上,ASML和许多著名研究机构如: 美国Sandia National Laboratory( SNL ) ,Lawrence Livermore National Laboratory( LLNL ) ,Lawrence Berkley National Laboratory( LBNL) ; 日本产业技术综合研究所等都对极紫外光光源进行了大量研究,而目前,只有ASML能够生产产品。

国内对于EUV技术的研究相较于国外较晚,只有中国科学院和一些高校的部分团队进行研究。长春光机所对于该技术的研究比较早,从20世纪90 年代末就开始对EUV 和X 射线等技术进行研究,并于2002年研制出了国内第一套EUV 光刻原理装置。

随后,我国对EUV技术愈来愈重视,并投入了大量的人力物力。

2016年,以长春光机所为首的研究团队最终研制出线宽为32 nm EUV 光刻投影曝光装置。该技术在2017年作为极紫外光刻关键技术研究被验收。

最近几年,上海光学精密机械研究所,长春理工大学,哈尔滨工业大学,华中科技大学,同济大学均对EUVL相关理论进行了不少研究。

2. 研究难点

由于为满足极紫外光刻需求,光源应具有如下性能:

  1. 输出功率稳定,达百瓦量级
  2. 激光线宽窄
  3. 系统效率高
  4. 体积和重量不能太大
  5. 能长时间,高可靠运转
  6. 维护成本低
  7. 污染低

当下,主要有以下四种方案制作EUV光源:

  1. 同步辐射源
  2. 激光等离子体
  3. 放电等离子体
  4. 激光辅助放电等离子体

如何选取和运用从而能够让EUV光刻机光源满足需求是当下的难题。由于同步辐射源需要庞大且复杂的设备以及造价高的劣势,放电等离子体和激光辅助放电等离子体难以保持稳定的工作状态,因而激光等离子体成为当下唯一有前景的方法。荷兰ASML即采用该种方法实现EUV光源。

由此,如何提高激光等离子体光源的转换效率和减少其光源碎屑成为研究极紫外光光源的关键问题。

(二)光刻物镜

自20世纪80年代后,光刻机开始使用光学系统缩小掩模版投影,来生产更精密的半导体器件。

1. 研究现状

国内在光刻机物镜方面投入较晚,相对国外有一定差距。目前,长春光学精密机械与物理研究所成功研制了含有非球面光学元件的193nm、NA=0.75投影光刻物镜。并在90nm光刻机整机上获得了满足光刻工艺要求的85nm极限曝光分辨率的成果。

目前,该团队正在研究NA1.35 ArF浸没式透镜光刻物镜的技术攻关工作。

2. 研究难点

为了兼顾分辨率和焦深,则需要合理增加物镜的数值孔径,同时能够满足平像场,复消色差。

由此,可以知道其技术难点为

  1. 要求分辨率极高,需要合理选择优化方法
  2. 由于物镜数值孔径大,同时要求长的工作距离,难以消除像差。
  3. 光源的波长很短,只能选择几种特别的光学晶体,难以校正色差。
  4. 要求达到的像质很高,达到了衍射极限,对各阶段像差要求都很严格。
  5. 由于要求的像差很高,故单一设计投影光刻物镜难以满足要求,故要求对物镜进行像质补偿

四、突破

在光源方面,我们需要集中突破如何提高激光等离子体光源的转换效率和减少其光源碎屑等问题。

在光刻物镜方面,其设计过程主要分为两部分,其一是需要设计出高标准或近乎完美的物镜,其二则是设计多个方面的像质补偿策略。其中,以更好的像质补偿技术为主。

因此,要实现该技术的突破,除了需要做好第一阶段的设计工作外, 更需要分别突破集成阶段,热像差,X-Y柔顺微机动机构等像质补偿技术;此外,还需考虑复杂工况下热像差补偿的潜在需求以及热相差补偿技术对主动变形的需求。

五、想法与感悟

光刻机作为一个多学科多领域的产物,研发实为不易。

ASML作为光刻机领域的绝对巨头,其成功经验十分值得我们借鉴。

  1. 合作。ASML的商业合作模式别出心裁,即ASML的买家需要向ASML投资,从而可以获得优先供货圈。由此带来了多方面的好处,首先,ASML绑定其下游产业,一荣俱荣,一损俱损,在保证市场需求的情况下又有充分的资金支持,同时,其下游产业又可以在一定的基础之上向ASML回馈技术,确保其技术垄断地位。虽然我们作为社会主义国家,有着集中力量办大事的优越性,在资金方面无需担心,同时,在国内光刻机紧缺的情形下,自然也不乏市场需求。然而,ASML绑定其上下游产业的利益从而带来的技术回馈却是我们需要学习的。
  2. 整合。ASML所有的零部件均为外购,可以确保其每个零部件都能达到世界最顶级的水平,而其自身则专门研究技术整合。虽然我国和资本主义国家存在着很多的利益冲突,但我始终认为技术全球化才是快速发展的法门。尺有所长,寸有所短,我们不可能将世界上所有优秀的技术都纳入囊中。因此,建议能够尽可能实现零件外购,核心技术自给自足,同时绑定多个国家多个企业的核心利益。并且建立像苹果公司一般的供货机制,对供货源严格考察并尽量使其多元化,而不至于使得单个方面的问题影响全局发展。此外,这并非意味着在某些方面我们可以松懈,而是合理的选择发展研究的顺序罢了;对于核心零部件我们仍要发挥社会主义制度的优势,苦心钻研,虽然在许多方面我们长时间难以达到世界顶级的水平,却也可以如华为公司一般,在关键时刻有备胎计划。

从我国02专项中不难看出国家对于集成电路产业的扶持,也体现了我国社会制度的优越性。

然而,之所以我们在国外封杀某些产业的情况下,显得束手无策,其关键原因在于我国十分缺少能够成为世界巨头的技术或产品。试想,如果华为公司生产的操作系统能够如Andriod一样广泛使用,美国单方面宣布的技术限制对华为公司带来的影响将为世界人民所不容;如果ASML的核心供应商中频频有中国的身影,ASML又怎么会迫于国际压力对中芯国际的订购一再推诿。

因此,虽然我国很多大型核心技术受制于人,但我更希望国家能够培育发展一小批能屹立世界之巅的小型技术,而非齐头并进。只需要让我国的技术能够出现在每个产业上,在每个产业链的顶端都有中国技术的身影,就可以减少对如此卡脖子问题的担忧,毕竟,全球化才是趋势所在。

中国试图构建命运共同体并不意味着中国一定要领跑全球,而是应该努力促进技术全球化,利益全球化。

我国应当充分发挥社会主义制度的优势,对高新技术区分主次,以小见大,逐个突破,重点突击,以国家力量让中国技术在世界高新技术产业发挥不可替代的作用。

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