光刻機發(fā)展要另辟蹊徑？

最近，光刻機話題異?；馃?，似乎全世界都在關注中國本土相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

要想制造出一臺可商用的高端光刻機（可制造 7nm 及更先進制程芯片），是一項復雜的工程，因為高端光刻機所需要的精密零部件太多了，每一種的技術含量都非常高，而且，要想把這些零部件組合成一臺可用的機器，需要長期的技術和實踐積累。

光刻這個概念，有廣義和狹義之分。在狹義層面，就是用光去「復印」集成電路圖案，這也是我們常說的光學光刻技術，特別是紫外線光刻技術（DUV 和 EUV）。在廣義層面，光刻泛指各種集成電路「復印」和「印刷」技術，這些技術中，有的用光，有的不用光（如電子束和納米壓印光刻）。

按應用劃分，半導體光刻技術主要用在三個領域：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，技術含量最高、受關注度最高的就是前道工序光刻工藝，我們常說的 DUV 和 EUV，就是這一部分應用。本文主要討論這一領域的光刻技術。

光刻技術總覽

首先，我們先從廣義層面了解一下各種光刻技術。

在半導體行業(yè)，光刻技術的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，接觸/接近式光刻、光學投影光刻、分步（重復）投影光刻出現(xiàn)時間較早。目前，集成電路制造主要采用光學光刻技術，包括掃描式光刻、浸沒式掃描光刻、極紫外光刻工藝。此外，還有 X 射線、電子束光刻、聚焦粒子束光刻、納米壓印、激光直寫技術。

光學光刻，是通過照射，用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路結構圖形「畫」在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學反應，從而生成電路圖，光學光刻需要掩模。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，而減小照射光源的波長是提高分辨率的有效途徑。因此，開發(fā)新型短波長光源光刻機一直是業(yè)界的研究熱點。

電子束光刻，該技術不需要掩模，直接將會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題阻礙了該技術的普及，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；在實現(xiàn)納米尺度的加工中，電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術問題。

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、二次粒子偵測器、5-6 軸向移動的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板，以及計算機等設備。外加電場于液相金屬離子源，可使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場，牽引尖端的鎵，導出鎵離子束，通過電透鏡聚焦，經(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA) 可調整離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割的目的。

納米壓印光刻，采用電子束等技術將電路圖案刻制在掩模版上，然后通過掩模使對象上的聚合物變形，再采用某種方式使聚合物固化，進而完成圖案的轉移。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。

主流光學光刻工藝

如前文所述，狹義層面的光刻，也就是目前的主流光刻技術，其基本原理是：利用光通過具有圖形的光罩（掩模版）對涂有光刻膠的晶圓曝光，光刻膠見光后會發(fā)生性質變化，使光罩上的電路圖復印到晶圓上，形成電子線路圖。

光刻系統(tǒng)非常復雜，整個設備由光源、投影物鏡、工件臺、掩模臺、對準與測量、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)、光刻計算（OPC）與掩模優(yōu)化（SMO）軟件、顯影、涂膠設備提供支持。

隨著制程工藝的演進，光刻機各個系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化升級，雙工件臺技術與浸液技術相繼被采用。

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光刻工藝，包括深紫外 DUV 和極紫外 EUV。而在早些年，半導體制程工藝還沒演進到 180nm 節(jié)點，那時的光刻精度沒現(xiàn)在這么高，也不需要用到 DUV 和 EUV，采用的是接觸/接近式光刻機（Aligner），掃描投影/重復步進光刻機（Stepper）。

當制程工藝發(fā)展到 0.25 微米后，步進掃描式光刻機（Scanner）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，轉移至下一曝光場，直至整個晶圓曝光完畢。

為了滿足不斷提升的性能指標要求，光刻機的各個組成系統(tǒng)不斷突破光學、精密機械、材料等領域的技術瓶頸，實現(xiàn)了多項高精尖技術的融合。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，也受到了更多關注。

通過配置不同類型的光源（i 線、KrF、ArF，EUV），步進掃描光刻機可以支持所有集成電路制程節(jié)點，但為滿足最先進制程的要求，每一代步進掃描光刻機都歷經(jīng)了重大技術升級，例如：步進掃描式光刻機 26mm x 8mm 的靜態(tài)曝光場相對較小，降低了物鏡系統(tǒng)制造的難度；但其工件臺與掩模臺反向運動的動態(tài)掃描方式，提升了對運動系統(tǒng)的性能要求。

從 DUV 到 EUV

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，一直到 7nm 芯片量產(chǎn)，DUV 都是市場的統(tǒng)治者。在這一過程中，DUV 技術也在不斷演進，以滿足制程工藝的發(fā)展要求。例如，越先進的制程，其線寬越小，這就需要光刻機具有更高的曝光分辨率，為了提升分辨率，要不斷提高光刻機物鏡的數(shù)值孔徑（NA），并采用波長更短的光源，另外，浸沒式光刻系統(tǒng)也是一大發(fā)明，它通過在物鏡鏡頭和晶圓之間增加去離子水來增大折射率，達到了提升分辨率的效果。

當制程工藝發(fā)展到 22nm 時，必須引入新的方法才能進一步提升光刻的分辨率，多重曝光技術誕生。多重曝光技術有多種類型，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），自對準多重曝光（SAMP）。

多重曝光是把原來一層光刻圖形拆分到兩個或多個掩模版上，以實現(xiàn)圖像密度的疊加，這樣就實現(xiàn)了比光刻機極限分辨率更小的圖形。例如，用 DUV 加上四重曝光技術（SAQP）進行多次曝光處理，可使制程工藝水平由雙重曝光（SADP）的 40nm 提升到 20nm。

當制程節(jié)點演進到 5nm 時，DUV 和多重曝光技術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了，沒有它，很難制造出符合應用需求的 5nm 芯片，即使不用 EUV 能制造出一些 5nm 芯片，其整個生產(chǎn)線的良率也非常低，無法形成大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。

隨著制程節(jié)點不斷演進，3nm、2nm 芯片已經(jīng)或即將問世，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。

雖然 EUV 光刻系統(tǒng)每一個主要組成部分都需要高精尖技術，但光源的重要性更加凸出，特別是近些年，中國在發(fā)展 EUV 光刻機方面不斷積蓄力量，光源是重中之重。

光源波長越短，光刻機分辨率越高，制程工藝越先進。與 DUV 使用的準分子激光光源不同，EUV 光刻機采用 13.5nm 波長的離子體光源，這種光源是通過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），通過高價錫離子能級間的躍遷獲得的。

EUV 的未來發(fā)展路徑

目前，3nm 制程芯片已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，未來 3 年內，2nm 量產(chǎn)幾無懸念，而在可預見的未來幾年內，1nm，甚至更先進制程芯片也將陸續(xù)量產(chǎn)。在這樣的行業(yè)背景下，EUV 光刻機的重要性愈加凸出。

目前來看，EUV 光刻機必須不斷演進，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，最先進的 EUV 光刻機都是由 ASML 生產(chǎn)的，已商用的 EUV 的 NA 最高達到了 0.33，而 NA 值為 0.55 的 EUV 產(chǎn)品也將在 2024 年問世，并有望在 2025 年實現(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)，可以在已有基礎上，不斷增加功率。

LPP 光源的好處是轉換率高，大廠都希望功率能達到 200W 以上的工業(yè)應用標準，這就需要龐大的二氧化碳激光裝置。在實際應用中，高水平的 EUV LPP 光源的激光器需要達到 20kW 的功率，而這樣的發(fā)射功率經(jīng)過重重反射，達到焦點處的功率只有 350W 左右。

更小的功率并不是說不能正常運行，只是對于一臺售價上億美元的光刻機來說，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)點后，為了最大化掃描速度，3nm 節(jié)點需要 1500W 的焦點功率，2nm 節(jié)點需要 2800W 的焦點功率。而這樣的功率是現(xiàn)有 LPP EUV 達不到的。目前，在這方面較為領先，也在加緊研究的是 ASML 公司。

二、可以采用分時高功率光纖激光器射擊液態(tài)錫靶技術，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。

三、使用能量回收型直線加速器（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 10kW。根據(jù)日本高能加速器研究機構給出的數(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，這種光源存在不少需要突破的技術難點，而且造價高昂。

四、基于穩(wěn)態(tài)微聚束（Steady-state microbunching，SSMB）技術的粒子加速器光源。SSMB 概念由斯坦福大學教授、清華大學訪問教授趙午與其博士生 Daniel Ratner 于 2010 年提出。

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

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

目前，清華大學正積極支持和推動 SSMB EUV 光源在國家層面的立項工作，清華 SSMB 研究組已向國家發(fā)改委提交「穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置」的項目建議書，申報「十四五」國家重大科技基礎設施。

結語

光刻機從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了多次迭代，發(fā)展出了多種應用技術，為了應對不斷發(fā)展的應用需求，新的技術高峰和難題也在等待業(yè)界去攀登和攻克。

對于中國半導體產(chǎn)業(yè)而言，面對外部壓力，需要在保持國際供應鏈通道的同時，不斷強化自研能力，光刻機，特別是 EUV 光刻機是重要一環(huán)。目前，中國本土企業(yè)在封裝和顯示面板用光刻機方面已經(jīng)能夠實現(xiàn)自主，但在先進制程芯片制造方面，還有很長的路要走。

在提升 EUV 光源功率水平方面，已出現(xiàn)多條發(fā)展路徑，無論是走傳統(tǒng)技術路線，還是另辟蹊徑，尋找更好的追趕國際先進光刻技術水平的解決方案，都需要踏踏實實地進行技術研發(fā)和工程驗證工作，絕對不是短期內就能達到目標的，需要長期堅持，不懈努力。