中科院中紫外光刻设备研制成功,国产光刻机有望突破

发布时间: 2017-05-14 10:59 作者: 浏览次数: 2144 字号:

近日,一种新型的中紫外直接光刻机由中国科学院光电技术研究所微电子专用设备研发团队在国内研制成功。该设备采用特有的高均匀、高准直中紫外照明技术,结合光敏玻璃材料,实现基于光敏玻璃基底的微细结构直接加工,能够极大简化工艺流程,将有力促进光敏玻璃微细结构的光刻工艺技术“革命”,目前在国内尚未见有此类产品成功研发的报道。

光刻设备是用于微细结构加工的核心设备,在微电子、生物、医学和光学等领域得到全面应用。由于光刻工艺的限制,原有光刻设备大多是针对光刻胶曝光进行技术研发。而针对玻璃基底的微细结构加工具有特殊性:光敏玻璃光谱敏感特性不同于光刻胶、微细结构深宽比大和完全非接触曝光。近年来,针对玻璃基底的微细加工技术愈发重要,在微流控芯片、微光学元件以及OLED显示屏等新型微细结构的加工中需求迫切,也是国内外光刻设备研发的重要方向之一。因此,光电所微电子专用设备研发团队联合国内外科研机构,开展了汞灯光源、大口径高精度反射镜、中紫外镀膜和间隙测量等技术研发,成功提高了汞灯光源中紫外光谱能量,通过反射式光路结构保证光能利用率和准直性,精密间隙测量和控制技术实现非接触曝光,并进行了光敏玻璃直接光刻实验,实现了玻璃基底高分辨、高深宽比、大面积微细结构的直接光刻工艺。

该设备的成功研制,是光刻设备研发与光刻工艺应用结合的产物,将促进光刻工艺的革命性改进,符合国际光刻设备研究发展趋势,也使得我国在新型直接光刻设备研发中抢占先机。

EUV光刻机,摩尔定律的拯救者

关于EUV技术可以溯源到20世纪70年代,那时候业界刚好开发出X光光刻,那是一种依赖于大型同步回旋加速器的技术。但由于X光光刻比较高,最终在上世纪80年代,宣告失败。

然后X光光刻转变成一种叫做软性X光,或者称作EUV的技术。通过使用多层的镜子,让这个技术变得更实际。于是从上世纪80年代开始,业界就投入到了EUV光刻的研发,但直到21世纪出,这个技术才取得了业界认可的突破性进展。也就是在那时,芯片制造商表示,传统光刻将会在65nm或者45nm的时候遇到障碍,由此亟需下一代的光刻技术,去缩小晶体管的规模,延续摩尔定律。

多年以后,EUV已经成为下一代光刻技术中的佼佼者,其他的竞争技术,如自组装技术、电子束直写和纳米打印技术都现实不见了。

业界指望下一代光刻技术能给业界带来新的颠覆,但从目前的状况看来,似乎还没准备好。

传统的光刻技术开始逐渐违背物理定律了,但无奈地还得充当Fab的主流技术。现在应用在Fab的先进光刻技术,就只有193nm沉浸式光刻,但也只能在晶圆上打印一下细小的功能部件,并不能大规模应用。

按理说,193nm光刻在80nm的时候就会碰到瓶颈。但芯片制造商通过应用分辨率增强技术(RETs),将193nm光刻技术应用在远低于这个波长的场景。

有了RETs,光刻机在28nm的时候只需要一次的光刻曝光就可以实现了。但到了22nm/20nm,单次曝光有时候就不能给临界层提供足够的分辨率。芯片制造商就通过多重pattern的方式解决问题。这也就是增加了一个简单的两步流程。

应用材料的VP Uday Mitra表示,现在的pattern也就需要两个基本的操作。第一步就是line/space;第二步是cut。

第一步就是光刻机在设备上刻下很小的线。Mitra还表示,现在的公司都在使用line/space,之后还会继续使用基于spacer的SADP和SAQP多重pattern技术。

这当中的主要的挑战就是刻这些细线图案。为了达到目标,芯片制造商只好使用双重pattern技术。在这个步骤里会需要两次光刻和刻蚀步骤去确定一个单层。这就是我们声称的LELE技术。

使用这种双重pattern技术,可以节省30%的pitch,而三重pattern则需要三次曝光,也就是需要三次刻蚀步骤(LELELE),当然,SADP和SAQP也可以在刻的时候应用上。

除此之外,业界在10nm和7nm还会碰到其他问题。在45nm和40nm的时候,设计的时候需要用到40层光罩,而到了14nm和10nm,光罩的需求量则上升到60层。“如果没有EUV,只是靠沉浸式去实现三倍甚至四倍pattern,那么我们认为在7nm的时候,光罩数量会上升到80到85层之间”。三星的晶圆制造资深主管Kelvin Low表示。

光罩层数的增加,也就代表着成本的水涨船高。同时覆盖物也将会成为Fab的灾难。覆盖物需要把光罩层有秩序的精确地放置在彼此的身上。而随着mask的增加,覆盖层也就会成为噩梦。如果没对齐,覆盖层问题就够你喝一壶了。

另外,现在做一层光罩需要1到1.5天,在7nm的时候使用多重pattern,那就需要差不多五个月的时间才能做好晶圆。

但不妨碍很多人把EUV当做现代半导体的救星。

有了EUV,你就不需要那么多层,ASML的产品市场主管Applied’s Mitra说。届时你会把光罩的层数降到60左右,而晶圆的出厂时间也会缩短到一个月。

同时我们要明白到,并不是每层光罩都需要EUV,沉浸式/多重pattern在很多场景下都能用得上。

虽然已经投入了那么多去研发,但现在看来EUV还没准备好。在正式投产之前,EUV还需要获得更多的信息,去推动发展。EUV也有另外的路径,但改善率不高,没有很明显的优势,也不能满足大型芯片制造商的需求,因此EUV需要进一步发展,满足需求。

我们也要明确一点,并不是所有的层都会用到EUV,沉浸式/多重pattern也会在很多功能件上用到。

我们也要明白这一点,对于未来的某些功能,只有EUV才能做到,因为其他方案还没能实现,比EUV更不堪。

通过八倍pattern去扩展光刻是很有问题的。这事你会面临很多问题,最大的挑战则是cut。

在过去的几年,ASML已经推出过几个版本的EUV光刻机,但目前来说,这些光刻机都是只能用于研究,ASML也将其光源功率共80瓦提升到123瓦特。而工作效率也提升到60~85wph。

业界希望EUV在正式投入使用之前,能够用上250瓦特的光源。届时生产效率就提高到125wph。

现在EUV工具的可用性是70%到80%,这离业界宣传的的90%甚至以上的可用性目标还有一段距离。

如果ASML真如他们所说,在明年推出其首个量产机器NEX:3400B,那么会面临很大的考验。它的数控直径是0.33,分辨率是13nm,ASML也将其电源功率提升到200瓦特。