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IWAPS 2020 會議成功開展
近日，第四屆國際先進(jìn)光刻技術(shù)研討會，簡稱 IWAPS 2020 會議在成都成功舉辦。會議由中國集成電路創(chuàng)新聯(lián)盟和中國光學(xué)學(xué)會主辦，中國科學(xué)院微電子研究所、中科芯未來微電子科技成都有限公司和中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所承辦，成都市雙流區(qū)人民政府和南京誠芯集成電路技術(shù)研究院協(xié)辦，IEEE 電氣和電子工程師協(xié)會提供技術(shù)支持。來自中國、美國、德國、日本、荷蘭等世界各地眾多名企、廠商、科研機(jī)構(gòu)、高校的共 500 余名技術(shù)專家和學(xué)者參加了本屆大會，另外還有 30 余位由于疫情等原因進(jìn)行在線分享、互動的國外演講嘉賓和組委會成員，并就先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算光刻技術(shù)、SMO、DTCO、EUV、工藝、量測、Deep Learning、光刻設(shè)備、材料等主題分享了各自的研究成果，探討了圖形化解決方案，研討了即將面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，分享者包括來自 ASML、Nikon、Canon 這三大光刻機(jī)主要提供商的技術(shù)和領(lǐng)導(dǎo)層。
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值得一提的是，此次會議在成都舉辦，也有其深意蘊(yùn)含其中，目前成都正計(jì)劃圍繞“芯、網(wǎng)、核、航、屏”這五大元素在雙流區(qū)建立成都芯谷科創(chuàng)空間，進(jìn)一步夯實(shí)其在集成電路產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展勢頭。
深度摩爾定律與超越摩爾定律
當(dāng)摩爾定律發(fā)展到工藝節(jié)點(diǎn) 5nm 的時(shí)候，繼續(xù)簡單粗暴地縮小特征尺寸變得越來越困難。那么接下來集成電路何去何從呢？我們的技術(shù)專家和學(xué)者們給出了三種方案方向：“More Moore”、“More than Moore”、“Beyond CMOS”，即深度摩爾、超越摩爾與新器件。
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廈門大學(xué)嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室科技總監(jiān) Mark Neisser 告訴我們的記者，“目前像手機(jī)、車載、物聯(lián)網(wǎng)等非常多的應(yīng)用場景下，我們除了要追求深度摩爾定律下的特征尺寸極致化外，目前更大的趨勢是追求功能的多樣化，比如通過封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)多種傳感器的集成，從而增加人臉識別功能等等?！?/p>
卡主脖子的何止光刻機(jī)？
“光刻技術(shù)作為集成電路制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝，面臨內(nèi)部“短板”和外部封鎖等困難，您如何看待該現(xiàn)象？”
當(dāng)我們的記者提問中國光學(xué)學(xué)會秘書長，浙江大學(xué)教授劉旭時(shí)，他表示，“光刻機(jī)被老百姓廣泛關(guān)注，既是好事也不是好事。因?yàn)闆]有光刻機(jī)，我們做不出圖案來，確確實(shí)實(shí)是集成電路中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，但實(shí)際上它并不是制約我們集成電路發(fā)展的唯一因素。就好比前一階段日本與韓國的經(jīng)濟(jì)糾紛，其焦點(diǎn)就是材料——光刻膠及集成芯片化學(xué)試劑。而目前有非常多的芯片其實(shí)是用不到 7nm 這樣的頂級工藝，比如物聯(lián)網(wǎng)、筆記本、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域的芯片，因此我們不能把目光過度集中在 7nm 光刻機(jī)這一件事情上。”
“具體到光刻機(jī)的問題，我們國家 02 專項(xiàng)里面已經(jīng)進(jìn)行了部署，自主研制的 DUV 光刻設(shè)備也已在生產(chǎn)。按照芯片制造工藝的等級劃分，50nm 以下光刻機(jī)的研發(fā)基本實(shí)現(xiàn)了。而今天我們這個(gè)會議更重要的目的并不是要做出更高等級的光刻機(jī)，而是討論如何在 193nm 的 DUV 光刻機(jī)的條件下，將 40nm+變成 14nm 的工藝技術(shù)，也就是所謂的超越摩爾定律的工藝制備技術(shù)。今天，我們將這個(gè)會議定義為 Patterning Solutions，也就是利用曝光圖形設(shè)計(jì)與曝光工藝技術(shù)來超越當(dāng)前光刻機(jī)的分辨率極限，也是出于這方面的考慮?！?劉旭補(bǔ)充道。
聊點(diǎn)關(guān)于光刻機(jī)的實(shí)際問題，如何用 DUV 做出從 40、50nm 到 14nm 的突破？
- 光刻機(jī)：光源、鏡頭與控制系統(tǒng)
目前，市面上比較成熟的光刻機(jī)根據(jù)光源的不同，可以分為紫外光源（UV）、深紫外光源（DUV）和極紫外光源（EUV）。中國在用的最先進(jìn)的光刻機(jī)就是采用 ArF 光源的 DUV 光刻機(jī)，我們知道最初的 ArF 光刻機(jī)采用的是干式光刻法，光源波長為 193nm，匹配 130-65nm 級芯片工藝節(jié)點(diǎn)。隨著摩爾定律的發(fā)展，又發(fā)展至浸沒式 ArF 光刻，這里的浸沒式指的是鏡頭和硅片之間的空間浸沒在液體中，目前主流使用的是純凈水作浸沒液，其折射率為 1.44，因此等效波長便從 193nm 降到了 134nm（193nm/1.14=134nm），分辨率也因此提高了，工藝節(jié)點(diǎn)向 45-22nm 邁進(jìn)。同樣是在摩爾定律的推動下，我們的芯片制程需求開始往 14nm、10nm、7nm，甚至 5nm 發(fā)展，ArF 光刻機(jī)已不能滿足其要求，EUV 光刻機(jī)，也就是我們常說的第五代光刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。
如果我們將光刻機(jī)粗略分為光源、鏡頭和精密控制系統(tǒng)，而今天我們又是通過光源來區(qū)分光刻機(jī)種類的，那么這里不妨從光源開始談起。
我們知道光源是光刻機(jī)非常重要的組成部分，目前全世界能夠提供準(zhǔn)分子激光光源的只有兩家公司，分別為美國 Cymer 公司和日本 Gigaphoton 公司，前者已經(jīng)被 ASML 全資收購。為何光刻機(jī)光源門檻會這么高？來自日本 Gigaphoton 公司副總經(jīng)理 Toshihiro Oga 表示，“首先，光刻機(jī)成像質(zhì)量對光源的性能要求非常高，比如高對比度和純度，并且高頻、高功率的光源（目前 Arf 浸沒式光刻機(jī)常用的是 6kHz，120W 光源）不是通用的，專業(yè)性非常強(qiáng)；其次是光源廠需要的投資非常大，市場卻很窄，一般一年光刻機(jī)需要的光源也就在 200 個(gè)單元左右（80 個(gè)用來做 Arf 浸沒式光刻機(jī)，20 個(gè)用來做 Arf 干式光刻機(jī)，其他的用來做 Krf 光刻機(jī)），而且在面對客戶時(shí)既要為合作的 Foundry 廠考慮成本問題，又要保證良好的可靠性，確實(shí)是一個(gè)難題。其實(shí)在 20 年前，德國和美國有很多這樣的激光光源公司，而今天在競爭之下只剩下了兩家。而目前 Gigaphoton 除了在給 ASML、佳能、尼康這三家光刻機(jī)公司提供光源外，也為上海微電子在供貨。”?
聊完光源，我們再來聊一下鏡頭和精密控制系統(tǒng)。
關(guān)于鏡頭，要想把鏡片材質(zhì)做到均勻，需幾十年甚至上百年技術(shù)積淀?？梢赃@么說，同樣一個(gè)鏡片，不同工人去磨，光潔度可能相差十倍。ASML 的鏡片有蔡司技術(shù)打底，中國的鏡片產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需沉淀。
關(guān)于精密控制系統(tǒng)，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷革新，誤差控制已成為最關(guān)鍵和最具挑戰(zhàn)性的部分。來自 HLMC 華力微電子的 Dongyu Xu 表示，“高階修正是一種作為抑制產(chǎn)品套刻精度的常見解決方案。而高階修正往往需要在曝光區(qū)域使用更多的測量和更多的目標(biāo)。此外，測量位置也會影響生成的套刻精度。由于技術(shù)的限制，基于圖像的套刻精度(IBO)只能測量放置在器件周圍劃線處的光柵目標(biāo)。目標(biāo)在某些區(qū)域可能分布不均勻，部分區(qū)域甚至都無法放置。因此他們提出了一種利用 CDSEM 量測來補(bǔ)充 IBO 目標(biāo)缺失位置的新方法。據(jù)測試，該方法可顯著恢復(fù) IBO 目標(biāo)缺陷處的誤校正，從而改善產(chǎn)品套刻精度?！?/p>
- ?光刻工藝：光刻膠、BARC、清洗材料、掩膜、掩膜保護(hù)薄膜（pellicle）等
除了光刻機(jī)外，光刻技術(shù)在量產(chǎn)過程中還有很多問題需要解決，比如光刻膠、掩膜、掩膜保護(hù)薄膜（pellicle）。如果這些問題解決得好，就有可能實(shí)現(xiàn) DUV 光刻機(jī)下從 40nm、50nm 到 14nm 的突破，那我們依次來談一談。
提到光刻膠，大家的第一反應(yīng)可能是日本和韓國的半導(dǎo)體貿(mào)易摩擦，日本一卡，韓國就只能退步，可見光刻膠等光刻材料的重要性。廈門大學(xué)嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室科技總監(jiān) Mark Neisser 表示，“當(dāng)我們?yōu)榱颂岣吖饪虣C(jī)的產(chǎn)能，就不得不提高光刻膠被曝光的速度，但是一旦光刻膠曝光時(shí)間縮短，曝光反應(yīng)的量就可能會較少，這時(shí)候就會引入隨機(jī)效應(yīng)，也就是噪音，那如何降低隨機(jī)效應(yīng)呢？這個(gè)時(shí)候我們就要提高光刻膠的精度，這對于材料的研究也是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>
關(guān)于光掩膜，大家知道光掩膜其實(shí)是芯片制造中的一個(gè)模板，我們也稱之為光罩，它是一種模具，就像我們小時(shí)候印照片的膠卷底片，但為了制造方便，光掩膜會變大 4 倍左右，然后再微縮到硅片上，實(shí)現(xiàn)芯片的小型化。蔡司半導(dǎo)體光掩模解決方案銷售及商務(wù)服務(wù)總監(jiān)徐慕鄧表示，“光掩模通常是用石英玻璃制造的，石英基板上有金屬涂層，通過電子束曝光等工序，即可做成用來制造集成電路的掩模版。如果掩模版上面存在缺陷或者表面附有臟污的話，就會影響光刻時(shí)的成像，進(jìn)而影響芯片良率，甚至廢片。因此有時(shí)會給掩模板加一層保護(hù)薄膜（pellicle），防止灰塵等污染物掉到金屬圖形上去。”蔡司在光掩模制造過程中的強(qiáng)項(xiàng)，在于其電子束修復(fù)機(jī)、光學(xué)影像模擬測量儀，這都是比較有競爭力的產(chǎn)品。“在光掩模的制造過程中，或多或少會有一些工藝缺陷，電子束修復(fù)機(jī)就是用于修復(fù)這些缺陷，以提高良品率。，電子束修復(fù)機(jī)的難點(diǎn)在于精度要求非常高。而光學(xué)影像模擬測量儀就好比光罩出廠前的最后認(rèn)證，是用來模擬光刻機(jī)在 wafer 上曝光成像的，就使得光罩廠可以在不通過 wafer print 的情況下就能知道這片光罩的成像效果，這一點(diǎn)非常方便且重要?！?徐慕鄧補(bǔ)充道。
無獨(dú)有偶，來自 ICRD 的時(shí)雪龍?jiān)?IWAPS 2020 會上作了題為《快速準(zhǔn)確的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反演光刻：使用基于物理的特征圖和經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的 DCNN》的報(bào)告。時(shí)雪龍表示，“由于巨大的計(jì)算資源需求和較長的計(jì)算時(shí)間，反演光刻技術(shù)（Inverse lithography technology, ILT）的全芯片實(shí)現(xiàn)仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)全芯片級別的反演光刻技術(shù)，他們提出了一種方法，能夠?qū)⑶皫讉€(gè)基于物理學(xué)的特征圖與經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。其測試結(jié)果表明，這種方法可以使基于機(jī)器學(xué)習(xí)的反演光刻變得更加容易、快速和準(zhǔn)確?！?/p>
- 光刻工藝相關(guān)設(shè)備：涂膠顯影設(shè)備、清洗設(shè)備等
集成電路光刻工藝環(huán)節(jié)非常多，包括涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠、清洗、烘干等，因此也需要相應(yīng)的光刻工藝設(shè)備來做支持，包括上面提到的光刻機(jī)，也包括涂膠顯影設(shè)備、去膠設(shè)備和相關(guān)檢測設(shè)備。其中涂膠顯影設(shè)備是光刻工序中與光刻機(jī)配套使用的，具體又可分為涂膠、烘烤及顯影設(shè)備。
來自芯源微的前道事業(yè)部總經(jīng)理謝永剛告訴我們的記者，“目前半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化是大勢所趨，而目前芯源的適用于 28nm 工藝制程的抗反射層涂膠設(shè)備已經(jīng)在國內(nèi)某國際大廠中驗(yàn)證成功，投入量產(chǎn)。芯源微自主研發(fā)的和光刻機(jī) Scanner 聯(lián)機(jī)的高產(chǎn)能 I 線（365nm）涂膠顯影設(shè)備 Track，也正在某大廠進(jìn)行驗(yàn)證中。深紫外線 DUV Track 預(yù)計(jì) 2021 年初運(yùn)抵某客戶現(xiàn)場開始驗(yàn)證。此外，單片清洗機(jī)（Wafer scrubber）作為芯源微新業(yè)務(wù)方向，目前增長趨勢也很迅猛，以獲得了國內(nèi)幾個(gè)大廠的批量訂單。為了滿足高端涂膠顯影設(shè)備和清洗機(jī)需求的增長，芯源已著手新廠房的建設(shè)，新廠址廠房投入使用后可新增產(chǎn)值 10 億元人民幣以上。
- 應(yīng)用趨勢：3D 集成電路
三維集成作為集成電路的主要技術(shù)方向之一，越來越受到重視，會上非常多的專家、學(xué)者對其進(jìn)行了研究和分享。
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來自 Stanford 的 H.-S. Philip Wong 給我們介紹了如何實(shí)現(xiàn)擁有多個(gè)邏輯層和存儲層的單片 3D 集成芯片，并闡述了還需要開發(fā)哪些新材料和器件技術(shù)，推測了如何將它們集成到未來的電子系統(tǒng)中，以及未來的 3D 集成電路需要怎樣的技術(shù)支持。
來自 YMTC 長江存儲的 Dean Wu 吳振國向我們指出，隨著 3D-NAND 閃存芯片存儲密度的不斷增加，堆疊的層數(shù)和總高度也在不斷增加，將會導(dǎo)致由于局部圖形設(shè)計(jì)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力不匹配的問題變得更嚴(yán)重，同時(shí)還會帶來更高深寬比刻蝕制程。其中局部應(yīng)力不匹配將導(dǎo)致傳統(tǒng)的切割道位置套刻誤差(OVL)Mark 不能再代表芯片內(nèi)部的 OVL，更高的深寬比蝕刻制程也將導(dǎo)致更嚴(yán)重的傾斜。3D-NAND 最具挑戰(zhàn)性的制程就是高深寬比 Memory hole 的刻蝕，在疊加高度增加的過程中 Memory hole 的刻蝕工藝可能會達(dá)到一些很難突破的瓶頸，因此在 3D-DAND 制程中引入了兩次 Memory hole 刻蝕的工藝，對于兩次 Memory hole 刻蝕的工藝，下層和上層連接處的 OVL 是最關(guān)鍵的也是最大的挑戰(zhàn)。但不幸的是，應(yīng)力和上層 Memory hole 的傾斜都會影響 OVL 測量。如何準(zhǔn)確地測量連接位置的 OVL 是兩次 Memory hole 刻蝕工藝的最關(guān)鍵的基本要求之一。會上他分享了一種光學(xué)測量方法，可以直接測量 device pattern 在連接位置處的 OVL，其精度與 SEM OVL 相當(dāng)，而且具有更快的量測速度。
寫在最后
不論是光刻機(jī)還是其他卡脖子技術(shù)的跟進(jìn)與另辟蹊徑中的突破，歸根結(jié)底還是人才的競爭。中國光學(xué)學(xué)會秘書長，浙江大學(xué)教授劉旭在談到制約我國工業(yè)半導(dǎo)體材料、芯片、器件可持續(xù)發(fā)展的人才問題時(shí)提到，“一方面我們的大學(xué)需要全產(chǎn)業(yè)鏈的學(xué)科培養(yǎng)，這種新模式是符合現(xiàn)下所需的、解決卡脖子問題的緊缺人才快速培養(yǎng)法；但另一方面我們更要讓大學(xué)的專業(yè)拓寬，讓一級學(xué)科深入材料、物理等基礎(chǔ)科學(xué)，為下一個(gè)科技周期培養(yǎng)儲備人才?！?/p>
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