極紫外光刻機想要突破3納米，需要開發(fā)全新的材料

（文章來源：DeepTech）

臺積電即將量產(chǎn)全球最先進(jìn)的 5nm 工藝技術(shù)，在摩爾定律看似順?biāo)焱七M(jìn)下，材料技術(shù)發(fā)展的重重阻礙卻在臺面下暗潮洶涌。2019 年于美國硅谷登場的一場半導(dǎo)體光刻技術(shù)研討會中，業(yè)界就提出半導(dǎo)體工藝藍(lán)圖雖然在未來 10 年可以一路推進(jìn)至 1nm，卻可能因光刻膠材料的瓶頸，讓工藝發(fā)展到 3nm 節(jié)點時就出現(xiàn)警訊。

這揭示著要延續(xù)摩爾定律的生命，需要整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的材料、設(shè)備、制造等各個細(xì)分領(lǐng)域齊心協(xié)力，像是游戲闖關(guān)般解開一道道技術(shù)難題，才能順利往目的地前進(jìn)。業(yè)界指出，透過極紫外光 EUV 正式邁入商用化，臺積電和三星都已成功將 EUV 技術(shù)導(dǎo)入 7nm 并開始量產(chǎn)，但業(yè)界仍是看到一些技術(shù)和材料上的隱憂，其中一個巨大的挑戰(zhàn)，就是進(jìn)入 3nm 工藝，需要成本降低，分辨率更高的 EUV 光刻膠技術(shù)。

光刻技術(shù)的發(fā)展歷程中，在初期，半導(dǎo)體大廠也是利用 193nm 沉浸式光刻和多重曝光，將工藝推展至 10nm 和 7nm，但是實現(xiàn)特定圖形變得越來越困難，并且多重曝光也帶來了生產(chǎn)成本的上升。在引入 EUV 光刻技術(shù)后，EUV 所扮演的角色是 7nm 邏輯工藝的關(guān)鍵光刻層。在芯片制造商引入前，EUV 是由光刻機、光源、光刻膠和光掩膜所組成。

過往 EUV 技術(shù)的臨界多在光源，因為光源的功率不足，會影響芯片的生產(chǎn)效率，這也是過去多年以來 EUV 技術(shù)一直在推遲量產(chǎn)的原因。ASML 花了很多時間解決光源的問題，也在 2013 年收購美國光源制造商 Cymer。目前 ASML 的光源功率可以達(dá)到 250w，在此功率下，客戶可以達(dá)到每小時 155 片晶圓吞吐量; 在實驗室里，則是可以實現(xiàn)超過 300w 的光源功率。

光源問題解決后，EUV 技術(shù)被提出最多的挑戰(zhàn)即是光刻膠技術(shù)的限制。雖然半導(dǎo)體材料的供應(yīng)都十分集中，但光刻膠技術(shù)應(yīng)該算是全球集中度最高，且壁壘最高的材料，日本和美國合計占市場份額高達(dá) 95％。

在 248nm 和 193nm 的光刻中，主流有超過 20 年之久都是使用有機化學(xué)放大光刻膠 CAR，這是一種用來制作圖案成形的光敏聚合物。在 EUV 技術(shù)下，光子撞擊 CAR 光刻膠并產(chǎn)生光酸，之后 CAR 光刻膠在曝光后的過程中進(jìn)行光酸催化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生光刻圖案。不過，當(dāng) CAR 光刻膠用于 EUV 上，因為光源能量大幅增加，可能會出現(xiàn)不同且復(fù)雜的結(jié)果，進(jìn)而影響芯片良率。

因此，半導(dǎo)體設(shè)備、材料商都想盡各種方式，或者提出新的光刻膠技術(shù)解決方案，讓 EUV 技術(shù)可以持續(xù)使用，延續(xù)摩爾定律的壽命。近幾年不同的新 EUV 光刻膠技術(shù)陸續(xù)問世，例如也是液態(tài)式的金屬氧化物光刻膠，或是干式的光刻膠等，在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)中，這是一次材料革新帶來的巨大商機。

美國有一家材料商 Inpria 就很積極投入 EUV 光刻膠技術(shù)，這是一家 2007 年從俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)研究所獨立出來的公司，傳出之后獲得許多半導(dǎo)體公司如三星、英特爾等投資。Inpria 是研發(fā)負(fù)性光刻膠，其分子大小是 CAR 有機光刻膠的 5 分之 1，重點是光吸收率可達(dá) CAR 的 45 倍，因此能更精密、更準(zhǔn)確地讓電路圖形成形。

主要是因為，2019 年日本對韓國進(jìn)行 EUV 光刻膠的出口管制，讓韓國的半導(dǎo)體公司為了尋找替代和創(chuàng)新的解決方案的態(tài)度比其他半導(dǎo)體大廠是更加積極。根據(jù)估計，韓國半導(dǎo)體有 90％ 以上的光刻膠技術(shù)是仰賴日本供應(yīng)，EUV 光刻膠也同樣是高度仰賴日商。

三星和臺積電是全球遷移引入 EUV 工藝的兩大半導(dǎo)體廠，雙方從 7nm 一路纏斗至今，臺積電都是一路領(lǐng)先，未來要決勝 3nm 工藝節(jié)點，三星必須要在材料上有完全把握，才能再次一宣戰(zhàn)。根據(jù)調(diào)研機構(gòu) IC Insights 統(tǒng)計，尺寸小于 10 nm 的半導(dǎo)體產(chǎn)量將從 2019 年的每月 105 萬片晶圓，增加到 2023 年每月 627 萬片，且未來幾年內(nèi) EUV 將主導(dǎo) 7nm 以下的大部分工藝技術(shù)。

7nm 以下先進(jìn)工藝的產(chǎn)能大增，也代表整個業(yè)界對于新的 EUV 光刻膠技術(shù)，以及不同來源的材料需求更為迫切。近期還有一種新的 EUV 光刻膠技術(shù)，也備受關(guān)注，由 Lam Research 和光刻機龍頭 ASML 、比利時微電子中心 imec 聯(lián)手研發(fā)，提出了一種全新的 EUV 干式光刻膠技術(shù)，目的是取代傳統(tǒng)的 CAR 光刻膠，這對于半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)，可能會是一個巨大的突破。

問芯Voice特別專訪 Lam Research 執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官 Rick Gottscho。他表示，這個新技術(shù)的優(yōu)勢在于提升 EUV 的敏銳度和分辨率，更可以減少原本 510 倍的光刻膠使用量，在成本節(jié)約上帶來顯著成果。在當(dāng)今業(yè)界以有機化學(xué)放大光刻膠 CAR 和無機光刻膠 n-CAR 為主下，都是采用液態(tài)光刻膠技術(shù)，只有 LAM Research 提出的新型 EUV 光刻膠技術(shù)是基于干式沉積的技術(shù)。

Gottscho 表示，目前主流的光刻膠技術(shù)是 CAR ，是將液態(tài)光刻膠搭配涂布機Track設(shè)備旋涂到晶圓上，在使用溶劑曝光后去除。Lam Research 開發(fā)出來的新式干式光刻膠技術(shù)，是有別于傳統(tǒng)液態(tài)光刻膠的涂布方式，改在腔體中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，讓干式光刻膠在化學(xué)氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)中制造，之后再以刻蝕工藝去除。

這樣的 EUV 干式光刻膠的優(yōu)點在于提升成像的敏感度、分辨率和 EUV 曝光的分辨率。更重要的是，由此新技術(shù)改善每片 EUV 工藝晶圓的成本。因為 EUV 設(shè)備正被全球半導(dǎo)體大廠引入大量生產(chǎn)中，促使推動半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入更先進(jìn)的工藝。

Gottscho 強調(diào)，Lam Research 的干式光刻膠技術(shù)可以使用更低劑量的光刻膠，幾乎是減少 5~10 倍的使用量，就達(dá)到更高分辨率，并擴大 process window，EUV 可以更為精準(zhǔn)地刻畫電路圖形，同時為客戶節(jié)省運營成本。LAM Research 與 ASML，imec 的跨界技術(shù)結(jié)盟合作是歷史久遠(yuǎn)。

荷蘭設(shè)備大廠 ASML 是 EUV 光刻技術(shù)的龍頭，LAM Research 的優(yōu)勢在于刻蝕和沉積工藝，imec 則是長期專注于研發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新，三方合作有信心可以突破常規(guī)傳統(tǒng)，發(fā)展出創(chuàng)新的技術(shù)，以延展 EUV 技術(shù)到更為先進(jìn)的工藝?yán)躺?。半?dǎo)體業(yè)者則分析，傳統(tǒng)的 CAR 光刻膠技術(shù)大概從 1980 年代的 248nm 曝光機就開始用了，主要的光刻膠涂布機供應(yīng)商以日商為首的東電電子 TEL。

因此，這次 Lam Research 與 ASML 和 imec 研究出來的 EUV 干式光刻膠技術(shù)，可能與日本設(shè)備材料廠商形成兩個陣營，沖破既有的半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)則，為產(chǎn)業(yè)帶來深遠(yuǎn)的改變。根據(jù)調(diào)研機構(gòu)芯思想研究院（ChipInsights）統(tǒng)計，2019 年全球半導(dǎo)體設(shè)備商前 10 強（不含服務(wù)收入和部分材料）中，Lam Research 位居第四名，僅次于應(yīng)用材料、ASML、東電電子 TEL。

Lam Research 的長板在于前端晶圓處理技術(shù)，包括薄膜沉積、等離子刻蝕、光阻去除、芯片清洗等前道工藝方案、后道晶圓級封裝（WLP）等。三大核心產(chǎn)品分別為刻蝕設(shè)備、沉積設(shè)備，以及去光阻和清洗設(shè)備。國內(nèi)也有半導(dǎo)體光刻膠的供應(yīng)商，只是現(xiàn)有技術(shù)和市場份額距離國際水平仍非常遠(yuǎn)，比較為人所知的五家光刻膠供應(yīng)商為北京科華、晶瑞、南大光電、容大感光、上海新陽等。
（責(zé)任編輯：fqj）