光刻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及挑戰(zhàn)分析

近兩年來，芯片制造成為了半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的焦點。芯片制造離不開光刻機，而光刻技術(shù)則是光刻機發(fā)展的重要推動力。在過去數(shù)十載的發(fā)展中，光刻技術(shù)也衍生了多個分支，除了光刻機外，還包括光源、光學(xué)元件、光刻膠等材料設(shè)備，也形成了極高的技術(shù)壁壘和錯綜復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)版圖。

為了促進(jìn)全球光刻技術(shù)的發(fā)展與交流，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)研究所承辦的第四屆國際先進(jìn)光刻技術(shù)研討會于11月5日在成都開幕。來自世界各地眾多的廠商、科研機構(gòu)、高校共500余名技術(shù)專家和學(xué)者參加了本屆大會。會議所涉及的內(nèi)容包含了先進(jìn)節(jié)點的計算光刻技術(shù)、SMO、DTCO、EUV、工藝、量測、Deep Learning、光刻設(shè)備、材料等領(lǐng)域，涵蓋了當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀、未來的發(fā)展趨勢以及面臨的挑戰(zhàn)等。

光刻技術(shù)的重要性

據(jù)華創(chuàng)證券此前的調(diào)研報道顯示，半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行20-30次的光刻，耗時占到IC生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的1/3。

但光刻產(chǎn)業(yè)卻存在著諸多技術(shù)難題有待解決。西南證券的報告指出，光刻產(chǎn)業(yè)鏈主要體現(xiàn)在兩點上，一是作為光刻核心設(shè)備的光刻機組件復(fù)雜，包括光源、鏡頭、激光器、工作臺等組件技術(shù)往往只被全球少數(shù)幾家公司掌握，二是作為與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、光掩膜等半導(dǎo)體材料和涂膠顯影設(shè)備等同樣擁有較高的科技含量。

這些技術(shù)挑戰(zhàn)，也為諸多廠商帶來了發(fā)展機會。時至今日，在這些細(xì)分領(lǐng)域當(dāng)中，也出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的企業(yè)，他們在科技上的進(jìn)步，不僅促進(jìn)了光刻技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，也影響著半導(dǎo)體行業(yè)的更新迭代。

光源可靠性是光刻機的重要一環(huán)

眾所周知，在光刻機發(fā)展的歷史當(dāng)中，經(jīng)過了多輪變革，光刻設(shè)備所用的光源，也從最初的g-line，i-line發(fā)展到了KrF、ArF，如今光源又在向EUV方向發(fā)展。Gigaphoton是在全球范圍內(nèi)能夠為光刻機提供激光光源的兩家廠商之一（另外一家是Cymer，該公司于2012年被ASML收購）。Gigaphoton的Toshihiro Oga認(rèn)為，光源是一項專業(yè)性較強的領(lǐng)域，并需要大規(guī)模的投資去支撐該技術(shù)的發(fā)展，而光源又是一個相對小眾的領(lǐng)域，尤其是用于光刻機的光源有別于用于其他領(lǐng)域的光源——其他領(lǐng)域所用光源多為低頻低功率，而光刻機所用光源則為高頻高功率，這也讓許多企業(yè)對該領(lǐng)域望而卻步。

光刻光源的可用性是一個關(guān)鍵參數(shù)。而要使其實現(xiàn)最大化的可用性，就需要“長期穩(wěn)定的運行”和“最少的維護(hù)時間”。為實現(xiàn)以上兩個目的，Gigaphoton于2017年提出了““RAM增強的路線圖”以加強其在DUV領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)當(dāng)時的官方報道顯示，公司正在努力延長模塊的使用壽命，并改善公司的現(xiàn)場工程師為客戶提供的現(xiàn)場設(shè)備的可維護(hù)性，旨在以最少的機器停機次數(shù)進(jìn)行維護(hù)。

更具體來看，在本次大會上，Gigaphoton的Toshihiro Oga還介紹了通過光譜性能穩(wěn)定性和光脈沖展寬功能改善成像性能的技術(shù)。他表示，最新的ArF浸沒式光刻已被定位為滿足更嚴(yán)格的工藝控制要求的最有前途的技術(shù)。下一代光源最重要的功能是提高芯片產(chǎn)量。光源的關(guān)鍵要求之一是E95％帶寬，帶寬已成為提高工藝裕量和改善光學(xué)特性的更關(guān)鍵參數(shù)。較低的E95％帶寬能夠提高成像對比度，從而實現(xiàn)更好的分辨率和更好的更好OPE特性。同時改善的E95％帶寬穩(wěn)定性，能夠在晶圓上提供更好的CD均勻性。為了縮小CD特征尺寸，降低LWR/LER變得至關(guān)重要。此外，新設(shè)計的光脈沖展寬器（OPS）可以通過降低斑點對比度（SC）來降低LWR/LER。Gigaphoton一直在研究SC對E95％的敏感度以及空間對比度與時間對比度項的相關(guān)性，然后通過引入最新的OPS定義所需的SC。

對于Gigaphoton來說，中國也是一塊非常重要的市場，2019年宣布在中國成立新公司GIGAPHOTON CHINA并開始營業(yè)。據(jù)介紹，Gigaphoton占據(jù)了50%的中國市場，而且這一市占還在繼續(xù)擴大。

光掩模的技術(shù)挑戰(zhàn)

光掩模技術(shù)也是光刻產(chǎn)業(yè)當(dāng)中重要的一個環(huán)節(jié)，光掩模是集成電路的模板，隨著晶體管變得越來越小，光掩模的制造也變得越來越復(fù)雜。就目前市場情況來看，電子束系統(tǒng)是制作光掩模的主要曝光技術(shù)。其曝光的精度可以達(dá)到納米量級，因為可被廣泛使用于超大規(guī)模集成電路中，受到了市場的青睞。

光掩模作為集成電路的原始模板，其精度必須得以保障，因此，在生產(chǎn)過程中超出預(yù)期尺寸的缺陷必須得到識別和糾正。因此，電子束修復(fù)也成為了光掩模技術(shù)當(dāng)中重要的一環(huán)。

蔡司是提供電子束修復(fù)機的設(shè)備公司之一，其MeRiT系統(tǒng)代表了基于電子束技術(shù)修復(fù)高端光掩模的先進(jìn)工具?；陔娮邮夹g(shù)，MeRiT系統(tǒng)能夠執(zhí)行極其精確的修復(fù)，以消除關(guān)鍵的光掩模缺陷。

據(jù)蔡司中國半導(dǎo)體光掩模解決方案銷售及商務(wù)服務(wù)總監(jiān)徐慕鄧介紹，光掩模的光學(xué)影像模擬測量系統(tǒng)也是蔡司另一項優(yōu)勢技術(shù)。據(jù)悉，自1993年推出以來，光學(xué)影像模擬測量技術(shù)已成為光掩模制造的主流驗證方式。蔡司的光學(xué)影像模擬測量系統(tǒng)可通過光學(xué)測量來進(jìn)行模擬光刻機成像。他表示：“采用這種方式，可以在光罩廠中對光掩模進(jìn)行曝光模擬及測量驗證，而無需進(jìn)行晶圓曝光驗證，這節(jié)省了光掩模制造過程中的時間和成本?！?/p>

蔡司半導(dǎo)體光掩模解決方案（SMS）是致力于光掩模生產(chǎn)技術(shù)研究和應(yīng)用的部門。據(jù)其官方網(wǎng)站介紹，該戰(zhàn)略業(yè)務(wù)部門憑借其在光學(xué)和電子光學(xué)領(lǐng)域的核心競爭力以及獨特的電子束技術(shù)，可以向其市場提供評估掩模缺陷，修復(fù)關(guān)鍵缺陷并驗證修復(fù)結(jié)果的產(chǎn)品以及專用的光掩模測量解決方案。目前，這些設(shè)備被全球領(lǐng)先的光掩模制造商和晶圓廠使用。徐慕鄧表示，光掩模解決方案同樣也是蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部在中國市場的主要業(yè)務(wù)。為了加強對中國市場的支持，蔡司于2018年在中國正式建立了一支Mask solution團(tuán)隊，致力于中國地區(qū)的銷售、應(yīng)用以及售后服務(wù)。

光刻技術(shù)賽道上的中國設(shè)備廠商

除了備受矚目的光刻機外，光刻技術(shù)的實現(xiàn)還需要很多其他設(shè)備，而這個賽道也同樣是一塊大蛋糕。去年登錄科創(chuàng)板的芯源微便是致力于高端半導(dǎo)體設(shè)備的制造的企業(yè)，具體來看，芯源微的產(chǎn)品主要分為兩類，一類是光刻工序涂膠顯影設(shè)備（Track），另一類是單片式濕法設(shè)備。

其中，光刻工序涂膠顯影設(shè)備是公司標(biāo)桿產(chǎn)品之一，作為光刻機的輸入（曝光前光刻膠涂覆）和輸出（曝光后圖形的顯影），涂膠/顯影機的性能不僅直接影響到細(xì)微曝光圖案的形成，其顯影工藝的圖形質(zhì)量和缺陷控制對后續(xù)諸多工藝（諸如蝕刻、離子注入等）中圖形轉(zhuǎn)移的結(jié)果也有著深刻的影響。

在本次大會上，芯源微介紹了他們在前道集成電路制造工藝用高產(chǎn)能涂膠顯影設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展。其中，其推出的KS-FT300系列，是第一臺國產(chǎn)的前道 Track，2018年，該設(shè)備已經(jīng)提供給下游合作伙伴使用，2019年12月，芯源微還完成了i-line工藝驗證。據(jù)公司介紹，在驗證期間，芯源微得到了下游合作伙伴的大力支持，包括晶圓資源，檢測機臺，設(shè)備 交叉驗證，廠務(wù)設(shè)施，化學(xué)藥品，人力，專有技術(shù)，建議等。

專注于半導(dǎo)體高端設(shè)備領(lǐng)域，也為芯源微帶來了不錯的收益。從芯源微公布的最新財報顯示，前三季度凈利潤同比增長4761.26%。據(jù)芯源微前道事業(yè)部總經(jīng)理謝永剛介紹，公司之所以能取得這種成績，一部分原因是受惠于公司在技術(shù)創(chuàng)新方面的積累，國產(chǎn)化的風(fēng)潮加快了芯源微將其技術(shù)推向市場的進(jìn)程。尤其是去年下半年，用于先進(jìn)封裝、化合物對設(shè)備需求量的上漲，推動了公司實現(xiàn)了財務(wù)上的快速增長。

據(jù)謝永剛介紹，與國際設(shè)備廠商相比，本土廠商起步較晚，所以要經(jīng)歷一個漫長的探索過程。在這個過程當(dāng)中，切入市場的時機以及制定合理的發(fā)展規(guī)劃就成為了關(guān)鍵。他指出，本土廠商可以利用對本土客戶定制化、響應(yīng)度以及性價比等方面上的優(yōu)勢來打開市場，先進(jìn)的技術(shù)、產(chǎn)品的可靠性以及服務(wù)支持則是本土設(shè)備廠商贏得合作伙伴信賴的關(guān)鍵。

另一方面，在制定未來發(fā)展路線上，芯源微則將致力于為不同的客戶設(shè)計和生產(chǎn)更多更先進(jìn)的涂膠顯影機。根據(jù)其招股書顯示，投建高端晶圓處理設(shè)備產(chǎn)業(yè)化項目以及高端晶圓處理設(shè)備研發(fā)中心項目，將會助推芯源微更上一層樓。

如何推進(jìn)光刻技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷向前推進(jìn)的過程當(dāng)中，光刻技術(shù)發(fā)揮了重要作用，如何推進(jìn)光刻技術(shù)的發(fā)展也成為了業(yè)界所關(guān)注的一個話題。

中國光學(xué)學(xué)會秘書長、浙江大學(xué)教授，現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室主任劉旭認(rèn)為，時至今日，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為了一個高度全球化的產(chǎn)業(yè)，其中涉及了眾多關(guān)鍵技術(shù)。在貿(mào)易形勢的變動下，與此相關(guān)的重要技術(shù)也逐漸受到市場的重視。這其中，光刻技術(shù)只是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展當(dāng)中的重要一環(huán)，而不是唯一一環(huán)，解決光刻技術(shù)難點，并不代表解決了所有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上的難題，產(chǎn)業(yè)要理性地看待光刻技術(shù)的作用。

在劉旭教授看來，人才是推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，就以集成電路芯片生產(chǎn)線光刻技術(shù)、生產(chǎn)與制備設(shè)備、在線精密檢測等來說，用于、都是一些特定的技術(shù)，而這部分人才還有很大缺口。在這種情況下，建立集成電路或微電子一級學(xué)科和南京集成電路大學(xué)的成立將會在一定程度上改善半導(dǎo)體人才缺口的現(xiàn)狀。但他也指出，一級學(xué)科與集成電路大學(xué)還存在著一定的差別，集成電路大學(xué)具有一定的針對性，可以快速補充市場對人才的所求，而一級學(xué)科則不能用產(chǎn)品去定義，采用這種人才培養(yǎng)的方式可以為未來十多年或幾十年技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新動力與技術(shù)儲備。

而除了人才缺口外，如何將實驗中的光刻技術(shù)落實到實際生產(chǎn)當(dāng)中，也是目前國內(nèi)光刻技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一。

為了推動包含光刻技術(shù)在內(nèi)的多個半導(dǎo)體技術(shù)的落地，去年9月，福建省政府批準(zhǔn)設(shè)立、廈門市政府與廈門大學(xué)共同建立了嘉庚創(chuàng)新實驗室。根據(jù)相關(guān)報道顯示，嘉庚創(chuàng)新實驗室將圍繞國家戰(zhàn)略需求和地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以攻克“卡脖子”技術(shù)、落地產(chǎn)業(yè)化成果為己任，重點開展高端人才聚集、技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)服務(wù)、科技企業(yè)孵化等活動。

嘉庚創(chuàng)新實驗室科技總監(jiān)Mark Neisser認(rèn)為，從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的難點在于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的合作包括材料和設(shè)備，以及得到客戶的反饋。打通了這些環(huán)節(jié)，能夠促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
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