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)，他們在科技上的進步，不僅促進了光刻技術(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)備的可維護性，旨在以最少的機器停機次數(shù)進行維護。

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行曝光模擬及測量驗證，而無需進行晶圓曝光驗證，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)推向市場的進程。尤其是去年下半年，用于先進封裝、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)不斷向前推進的過程當(dāng)中，光刻技術(shù)發(fā)揮了重要作用，如何推進光刻技術(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)，能夠促進相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
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