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中国光刻技术体系的建立,需要跨过这几道坎

2018-11-11
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2018年10月18日,第二届国际先进光刻技术研讨会(IWAPS 2018)在厦门隆重举行。作为光刻产业的一场盛会,IWAPS为来自国内外半导体工业界、学术界的资深技术专家和优秀研究人员提供了一个广泛的技术交流平台,参会者可以就材料、设备、工艺、测量、计算光刻和设计优化等主题分享各自的研究成果,探讨图形化解决方案研讨即将面临的挑战。



本届会议由集成电路产业技术创新战略联盟主办,中国科学院微电子研究所和厦门半导体投资集团有限公司承办,中国光学学会协办;参会者包括了大会副主席、中国科学院微电子研究所所长、集成电路产业技术创新战略联盟副理事长兼秘书长叶甜春研究员,中国光学学会秘书长、浙江大学光电工程研究所所长刘旭教授,厦门市委常委、海沧区委书记、海沧台商投资区党工委书记林文生。来自世界各地的众多名企、厂商、科研机构、高校的300余名参会代表出席本次会议。


光刻技术面临的挑战日益提升


从诞生的那刻起,光刻技术的持续发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证:其一是大面积均匀曝光,在同一块硅片上同时做出大量器件和芯片,保证了批量化的生产水平;其二是图形线宽不断缩小,使用权集成度不断提高,生产成本持续下降;其三,由于线宽的缩小,器件的运行速度越来越快,使用权集成电路的性能不断提高。但随着集成度的提高,光刻技术所面临的困难也越来越多。


一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在这其中,光刻设备的重要地位自然不言而喻。


TEL(东电电子)是半导体制造设备与平板显示器 (FPD)制造设备的世界领跑企业,其产品主要包括半导体制造设备(涂胶显影设备、热处理成膜设备、干法刻蚀设备、化学气相沉积设备、物理气相沉积设备、电化学沉积设备、清洗设备,封测设备等)以及平板显示设备(干法刻蚀设备、涂胶显影设备)等。公司产品在制造工艺、量产方面拥有卓越的特点,已被世界各地的半导体生产商、FPD生产商广泛运用于生产线中。


在本次大会上,来自TEL的专家Hiromitsu Maejima以及TEL 中国的市场部总监钱立群为与会者介绍了最新Coater / Developer产品的工艺技术以及Coater / Developer系统未来十年的最新发展方向,并指出在晶圆制造中需要重视缺陷控制的问题。Maejima先生表示:“在缺陷改善的过程中,应该以如何有效降低设备与工艺所造成的缺陷为重点,而这就需要加强设备管理,对此,TEL增强了对晶圆状态的监测以及日志数据分析。”


钱立群


光刻仿真面对先技术进节点的挑战


如今,先进工艺已经演进到7nm,为了解决随之而来的,实际生产时面对的图形失真,图形分辨率和芯片良率等问题,分辨率增强技术的开发和应用就日益成为光刻界研究的热点。


分辨率增强技术是光刻中用来实现高分辩光刻成像质量的重要手段,目前主要的两个分辨率增强技术分别是光学邻近校正(OPC)和移相掩模技术(PSM),而这些技术都需要光刻仿真的过程来支持。


通过光刻仿真预测实际光刻条件下掩模在硅片表面所成的图像,以此缩短有效光刻解决方案在实际生产时所需要的时间,从而解决从设计到制造的问题。


那么如何确保仿真是正确的?如何确保输入参数就是要仿真的参数?对于光刻仿真OPC的供应商来讲,如何利用光刻信息便成为仿真成功的重要基础。


Mentor所推出的Calibre系列产品则是业界一个完整的物理验证与亚波长解决方案。


Calibre物理验证套装工具,包括Calibre DRC与Calibre LVS,在实际应用中可确保集成电路物理设计遵守代工制造规格要求,元件功能也符合原设计规格。针对亚波长设计,Calibre则利用阶层式验证引擎提供一组套装工具,可以新增或建立模型,并且验证四种主要的解析度强化技术——光学临近效应修正(OPC)、相位移光罩(PSM)、光学辅助图形(Scattering Bar)和偏轴照明(OAI)技术。目前Calibre套件已经成为许多厂商采用标准。


在本次大会上,Mentor演讲重点介绍了Calibre最新的创新技术及解决方案。按照Mentor中国区总经理Pete Ling的说法,公司致力于减少验证循环,更快地完成设计并管理设计流程交互;创建和验证无坏点设计;使用高级OPC和RET了解工艺限制并扩展工艺余量;提高晶圆厂的生产力,缩短研发和生产周期,从而降低工艺复杂度及成本。


Mentor中国区总经理Pete表示:“Mentor以设计链为主,从早期开始与上下游厂商合作,实现全流程参与的研究开发。”


左:Mentor中国区总经理Pete Ling,右:Mentor全球半导体解决方案技术团队资深总监Minghui Fan


掩模技术在光刻系统中的角色


在实际的半导体制造流程中,我们同时应重视光掩模的重要性。光掩膜是光刻工艺所使用的图形母版,是由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形,再通过曝光将图形转印到产品基板上形成的。这是半导体制造流程中的关键部分,是流程中造价最高的一部分,也是限制最小线宽的瓶颈之一。


作为全球领先的光掩模供货商,Toppan集团拥有业界最先进的研发能力及全方位的光掩模生产技术与产能,能满足全球半导体产业日益复杂且多样化的产品及服务需求。而他们面对下一代ArF浸没式及EUV掩模的研究也已经有了新的进展。


面对先进节点,Toppan通过电子束直写技术已经将光掩模生产工艺已经达到了10nm。目前,Toppan正在从材料方面研发新的技术,以确保达到7nm及以下节点的要求。


Toppan中国光刻项目总监 Tom Obayashi 左


光刻胶国产化的道路上应该哪些问题?


光刻胶的质量和性能是影响集成电路性能、成品率及可靠性的关键因素。在半导体制造的过程中,光刻胶材料约也占到IC制造材料总成本的4%。因此,我国在发展光刻技术的同时,也要重视光刻胶材料的发展。


“光刻胶企业所面临的挑战,主要不仅在于达到光刻胶性能要求,同时还要确保光刻胶品质及保障能够及时供应产品。”陶氏化学表示光刻业务部总经理吕志坚表示:“陶氏化学拥有一套完整的研发和生产体系,以保障品质和供应链的稳定。此外,创新和人才是一个企业保持前进的动力。”


从光刻胶发展的历史来看,光刻胶的曝光波长由宽谱紫外g线(436nm)/i线(365nm)向激光KrF(248nm)→ArF(193nm)→EUV(13.5nm)的方向移动。随着曝光波长的缩短,光刻胶所能达到的极限分辨率不断提高,光刻得到的线路图案精密度更佳,而对应的光刻胶的价格也更高。


陶氏化学表示光刻业务部总经理 吕志坚


但是,中国光刻胶市场基本由外资企业占据。


资料显示,在各类半导体光刻胶中,日美企业基本垄断了g/i 线光刻胶、KrF/ArF 光刻胶市场,生产商主要有JSR、信越化学工业、TOK、陶氏化学等。我国半导体光刻胶生产企业主要有苏州瑞红、北京科华等,两家企业持续加大研发投入和创新,加之相关科研单位的创新,有望持续引领半导体光刻胶国产化进程,逐渐降低我国对半导体光刻胶的进口依赖程度。但从目前看来,他们的产品还是处于中低端的位置,未来还有很长的一段路要走。


“我国现已重视光刻胶方面的研究,在高端光刻胶领域,我国科研单位已取得了一定成果。但在实现商用化的道路上,研究单位更应该注重于Fab之间的联系。以EUV为例,由于生产模式的不同,在超精细光刻中,需要很好的边缘粗糙度。”中国科学院大学副校长、中国科学院化学研究所研究院杨国强博士说:“光刻胶相关人才需要科研单位和企业共同培养,只有产、学、研相结合,才能更加健康地促进光刻胶产业的发展。”


借助这个大会,希望能够为中国光刻产业开创一个更好的未来。


中国科学院大学副校长、中国科学院化学研究所研究院 杨国强博士


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