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光刻胶是光刻机突破3纳米的最大绊脚石

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导语:要延续摩尔定律的生命,需要整个半导体产业链中的材料、设备、制造等各个细分领域齐心协力,像是游戏闯关般解开一道道技术难题,才能顺利往目的地前进。

台积电(NYSE:TSM)即将量产全球最先进的 5nm 工艺技术,在摩尔定律看似顺遂推进下,材料技术发展的重重阻碍却在台面下暗潮汹涌。

2019 年于美国硅谷登场的一场半导体光刻技术研讨会中,业界就提出半导体工艺蓝图虽然在未来 10 年可以一路推进至 1nm,却可能因光刻胶材料的瓶颈,让工艺发展到 3nm 节点时就出现警讯。

这揭示着要延续摩尔定律的生命,需要整个半导体产业链中的材料、设备、制造等各个细分领域齐心协力,像是游戏闯关般解开一道道技术难题,才能顺利往目的地前进。


EUV 是如何成为摩尔定律的推手?

业界指出,透过极紫外光 EUV 正式迈入商用化,台积电和三星都已成功将 EUV 技术导入 7nm 并开始量产,但业界仍是看到一些技术和材料上的隐忧,其中一个巨大的挑战,就是进入 3nm 工艺,需要成本降低,分辨率更高的 EUV 光刻胶技术。

光刻技术的发展历程中,在初期,半导体大厂也是利用 193nm 沉浸式光刻和多重曝光,将工艺推展至 10nm 和 7nm,但是实现特定图形变得越来越困难,并且多重曝光也带来了生产成本的上升。

在引入 EUV 光刻技术后,EUV 所扮演的角色是 7nm 逻辑工艺的关键光刻层。在芯片制造商引入前,EUV 是由光刻机、光源、光刻胶和光掩膜所组成。

过往 EUV 技术的临界多在光源,因为光源的功率不足,会影响芯片的生产效率,这也是过去多年以来 EUV 技术一直在推迟量产的原因。ASML 花了很多时间解决光源的问题,也在 2013 年收购美国光源制造商 Cymer。


目前 ASML 的光源功率可以达到 250w,在此功率下,客户可以达到每小时 155 片晶圆吞吐量; 在实验室里,则是可以实现超过 300w 的光源功率。

光源问题解决后,EUV 技术被提出最多的挑战即是光刻胶技术的限制。

目前 EUV 的瓶颈在光刻胶

虽然半导体材料的供应都十分集中,但光刻胶技术应该算是全球集中度最高,且壁垒最高的材料,日本和美国合计占市场份额高达 95%。

在 248nm 和 193nm 的光刻中,主流有超过 20 年之久都是使用有机化学放大光刻胶 CAR,这是一种用来制作图案成形的光敏聚合物。在 EUV 技术下,光子撞击 CAR 光刻胶并产生光酸,之后 CAR 光刻胶在曝光后的过程中进行光酸催化反应,进而产生光刻图案。

不过,当 CAR 光刻胶用于 EUV 上,因为光源能量大幅增加,可能会出现不同且复杂的结果,进而影响芯片良率。

因此,半导体设备、材料商都想尽各种方式,或者提出新的光刻胶技术解决方案,让 EUV 技术可以持续使用,延续摩尔定律的寿命。


近几年不同的新 EUV 光刻胶技术陆续问世,例如也是液态式的金属氧化物光刻胶,或是干式的光刻胶等,在整个半导体产业链生态中,这是一次材料革新带来的巨大商机。

新EUV光刻胶技术百家争鸣

美国有一家材料商 Inpria 就很积极投入 EUV 光刻胶技术,这是一家 2007 年从俄勒冈州立大学化学研究所独立出来的公司,传出之后获得许多半导体公司如三星、英特尔等投资。

Inpria 是研发负性光刻胶,其分子大小是 CAR 有机光刻胶的 5 分之 1,重点是光吸收率可达 CAR 的 4〜5 倍,因此能更精密、更准确地让电路图形成形。

主要是因为,2019 年日本对韩国进行 EUV 光刻胶的出口管制,让韩国的半导体公司为了寻找替代和创新的解决方案的态度比其他半导体大厂是更加积极。

根据估计,韩国半导体有 90% 以上的光刻胶技术是仰赖日本供应,EUV 光刻胶也同样是高度仰赖日商。

三星和台积电是全球迁移引入 EUV 工艺的两大半导体厂,双方从 7nm 一路缠斗至今,台积电都是一路领先,未来要决胜 3nm 工艺节点,三星必须要在材料上有完全把握,才能再次一宣战。


根据调研机构 IC Insights 统计,尺寸小于 10 nm 的半导体产量将从 2019 年的每月 105 万片晶圆,增加到 2023 年每月 627 万片,且未来几年内 EUV 将主导 7nm 以下的大部分工艺技术。

7nm 以下先进工艺的产能大增,也代表整个业界对于新的 EUV 光刻胶技术,以及不同来源的材料需求更为迫切。

近期还有一种新的 EUV 光刻胶技术,也备受关注,由 Lam Research 和光刻机龙头 ASML 、比利时微电子中心 imec 联手研发,提出了一种全新的 EUV 干式光刻胶技术,目的是取代传统的 CAR 光刻胶,这对于半导体工艺的演进,可能会是一个巨大的突破。

作者特别专访 Lam Research 执行副总裁兼首席技术官 Rick Gottscho。他表示,这个新技术的优势在于提升 EUV 的敏锐度和分辨率,更可以减少原本 5〜10 倍的光刻胶使用量,在成本节约上带来显著成果。

Lam 独创提出 EUV 干式光刻胶

在当今业界以有机化学放大光刻胶 CAR 和无机光刻胶 n-CAR 为主下,都是采用液态光刻胶技术,只有 LAM Research 提出的新型 EUV 光刻胶技术是基于干式沉积的技术。

Gottscho 表示,目前主流的光刻胶技术是 CAR ,是将液态光刻胶搭配涂布机Track设备旋涂到晶圆上,在使用溶剂曝光后去除。

Lam Research 开发出来的新式干式光刻胶技术,是有别于传统液态光刻胶的涂布方式,改在腔体中进行化学反应,让干式光刻胶在化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)中制造,之后再以刻蚀工艺去除。

这样的 EUV 干式光刻胶的优点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,由此新技术改善每片 EUV 工艺晶圆的成本。因为 EUV 设备正被全球半导体大厂引入大量生产中,促使推动半导体技术进入更先进的工艺。

Gottscho 强调,Lam Research 的干式光刻胶技术可以使用更低剂量的光刻胶,几乎是减少 5~10 倍的使用量,就达到更高分辨率,并扩大 process window,EUV 可以更为精准地刻画电路图形,同时为客户节省运营成本。

LAM Research 与 ASML,imec 的跨界技术结盟合作是历史久远。

荷兰设备大厂 ASML 是 EUV 光刻技术的龙头,LAM Research 的优势在于刻蚀和沉积工艺,imec 则是长期专注于研发技术的创新,三方合作有信心可以突破常规传统,发展出创新的技术,以延展 EUV 技术到更为先进的工艺例程上。

半导体业者则分析,传统的 CAR 光刻胶技术大概从 1980 年代的 248nm 曝光机就开始用了,主要的光刻胶涂布机供应商以日商为首的东电电子 TEL。

因此,这次 Lam Research 与 ASML 和 imec 研究出来的 EUV 干式光刻胶技术,可能与日本设备材料厂商形成两个阵营,冲破既有的半导体技术规则,为产业带来深远的改变。


根据调研机构芯思想研究院(ChipInsights)统计,2019 年全球半导体设备商前 10 强(不含服务收入和部分材料)中,Lam Research 位居第四名,仅次于应用材料、ASML、东电电子 TEL。

Lam Research 的长板在于前端晶圆处理技术,包括薄膜沉积、等离子刻蚀、光阻去除、芯片清洗等前道工艺方案、后道晶圆级封装(WLP)等。三大核心产品分别为刻蚀设备、沉积设备,以及去光阻和清洗设备。

国内也有半导体光刻胶的供应商,只是现有技术和市场份额距离国际水平仍非常远,比较为人所知的五家光刻胶供应商为北京科华、晶瑞、南大光电、容大感光、上海新阳等。

(作者:连于慧,来源:问芯Voice)


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