汪炼成 2021/01/25  《材料深一度》

“极紫外光刻：以光为刀，孜孜逐逻辑芯片极微，续摩尔定律航程；以器为挟，豪横控先进制程要塞，扼半导列强咽喉。” 

《极紫外买卖》“极紫外 不是你想买就能买 用心浇灌的极紫外 摩尔定律不停摆  先进工艺的舞台 全是我精彩”

“光刻“可盐可甜”：10微米以上光刻机价格便宜，甚至可以DIY搭建，在非超净实验室工作。但是随着摩尔定律往先进制程节点推进，光刻实现难度呈指数级增加。"

“我曾经天花乱醉的想，如果采用数十甚至上百束激光进行干涉，每束激光的强度、入射角度、偏振相位等都独立控制，再加入深度学习功能，是否能满足各种图案化需求呢？想像下上百束激光嗖嗖地射，咣咣地转的画面，还真是觉得激动和刺激！”

“美国国防部资助Multibeam公司，开发 Multicolumn电子束光刻（MEBL）技术。

                                                                                                                                                          ——汪炼成

一、放松一下

极紫外凡尔赛

A：太贵了，要1.2亿美元一台！（×）

B：我们可是甲方，另外你看苹果、AMD、Nvidia，谁家最先进芯片不要我们制造呢？现在连英特尔都要求助于我们了！（×）

C： 1.2亿美元一台？好，我全要了。（×）

D：低声下气no problem，苦苦哀求nothing big deal，只要能多要到几台！不贵不贵，即使再贵也不是问题！（√）

《极紫外买卖》(请自配节奏）

三星：哟-哟-哟  1亿美元的极紫外 到底买不买

台积电：哟-哟-哟 梦幻般的极紫外 多给我几台

ASML：嘿-嘿-嘿 我们的极紫外 真的很不赖 先进工艺的舞台 全是我精彩有了极紫外 摩尔定律不停摆  但我们的极紫外 不是你想买就能买

      三星：呜-呜-呜 出卖我的钱 还买不到更多极紫外 狠心来把我伤害 最后知道真相的我眼泪掉下来

台积电：嗨-嗨-嗨 看着你离开 想到痛苦的你我的眼泪也掉下来 不想多伤害 但我们急需极紫外

ASML：嘿-嘿-嘿 你们的真爱 我心里都明白 但我真的很难全都Satisfy

极紫外 比较复杂不意外 产能不全由我来主宰 数十万个零部件 全球各地去购买

ASML，台积电，三星：用心浇灌的极紫外 用过才明白 用心浇灌的极紫外 我们的真爱 让我们拥抱 让我们明白 让我们用好极紫外

Global Foundry等：彩！彩！彩！

                                             二、紫外和极紫外光刻

据，ASML目前已经生产及接单的EUV设备大约70台，台积电已获得过半，三星仅获10台。后续每年台积电将引进20-30台EUV，预计2025年末将拥有185台。

      台积电确实不是“凡尔赛”式低调炫富，或猥自枉屈地纡尊降贵。虽贵为全球半导体代工王者，但对ASML的极紫外光刻机确实极度渴慕思求，因为ASML是目前电子信息工业皇宫上的明珠—EUV光刻机全球唯一供应商，处于绝对垄断地位，而基于EUV光刻的先进半导体制程工艺是目前使摩尔定律往22nm以下制程延续的最重要技术路线（其他基于浸没式DUV ArF多步曝光可以达到，但工艺繁琐复杂）。

     最新的量产芯片制程已到5nm，更先进的3nm、2nm技术正在马不停蹄地研发，而ASML如今据说已经基本完成1nm制程光刻机的设计。

     正所谓：“以光为刀，孜孜逐逻辑芯片极微，续摩尔定律航程；以器为挟，豪横控先进制程要塞，扼半导列强咽喉”。

光刻，是伴随卡脖子芯片而起的一个关键热词，是半导体芯片制程中最为重要的工艺步骤。光刻工序的数目决定着芯片制程的复杂度，而光刻工序的先进性很大程度决定芯片性能。

光刻的目的就是为了在晶圆上获得设计好的版图图形，然后通过金属沉积、刻蚀、离子注入等工艺按照版图形状形成晶体管、金属和介质互连或隔断的具有特定功能的复杂结构。

现在制造半导体芯片所用光刻的原理很简单：在晶圆上旋涂一定厚度的光刻胶等感光物质，让紫外光通过预先制备的具有一定图案的掩模版到达感光物质，于是接受紫外光照射区域感光物质能被（正胶）或不被（负胶）显影去除，从而将掩模版的图像转移到感光物质上。再经过刻蚀去胶工艺步骤，从而进一步将掩模版相同或互补图像进一步转移到晶圆上，或者金属沉积再去胶工艺，在晶圆上制成掩模版相同或互补图像的金属。                                              

图1 光刻基本原理示意图。

光刻原理确实很简单，怎么就“卡脖子“了呢？确实，光刻“可盐可甜”：10微米以上光刻机价格便宜，甚至可以DIY搭建，在非洁净实验室工作。但是随着摩尔定律往先进制程节点推进，光刻实现难度呈指数级增加。

EUV光刻机由数万个部件组成，对技术、精细度、速度的要求极高，温度、湿度、光线等都会影响最终成败，“相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不可以出差错。”

EUV光刻，也有称软X射线光刻，和传统深紫外光刻在技术上巨大差异，近乎“突变”：1）光源；极紫外光源还面临功率、效率、线宽、可靠性等问题，目前有激光等离子体（LPP）方案相对更成熟。2）光学系统；EUV及更短波长只能做反射系统All-reflective lens，因为当波长达到EUV波段时，绝大多数材料都不具有良好的透射特性，DUV类似的透射光学系统将不再适用。3）掩模版，对缺陷的要求苛刻，防止对极紫外光的散射等；4）配套工艺和材料，比如针对极紫外波长的光刻胶。

光刻机组成部分可以简单分为对准系统、曝光系统和辅助系统。曝光系统包括紫外曝光光源以及物镜光阑等光学组件。紫外曝光光源是光刻机中最重要的部件，由瑞利公式 知，光源波长对光刻精度具有决定性作用。紫外曝光光源由高压放电汞灯I 线（365nm）,G线（436nm），I 线和G线可调紫外LED模组光源，发展到深紫外（DUV）KrF准分子激光器（248nm），DUV ArF准分子激光器（193nm），然后到新一代极紫外光刻光源（13.5nm）。

全球光刻机光源供应商有Cymer（2013年被ASML收购）、日本Gigaphoton 公司、Coherent公司（最近被Lumentum收购）。

近日关注到英诺赛科采购ASML i-line和KrF光刻机，用于制造硅基氮化镓功率器件，其中猜想主要用KrF光刻机来制作栅极。

表1 紫外光刻技术演进路线。

浸入式光刻机和双工作台是光刻机结构上的两个重要创新。其中ArF准分子激光器包括浸入式和干式，浸入式即在物镜镜头和光刻胶之间填充高折射率液体（一般为水，折射率为1.33）,提高NA，由此具有更高的精度。ASML在2000年初就是凭借浸入式ArF 193nm光刻机，打败了走干式F2准分子激光器（157nm）的尼康，奠定其在江湖地位。升级换代光源耗时耗力，涉及到光学对准系统以及光刻胶等材料更替，周期太长了！浸入式曝光发明者为时任台积电工程师林本坚，因发明浸入式曝光技术被评美国工程院院士。

值得指出的是，目前EUV光刻机是0.33NA，ASML正在开发0.55NA的下一代EUV光刻机，可将工艺精度推至3nm及以下。

对准方式有接触式、接近式、步进扫描式。光刻机发展历史上除了浸入式曝光外的另外一个结构创新就是双工作台结构，即在上片晶圆曝光同时，下一片晶圆可以进行对准准备，大大提高了光刻产能和良率。这也是由ASML首先推出（TWINSCAN system）。 更多关于极紫外光刻机和ASML发展历程可查看书籍《光刻巨人：ASML崛起之路》。

除了结构创新，更多光学技术，包括移相掩模技术、光学邻近效应校正技术、离轴照明技术等，以及光刻工艺，如多次曝光、浸没透镜曝光（也属于工艺创新）被应用以提高光刻分辨率。

三、其他图案化技术

获得图案不只是以上所述基于掩模版的光刻技术路线，其他更多图案化技术及原理简单介绍如下。

激光干涉光刻：Interference lithography（IL），两束及以上相干光干涉，形成光强弱分布图案，使光刻胶被选择曝光而形成图案。

Talbot光刻：Talbot效应是指单色平面波照射到周期性光栅时，从光栅后Talbot长度的整数倍距离可以观察到光栅自成像，而在Talbot长度半周期或更短周期的距离，会呈现出反像及其他的一些子像。利用Talbot效应，通过改变光刻胶和掩模版距离而获得不同图案的方法，为Talbot光刻。德国EULITHA公司的部分光刻设备应该是基于Talbot光刻原理。

金属等离激元光刻：利用紫外光先激发金属等离激元，其具有光学亚衍射波长特征，其较高的模式局域强度使光刻胶曝光而形成图案。加州伯克利Xiang Zhang教授课题组在此方面进行了很多原创性工作，而前不久中国科学院光电技术研究所研制的 “超分辨光刻装备”，用365nm波长紫外光单次成像实现了22nm分辨率，就是采用金属等离激元光刻技术路线。

激光直写：利用强度可变的激光束对基片表面的光刻胶曝光，显影后得到图案化的光刻胶。国际领先厂商有德国海德堡，包括研发机型DWL66+和生产型系列等，我国有苏大维格等品牌公司。

飞秒激光加工：利用飞秒激光的短脉冲、高瞬时功率和极小空间聚焦区域特点，直接对目标晶圆等材料进行切割，打孔、雕刻、甚至应用于微电子光电子器件的图案化工艺。

Nanoscrible：利用双光子吸收原理，利用激光直写在光刻胶等感光物质上制作2D或3D图案。和激光直写或飞秒激光一样，Nanoscrible不需要掩模版。Nanoscrible由德国Karlsruhe Institute of Technology (KIT)的Prof. Dr. Martin Wegener实验室孵化（Science 325 (5947), 1513-1515，2009等）。

电子束曝光: Electron Beam Lithography，使用电子束在感光物质（一般为PMMA或HSQ）表面上制造图样的工艺。由前文知道，使用的曝光波长越短，光刻能够达到的精度越高。根据德布罗意物质波理论，电子是一种波长极短的波。因此，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，电子束曝光是光刻技术的延伸应用（Nano letters 13 (4), 1555-1558,2013）。

冰刻：来自西湖大学仇旻教授团队，是电子束曝光技术的前沿拓展，通过用冰取代传感传统PMMA或HSQ，名曰“冰胶”。 在零下 140 度的真空环境中，当电子束打在冰层上，被打到的冰将直接被气化，“刻字” 完成后，冰也无需清洗，改变温度使其融化或升华。 冰替代光刻胶的优势，仇旻教授的答案是清洁、快速、简便（Science Bulletin, 64(12), 865-871,2019）。

扫描热探针：扫描探针光刻（Scanning Probe Lithography）是通过纳米针尖诱导材料表面局部的改性（包括力学、电学、热学、扩散）来实现图案化。热扫描探针光刻技术（Thermal Scanning Probe Lithography，t-SPL）是其中一种，利用加热针尖的热能来诱导局部材料改性，比如结晶、蒸发、熔化等。

纳米压印：Nanoimprinting Lithograthy，通过光刻胶辅助，用机械转移的手段将预先制定好的模板上的微纳结构转移到待加工材料上的技术，最初由美国普林斯顿大学的Stephen. Y. Chou教授发明（Science 272 (5258), 85-87，1996）。

微阳极局部电镀：LECD，Localized Electrochemical Deposition，一种自下而上、类似3D打印的微纳米金属结构制造方法，当微纳米尺度的阳极在靠近阴极的时候，将在阴极的极小区域内沉积出一定形貌的金属结构；随着阳极的移动，在阴极将逐点逐层地沉积出对应图案；通过控制阳极轨迹，就能“沉积打印”出任意所需的三维结构。

自组装技术: Self Assembly, 基本结构单元（分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）在基于非共价键的相互作用下，自发地组织或聚集为稳定的具有一定规则几何外观结构的一种技术（Chemical Reviews 99 (7), 1823-1848，1999，Science 321 (5891), 939-943，2008）。

图2 图案化技术图案展示：（a）和(b) Nanoscrible; (c) 电子束曝光[Nano letters 13 (4), 1555-1558，2013]；（d）Talbot光刻[Nano Letters, 2011, 11 (6), pp 2533–2537]; （e）和（f）胶体化学自组装合成类金刚石结构[Nature communications 8.1 (2017): 1-8.]

四、图案化技术浅析

     图案化技术，林林种种，还有很多限于了解没能在此介绍。归纳起来，图案化技术无非通过光学、热学、力学、化学手段实现。广义上的“光刻”包括传统光刻和粒子束光刻（电子束曝光，聚焦离子束FIB），而传统光刻包括“近似”几何光学掩模版投影式（严格说，属于部分相干成象过程，一般用Hopkins 公式推导）紫外极紫外光刻、基于波动光学的无掩膜激光干涉和有掩模金属等离激元光刻及Talbot光刻、无掩模直写光刻（包括激光直写、飞秒激光基于双光子吸收非线性光学过程的Nanoscrible）。移相位移光刻，以及光学邻近效应矫正，觉得是波动光学波前调控辅助增强分辨率的投影式光刻。离轴照明具有几何光学特征。除此外，基于光学光刻的还有很多其他衍生拓展的技术，光刻确实不那么简单。

表2 图案化技术路线和技术特征。

也许可以用六方（这个词好像有点耳熟）能力综合评价上述图案化技术：精度、速度、良率、兼容性、可靠性、灵活性。以此观之，各有优劣势。

激光干涉光刻的优点在于速度快，可实现大面积加工，但灵活性不够。两束激光干涉曝光一般得到条纹图案，而更多图案获得需要旋转样品多次曝光，或者多束激光干涉曝光。我曾经天花乱醉的想，如果采用数十甚至上百束激光进行干涉，每束激光的强度、入射角度、偏振相位等都可以独立控制，加入深度学习功能，是否能满足各种图案化需求呢？为此我还进行了很多当然FDTD模拟。原理上应该是可行的。想像下上百束激光嗖嗖地射，咣咣地转，画面“辣眼”，让人感到激动和刺激！

 Talbot光刻可以说是一种特殊的激光干涉光刻，依然是灵活性不够。金属等离激元光刻还在科研和设备概念展示阶段，由于等离激元强度的高度局域，曝光所用光刻胶需要很薄很薄，而这在实际应用中比较局限。受限于光源波长，激光直写，Nanoscrible的精度都不高，激光直写在300nm以上。飞秒激光加工主要在加工领域应用，用于光刻在上述六方维度都不具有优势。Nanoscrible的3D 直写，虽然图片很眩酷，但实际应用兼容性不够，金属填充到3D光刻胶里还可以通过化学镀等方式，但是如何将光刻胶3D图案转移到晶圆上呢？事实上这是所有3D 图案化技术面临的问题。

电子束曝光可以实现亚8nm精度，但缺点是速度慢。据报道，美国国防部（DoD）前段资助Multibeam 公司，开发 Multicolumn电子束光刻技术（MEBL）。具体细节不得而知，但是顾名思义，应该是同时利用多束电子束，而非现在的单束电子束进行曝光，可以成倍提高曝光速度。（见半导体行业观察  2020-09-13，《美国国防部资助了一项新的光刻技术项目》）。

冰刻，确实如仇旻教授所言，“很有趣”，但是零下140 度的真空环境以及水凝固融化升华的过程，使冰刻技术在上述六方维度都面临巨大挑战。扫描热探针面临和金属等离激元光刻同样问题，采用光刻胶需要很薄很薄。

纳米压印目前据报道实验室精度也达到2nm，在规模量产方面具有一定优势，但在先进制程应用上听闻比较少，应该还是面临良率、精度和灵活性等问题。实验室科研也并不太喜欢纳米压印，去过很多微纳加工平台，纳米压印使用的频率一般都很低。这是纳米压印技术灵活性低导致，因为新图案都需要重新设计制作模版，这对于科研，太难了。制作模版的价格也不菲。

微阳极电镀，业界已经实现了直径几百微米弹簧、Y形支架等三维结构的制造，我系王福亮教授采用20微米微阳极，可制备出500*20*1000微米铜柱，但是在上述六维度仍然面临巨大挑战。自组装技术也是同样。

当然，需要明白的是，没有一个技术是十全十美的，每一个技术都有其特殊的优势特色应用场景，这也是上述图案化技术存在的价值和被研究开发的意义：比如激光干涉其实更多用于测量和高精度马达定位等，飞秒激光主要用于加工等，图案化应用很多是其“副业”。即使对于本文开始提到的极紫外光刻，也存在价格昂贵，前后道工艺兼容等问题：亚7nm先进工艺制程，不是“说爱就爱”，否则Global Foundry等也不会无奈退出，只能“彩 彩 彩”了！

                                     图3 1989年11月11日， IBM院士Donald Mark Eigler和他的

                            团队用自制的显微镜 操控35个氙原子，拼写出“IBM”三个字母。

尽管极紫外还在尽力延续摩尔定律，但不得不承认，摩尔定律不可能无限延续，它的尽头是什么？原子级制造？如果这样，终极光刻或许可以是类似光镊或扫描隧道显微镜技术，对原子进行操纵并图形化，类似当初Donald Mark Eigler院士控制和移动单个原子，拼写出“IBM”的字母图形那样？