光刻行業(yè)遭雙重打擊 下一代技術(shù)面臨難題
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半導體光刻工藝面臨技術(shù)和成本壓力
光刻行業(yè)正遭到雙重打擊：對用于集成電路生產(chǎn)的遠紫外光刻技術(shù)而言，機會(huì )窗口在慢慢關(guān)閉；而最有希望的一項替代技術(shù)即193納米沉浸式光刻技術(shù)卻成本高昂，于是行業(yè)陷入一片混亂當中。成本增加會(huì )對芯片尺寸的繼續縮小帶來(lái)嚴重的影響。
在近期國際光學(xué)工程學(xué)會(huì )(SPIE)主辦的先進(jìn)光刻技術(shù)大會(huì )上，種種不利跡象表明，一再推遲的遠紫外光刻技術(shù)可能會(huì )進(jìn)一步推遲到2013年，用于16納米節點(diǎn)——如果該技術(shù)果真能實(shí)現的話(huà)。這可能會(huì )妨礙像英特爾和三星這些站在前沿的芯片生產(chǎn)商，它們曾希望有機會(huì )獲得遠紫外光刻工具，用于2011年22納米節點(diǎn)的早期開(kāi)發(fā)階段。
遠紫外光刻技術(shù)存在的問(wèn)題為一批新興技術(shù)提供了契機，譬如沉浸式光刻、無(wú)掩膜光刻和納米壓印光刻。但至少就32納米和22納米節點(diǎn)而言，領(lǐng)先的競爭技術(shù)還是193納米沉浸式光刻，這項光刻技術(shù)涉及“兩次曝光(doub
le exposure)”和“兩次圖形曝光(double patterning)”這兩個(gè)熱門(mén)術(shù)語(yǔ)。
雖然許多公司已經(jīng)證明了兩次曝光和兩次圖形曝光切實(shí)可行，但沉浸式光刻技術(shù)的成本高于如今的圖形曝光方法。這意味著(zhù)，芯片制造成本將來(lái)可能會(huì )大幅提升。這會(huì )對將來(lái)繼續竭力為每個(gè)工藝技術(shù)節點(diǎn)降低集成電路的比特價(jià)格帶來(lái)不利影響。
在SPIE先進(jìn)光刻技術(shù)大會(huì )上，應用材料公司、海力士、IBM和比利時(shí)校際微電子研究中心(IMEC)各自介紹了有望降低這項技術(shù)成本的方法。
分析師G. Dan Hutcheson是VLSI研究公司的首席執行官，他認為如果業(yè)界不去尋找新的光刻解決方案，摩爾定律就會(huì )失效。
Hutcheson仍認為，遠紫外光刻技術(shù)有一席之地。他說(shuō)：“遠紫外光刻技術(shù)大有前途，但可能是在22納米之后的某個(gè)時(shí)候。遠紫外光刻技術(shù)會(huì )出現在16納米階段?！盚utcheson對無(wú)掩膜光刻和納米壓印光刻較為悲觀(guān)。他說(shuō)：“除了研究領(lǐng)域外，無(wú)掩膜光刻不可能取得成功。納米壓印光刻技術(shù)也在半導體行業(yè)沒(méi)有用武之地?！?nbsp;
這樣一來(lái)，193納米沉浸式光刻技術(shù)成了近期的選擇。
IBM公司最近宣布，它并沒(méi)有指望將遠紫外光刻技術(shù)用于邏輯芯片的22納米節點(diǎn)的早期開(kāi)發(fā)階段——之前這家公司還對此寄予希望——遠紫外光刻技術(shù)的前景顯得更黯淡了。IBM及合作伙伴聲稱(chēng)，它們會(huì )把193納米沉浸式光刻技術(shù)向下擴展到22納米節點(diǎn)，這要歸功于兩次圖形曝光或者兩次曝光技術(shù)。
IBM杰出工程師、光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)主管George Gomba在SPIE技術(shù)大會(huì )上做報告時(shí)說(shuō)：“用于22納米節點(diǎn)早期開(kāi)發(fā)的遠紫外光刻技術(shù)將會(huì )推遲。沉浸式光刻技術(shù)將是惟一能夠滿(mǎn)足22納米節點(diǎn)的兩年周期和需求的解決方案?！?nbsp;
遠紫外光刻技術(shù)的主要支持者英特爾公司同意IBM的評價(jià)。英特爾高級研究員、技術(shù)和生產(chǎn)部的先進(jìn)光刻部門(mén)主管Yan Borodovsky說(shuō)：“我們會(huì )有一樣的看法?！彼f(shuō)，遠紫外光刻技術(shù)仍存在一直以來(lái)阻礙開(kāi)發(fā)的“同一些問(wèn)題”，包括缺少光掩膜、功率源和光刻膠(resist)。另外，每臺光刻機的售價(jià)可能高達驚人的7000萬(wàn)美元。
圓晶代工巨頭臺積電公司的微制像技術(shù)發(fā)展處資深處長(cháng)林本堅在SPIE大會(huì )上說(shuō)：“人家說(shuō)魔鬼在于細節；我要說(shuō)，魔鬼在于掩膜、功率源和成本?！?nbsp;
英特爾的Borodovsky說(shuō)，接下來(lái)的12到18個(gè)月對實(shí)現遠紫外光刻技術(shù)至關(guān)重要。不過(guò)他堅持認為，這項技術(shù)仍在英特爾的路線(xiàn)圖上，用于2011年的22納米節點(diǎn)。
實(shí)際上，遠紫外光刻技術(shù)在英特爾內部已經(jīng)推遲了幾次。英特爾曾想利用遠紫外光刻技術(shù)用于32納米節點(diǎn)。但去年，英特爾推遲了將這項技術(shù)投入32納米生產(chǎn)的工作。
大相徑庭的技術(shù)
遠紫外光刻技術(shù)使用13.5納米波長(cháng)，與如今使用的傳統光刻工具大相徑庭。工藝步驟在多反射鏡真空室里面進(jìn)行。光學(xué)元件基本上是沒(méi)有缺陷的反射鏡，這些反射鏡通過(guò)層間干擾來(lái)反射光線(xiàn)。
將遠紫外光刻技術(shù)投入市場(chǎng)方面的進(jìn)展很緩慢。譬如說(shuō)，為了獲得每小時(shí)生產(chǎn)100塊圓晶的產(chǎn)能，遠紫外光刻工具要有可以生成100瓦持續功率的功率源。迄今為止，最好的功率源在猝發(fā)模式下也只能生成四分之一的持續功率。
最近，光刻設備巨頭ASML控股公司為比利時(shí)勒芬的IMEC芯片生產(chǎn)研究組織和總部設在紐約的奧爾巴尼納米技術(shù)研究中心交付了遠紫外光刻“演示型”工具。ASML現正在開(kāi)發(fā)一種更先進(jìn)的“預生產(chǎn)型”遠紫外光刻設備，定于2009年下半年批量生產(chǎn)。上周，ASML聲稱(chēng)它在這個(gè)方面取得了突破，它可以使用該工具刻印32納米密集線(xiàn)路和接觸孔。
ASML公司的營(yíng)銷(xiāo)副總裁Peter Jenkins說(shuō)：“這是難度很大的技術(shù)。我們認為，能夠顯示低于30納米的圖案這項功能極具意義?！?nbsp;
不甘落后的競爭對手尼康公司在上周披露了遠紫外光刻技術(shù)路線(xiàn)圖，聲稱(chēng)它會(huì )在年底之前交付兩款原型，并在2009年年底之前推出一款生產(chǎn)型設備。
在幕后，ASML、佳能和尼康彼此競相開(kāi)發(fā)新的193納米沉浸式掃描光刻設備，這種設備用于兩次曝光和兩次圖形曝光時(shí)代。首款這種設備定于2008年年中前后推出。
兩次曝光的優(yōu)點(diǎn)
幾家芯片生產(chǎn)商已經(jīng)將兩次圖形曝光技術(shù)運用到集成電路生產(chǎn)，據說(shuō)美光科技公司也在此列。兩次圖形曝光要求進(jìn)行兩次曝光，首先曝光一半線(xiàn)路、進(jìn)行蝕刻、執行其他步驟。然后，另一光刻膠涂層做到圓晶上，另一半圖案在第一批線(xiàn)路之間的空隙里面曝光。這種方法成本高、速度慢，但從技術(shù)上來(lái)說(shuō)相對容易，不過(guò)要求大約2納米的套刻精度(overlay accuracy)。
于兩次曝光，它需要先曝光一批線(xiàn)路，然后在執行其他工藝步驟之前，將曝光圖案移到鄰近地方，對第二批線(xiàn)路進(jìn)行曝光。雖然兩次曝光
速度比兩次圖形曝光快，但關(guān)鍵是找到一種非線(xiàn)性光刻膠——這種光刻膠的化學(xué)特性能夠吸收來(lái)自鄰近曝光的弱光，又不會(huì )形成圖案。
至于邏輯芯片的生產(chǎn)，IBM上周提議后段制程采用基于暗場(chǎng)、雙極照明的兩次曝光技術(shù)。雙極照明可以把掩膜圖案分為X軸和Y軸兩層，然后對它們進(jìn)行兩次曝光。
IBM在實(shí)驗室里面使用了數值孔徑為0.93的193納米沉浸式掃描設備。IBM使用ASML的Maskweaver光學(xué)鄰近校正工具和專(zhuān)門(mén)的三層光刻膠，聲稱(chēng)已演示了第一層金屬線(xiàn)之間的間距為90到100納米的器件。
IMEC已開(kāi)發(fā)出一種兩次圖形曝光技術(shù)，能夠獲得50納米半間距、單鑲嵌設計。IMEC使用了數值孔徑為0.85的193納米沉浸式掃描設備。它還采用與雙極照明相競爭的四極照明方案，使用了6%的軟相移掩膜(PSM)和有機材料的雙層光刻膠。
應用材料公司在技術(shù)大會(huì )上演示了一種類(lèi)似方法：自對準兩次圖形曝光技術(shù)，該技術(shù)面向干式光刻而不是沉浸式光刻，從而引起了人們的濃厚興趣。該方法采用了應用材料公司的先進(jìn)圖膜(Advanced Patterning Film)和等離子增強的化學(xué)氣相沉積系統。應用材料公司薄膜事業(yè)部的高級副總裁兼總經(jīng)理Farhad Moghadam說(shuō)：“該方法能夠使用193納米‘干式’掃描設備獲得32納米線(xiàn)路和間隙壁?！?nbsp;
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