2021-09-06 10:40·未来智库
(报告出品方/作者:申港证券,曹旭特) 1. 光刻技术:集成电路制造皇冠上的明珠1.1 光刻工艺历史:传承与革新并存的光影游戏 光刻是集成电路制造的核心环节,现代光刻的核心理念源自于经典的多重套刻。集成电路诞生于20世纪60年代的美国,经过50余年的发展,如今制程节点早已从最初的20微米左右,跨过微米时代,进入纳米与亚纳米时代。以光刻技术使用的光学镜头为例,从最初使用照相设备类似的放大镜头,到如今直径可达半米,重达数百公斤的巨型镜头组。 光刻流程的核心思想是将掩模版上承载的集成电路的图案信息转移到载体晶圆上。这一过程的思想来源于历史悠久的印刷术,但是与印刷术不同,光刻工艺并非使用油墨为介质,而是借助光敏物质在受到光照(曝光)后发生的化学变化,完成这一信息的转移。现代意义上的光刻(photolithography),最早起始于1798年的德国慕尼黑,当时阿罗约˙塞内菲德勒(Alois Senefedler)在发行出版自己的作品过程中发现,如果使用油性铅笔将插图画在多孔的石灰石上,并且将没有画到的地方用水浸湿,由于油性墨水不溶于水的特性,会与水相互排斥,后续墨水只会吸附在油性铅笔画过的地方。这种技术被叫做lithography,它成为了后来现代多重套印的基本思路,并一直传承至今。 在集成电路制造业中,光代替上述过程中的油性铅笔,就像油性的墨水会选择性沉积在石灰石上,光智能透过掩模版上的透明区域。光是光刻工艺的重要媒介,它自身的物理性质决定了工艺所能达到的极限分辨率。按照光路的不同,主流曝光方式可以分为三种,接触式曝光、接近式曝光以及投影式曝光。最早出现的方式是投影式与接近式曝光,二者没有本质的区别,并且在DUV出现之前,一直是晶圆制造业的主流。
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对于接触式曝光而言,由于掩模版和和硅片上部界面之间没有间隙,因而不存在分辨率的的问题。然而接触会引发掩模版和光刻胶的磨损,增加缺陷发生的可能,因此产生了接近式曝光。接近式曝光避免了磨损带来的缺陷,但是由于空隙和光散射的存在,接近式曝光的分辨率在当时条件下被限制在了3μm以上。 其中k代表光刻胶参数,通常取值在1~2之间。CD(Critical Dimension)代表最小尺寸,一般对应最小能够分辨的周期线宽。λ是曝光使用的光源的波长。掩模版到光刻胶表面的距离用g表示,通常大于10μm。从公式可知,在使用当时主流的450nm光源下,极限分辨率在3μm,而接触式曝光下,这一极限为0.7μm。 当前主流的投影式曝光的诞生,弥补了接触式曝光与接近式曝光的不足,突破缺陷与分辨率的双重限制。光学透镜组被引入到光刻胶与掩模版之间,这种情况下,投影式曝光方式中,光学分辨率可以有著名的瑞利公式决定:CD=1/ 其中CD与λ和上文公式中对应的变量意义相同;k1是一个与光刻过程本身相关的系数,业内目前关于k1可以达到的极小值是0.25;NA是投影/扫描装置的数值孔径,如果介质是空气或者真空,那么NA在数值上就等于其物镜在像空间的最大半张角的正弦值。NA反映了光学组件对光的收集能力。NA=nsin 提高系统分辨率的方式有三种,使用波长更短的光源,增大数值孔径,以及减小工艺系数k1。其中改变光源的波长最为容易,随着制程的推进,光刻系统的光源从高压汞灯,演进为准分子激光光源(KrF、ArF)与最新的基于激光诱导等离子(LPP)极深紫外光源(EUV)。增大数值孔径通常需要改变光学组件的直径或者改变介质的折射率。 ![]()
摩尔定律描述的晶圆制造工艺是持续迭代演进的过程,而演进中技术路线的分歧点会催生新的行业龙头。光刻工艺的演进并不是一帆风顺的,对行业影响最深远的一次技术分歧是DUV时代中157nm干法光刻与193nm浸没式光刻的岔路口。基于分子激光的光源微缩至ArF的193nm时,尼康为首的光刻机制造商主推基于F2的157nm光源。这种光源可以提高20%左右的分辨率,但是存在下列缺点 镜组使用的光学材料在157nm时均为高吸收态,吸收激光辐射后升温膨胀,产生形变造成球面像差。因此必须使用CaF2制造镜组。然而CaF2镜组使用寿命短,且核心技术在尼康手中,产能较低,无法满足大规模应用的要求。 由于ArF的使用的光刻胶在157nm均有强吸收,光刻胶需要重新进行开发,投入产出比较低。 此时,台积电工程师林本坚提出基于现有193nm ArF浸入式光刻的概念。由于这一理念是基于现有设备加以改造,对于光源与透镜组系统的改动较小,ASML第一个响应了林本坚与台积电的这一提案。ASML的这一决定为其在45nm以下时代取得了市场先发优势,为期在先进制程的统治地位奠定了基础。 随着制程推进至7nm以下,伴随EUV时代的来临,已知光学材料对极深紫外均有强吸收。EUV光刻机中光学组件不再使用基于透射式的光路设计,而是改为使用反射镜搭建光路。 ![]()
1.2 光刻工艺流程 光刻工艺在集成电路、显示面板、PCB制造等微图纹结构的形成中有着广泛的应用,典型的光刻工艺核心步骤包括:表面处理、涂胶、曝光前烘焙、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、显影后烘焙、测量。 气体硅片表面预处理:光刻前,硅片会经历湿法清洗与去离子水淋洗,以去除表面污染物。在湿法清洗的过程中使用的清洗液中添加的亲水表面活性剂会使硅片表面变为亲水,同时硅片在湿法过程中表面羟基数量增加后也将变得更为亲水。大部分基于树脂/有机高分子聚合物的光刻胶在亲水表面的附着力较差,所以晶圆表面需要使用六甲基二硅胺烷(Hexamethyl Disilazane, HMDS)进行疏水化处理,硅表面的亲水基团Si-OH在这一过程中被置换为疏水的-OSi(CH3)3。 ![]()
旋涂光刻胶、抗反射层:气体预处理后,光刻胶将被均匀的涂布在晶圆表面。涂胶最常用的工艺为旋涂法。体积为几毫升的光刻胶通过专用的管路,输运到晶圆中心。之后硅片会按照设定的程序加速旋转到预定转速。光刻胶在晶圆表面形成的覆膜厚度取决于光刻胶本身的流动特性与最终旋转速度有关。涂胶过程中,膜厚的均匀度与涂胶相关的缺陷数是该工序中最为关心的两个问题。由于光刻胶的粘度会随着温度而变化,可以通过分区改变光刻胶或者晶圆表面的温度,实现晶圆表面不同区域中可变调节光刻胶膜的厚度。通过线宽随光刻胶厚度的规律,可以确定光刻胶图层的最佳厚度,以节省机时与原料。 ![]()
曝光前烘焙:光刻胶旋涂在晶圆表面之后,需要经过前烘,又称为软烘。这一步的目的在于去除光刻胶中易挥发的部分溶剂,同时使得旋涂后的光刻胶更加致密。通常使用的温度在80~100 oC,持续时间为30~45s。前烘结束后,晶圆将会从热板上转移至冷板上,降温到环境温度后再进行后续工序。 对准与曝光:这一过程是光刻工艺的核心环节,掩模版将被移动到硅片上预先定义的大致位置,或者相对于上一道光罩已形成的图形上确定的位置。在第二层及以后的曝光过程中光刻机需要对准前一层曝光所留下的对准记号,将本层的掩模版套印在已有的图形上。套刻精度通常为最小期器件尺寸的30%左右,以65nm节点为例,套刻精度通常为16~20nm。 曝光后烘焙: 曝光完成之后,涂有光刻胶的晶圆需要再次进行烘焙(Post Exposure Baking, PEB)。这一烘焙工序的目的是利用加热的方式,加快化学反应的进行。曝光过程中光敏组分的引发的化学反应会在加热条件下发生扩散,与光刻胶发生反应后,形成可溶于显影液与不溶于显影液的组分。由于曝光后形成的图形与掩模版上的图形一致,但是没有显现出来,因此这些图形又被称为潜像(Latent Image) 显影:后烘之后的晶圆会经过显影步骤去除指定区域中已产生化学反应的光刻胶。光化学反应后的光刻胶通常显酸性,因此显影液的基础配方通产显碱性,早期显影液会使用钾或者钠的氢氧化物溶液或者对应的硼酸、碳酸盐,但由于金属离子的残留会影响到器件本身的电性能,现在显影液一般使用体积比为2.38%的四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)。 显影后烘焙,坚膜:显影过后,掩模版上的图形基本已经转移到了晶圆表面,坚膜的目的是为了使光刻胶的性质更加稳定,同时由于显影这一湿法过程中,光刻胶会接触到大量的水,这一步骤对于后续的湿法蚀刻产生不利影响,因此需要通过烘焙的方式将光刻胶中吸收的水分移除。另一种情况是显影后在胶-基板界面会存在残留的聚合物薄层,可以使用O2等离子气体对样品进行处理以去除非期望的聚合物残留(descumming)。 刻蚀(etching):刻蚀是晶圆制造领域最常见也最核心的步骤之一,刻蚀可分为使用化学作用的湿法蚀刻与使用低压等离子气体的干法蚀刻,通常我们所说的光刻中实际上发生的材料去除,并非使用光之一媒介自身实现,而是蚀刻过程中加以完成。 光刻胶去除(PR Strip):光刻胶的作用是在蚀刻工艺中保护相应的区域不被去除,但是在相应的工序结束后,光刻胶最终需要被移除以保证后续工序的正常进行。这一过程通常被称作去胶。 ![]()
测量:曝光完成后,需要对光刻形成的关键尺寸(CD)以及套刻精度进行量测。关键尺寸的测量通常借助扫描电子显微镜,而套刻精度则使用光学显微镜和CCD结合的方式加以确定。 平板显示阵列的制造:在该过程中,光刻胶涂敷于晶体薄膜表面,经过曝光、显影和蚀刻等工序,将掩模版上的图形转移到薄膜上,形成与掩模版对应的几何图形。 ![]()
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