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EUV、光刻胶、计算光刻等先进光刻技术的桎梏和突破

2018/11/08
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1947 年,贝尔实验室发明第一只点接触晶体管,从此光刻技术开始了发展。

随着第一个单结构硅晶片的诞生,到第一台 2 英寸集成电路生产线的建成,再到图形线宽从 1.5μm 向 0.5μm、0.3μm 节点的迭代,以及后面 193nm 波长步进扫描曝光机的出现,使得光学光刻分辨率到达 70nm 的“极限”。

20 世纪以来,在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时,国内外相关企业、机构都正在积极研究,包括 EUV 光刻技术,电子束光刻技术,计算光刻等内容方向。

在光刻技术发展如此重要的关键节点,10 月 18 日,第二届国际先进光刻技术研讨会在厦门隆重召开,行业内各界人士和相关企业应邀而来,共聚一堂商讨国际先进光刻技术的发展现状和未来趋势。

嘉宾合影

 

会议开始,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先后为大会致开幕词,大会秘书长、中科院微电子研究所计算光刻研发中心主任韦亚一研究员主持开幕式。

按照大会安排,本次论坛针对光刻领域相关的“使能部分、计算光刻技术、掩模技术、材料、仿真和优化、测试测量以及设备部分”等几方面进行分享讨论。由来自 Intel、IBM、ASML、Mentor、Brion、Synopsys、ICRD、Photronics、Toppan、Carl Zeiss、JSR、DowDuPont、Applied Materials、Cymer、北京理工大学、University of Delaware、KLA-Tencor、Nova measuring instruments、HLMC、Tokyo Electron Limited、Gigaphtoton、Canon 等机构和公司的特邀嘉宾分别就拟定的主题做了特邀报告,深入分析了光刻领域先进节点最新的技术手段和解决方案,包含 7nm 及以下先进节点的计算光刻技术、SMO、DTCO、EUV、DSA、Deep Learning、光刻设备、材料等。

光刻技术作为集成电路产业环节中非常重要的部分,发挥着举足轻重的作用,当今电路板半导体元件变得更加复杂,要把一个具有创意的想法转换成市场上的产品,其中的困难度已大幅增加,为此 EDA 厂商可以提供技术创新的产品与完整的软件硬件设计解决方案,让客户得以克服他们所面临的设计挑战。


Mentor manager Gandharv Bhatara

 

会上,来自全球 EDA 领导厂商 Mentor, A Siemens Business 的 Gandharv Bhatara 分享了关于“使用 Calibre 平台在先进技术节点上实现高效的 IC 生命周期开发”的报告。Gandharv Bhatara 表示,在先进及新兴工艺节点中,受制于半导体光刻工艺的发展水平的系统性缺陷或者受设计风格影响的缺陷已经成为良率的限制因素。尽管光刻系统正在被推向极限,先进材料与光刻胶也被不断应用,但是临界工艺窗口仍然不足以支持半导体的密度缩放。OPC 和 RET 技术的改进不再是问题解决方案的唯一方法,还要依赖于半导体供应链中的设计、工艺对操作输入及约束的管理。

本次演讲重点还介绍了目前最新的创新技术及解决方案,利用大量的进化算法和革命性计算技术,来满足以下行业需求:

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,确保平坦化(planarity)不会成为设计问题;


通过使用高级 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。

大会期间,Mentor 的中国区总经理凌琳(Pete Ling)和全球半导体解决方案技术团队资深总监范明晖(Minghui Fan)接受了我们的采访。

Mentor 中国区总经理凌琳(左)、全球半导体解决方案技术团队资深总监范明晖(右)

 

对于“计算光刻目前的发展现状和趋势,以及 EUV 光刻技术成熟以后是否会对计算光刻产生影响”的问题,范明晖表示,计算光刻一定是光刻工艺接下来发展的趋势所在,而 Mentor 公司对应的 Calibre 平台允许直接从设计版图中将特定几何配置定义为视觉图形,利用这种视觉表示,Calibre 开辟了一种定义成熟工艺和先进工艺的设计规则的全新方式,并支持设计、验证和测试领域的各种创新应用。

至于 EUV 光刻技术对于计算光刻的影响,范明晖认为“EUV 光刻技术在目前 7nm 工艺方面确实会存在一些优势,但是考虑到 EUV 面临的整体经济效益、成本控制和生产效率等诸多限制因素,以及接下来更先进的工艺制程时,EUV 光刻技术不会太大程度的影响计算光刻的地位和发展趋势”

近期英特尔、格罗方德等一些厂家纷纷宣布暂停或延缓 7nm 工艺的研发,是否会影响到 EDA 公司在光刻方面的业务?凌琳对此表示影响不大,即使这些公司暂时不往更深一步的工艺节点发展,但是其业务宽度和体量对应会有一定的提升,所以影响不会太大。

期间还讨论道“为何国内 EDA 公司发展如此艰难,始终和先进水平存在较大差距?” 凌琳认为,EDA 行业的发展不是一蹴而就的,体系化的产业需要时间的积累和沉淀;另外,国内 EDA 公司可以选择从前端设计、仿真等一些节点切入,进而寻找突破点。相信随着时间的推移和 EDA 厂商们的努力,能较快的缩小这一差距,对此持乐观态度。

 

掩摸是光刻工艺不可缺少的部件,掩模上承载有设计图形,光线透过它,把设计图形透射在光刻胶上。掩模的性能直接决定了光刻工艺的质量。


中国项目总监 Tom Obayashi

 

对于如今掩摸的发展状况和态势,来自 Toppan 的 Tom Obayashi 分享了关于“凸版先进光掩模技术”的报告。

Tom Obayashi 表示,Toppan 对下一代 ArF 浸没式以及 EUV 掩模的研究已经有所进展。先进的电子束直写技术已经成熟,并且光掩模生产工艺已经下降到 10nm 节点。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。

会后采访到了 Toppan 的中国项目总监 Tom Obayashi。


中国项目总监 Tom Obayashi(左)

 

Tom Obayashi 围绕光掩模技术的发展现状和面临的挑战进行介绍。如今,Toppan 已逐步确立在中国半导体制造业中优质光掩模产品主要供应厂商的地位,对于下一代工艺节点的掩模产品情况,Tom Obayashi 表示大多处于研发阶段,还没有进行大规模的应用。

光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,特别是近年来大规模和超大规模集成电路的发展,更是大大促进了光刻胶的研究开发和应用。光刻技术的创新对半导体行业的发展至关重要。如今,先进的光刻胶和图形增强材料的不断创新使超大规模集成电路持续小型化成为可能。


DowDuPont 总经理 吕志坚


大会上,由来自 DowDuPont 的吕志坚总经理对“先进光刻胶技术”进行了分享。吕志坚介绍,DowDuPont 是全球最大的电子材料供应商之一,提供广泛的材料以供整个器件制造工艺使用,包括光刻,蚀刻,化学机械平坦化,清洗和先进封装。光刻技术的创新对半导体行业的发展至关重要。如今,先进的光刻胶和图形增强材料的不断创新使超大规模集成电路持续小型化成为可能。

 

演讲中还讨论了新型光刻胶的产品和图形增强材料为现有的工艺带来的质量和缺陷的改善。

大会期间,吕志坚接受了我们的采访,首先介绍了陶氏和杜邦合并成为陶氏杜邦的进展,以及目前陶氏杜邦在集成电路生产工艺中需要的各种光刻材料。


吕志坚还告诉我们,明年陶氏杜邦会拆分为 DOW、DUPONT 和 CORTEVA 三家公司, 每家公司将专注于各自擅长的领域,其中光刻胶部分由新 DUPONT 的一个部门负责。

陶氏杜邦拆分情况

 

对于中国本土材料厂商的发展水平问题,吕志坚表示,光刻胶作为集成电路流程中的第二大耗材,目前我国政府正在重点扶持此领域,也有一些厂商在做相关的研发和量产,相信在古国家政策和客户支持情况下,加上本土厂商们的不断积累和沉淀,即使不容易做到弯道超车,也必将通过时间的积累缩小差距,并最终获得客户信任。

最后问道,“如何看待中兴事件加速了行业内中国国产化的进程?”吕志坚表示,杜邦注重中国市场,将加大和中国本土厂商的合作力度。

 


Tokyo Electron Limited manager Hiromitsu Maejima


来自 Tokyo Electron Limited 的 Hiromitsu Maejima 分享了“可以满足未来需求的最新旋涂 / 显影系统”。Hiromitsu Maejima 表示,半导体器件的不断缩小使得其制造成本大幅降低,半导体市场不断扩大。在过去十年中,引入了多图形化技术以协助光刻来实现连续缩放。预计 EUV 将作为下一代光刻技术并且成为下一个连续缩放的候选者。

同时,工艺稳定性(例如晶圆到晶圆和模块到模块的性能)和机器质量(例如 Wafer-Per-Day 稳定性和 fast ramp-up 的性能)是近年来高产率机器投资回报的重点领域。

在本次演讲中,Hiromitsu Maejima 介绍了最新的 Coater / Developer 工艺技术以及 Coater / Developer 系统未来十年的最新发展方向。


会后,我们采访到了 Tokyo Electron Limited(TEL)的中国战略市场部总监钱立群

 


中国战略市场部总监 钱立群


我们了解到,TEL 产品主要领域为芯片制造所需的涂胶显影、刻蚀、成膜,清洗,和测试设备,以及平板显示制造所需的干法刻蚀、涂胶显影工艺设备。钱立群介绍了 TEL 在中国的三个主体公司:东电电子(上海)有限公司、东电半导体设备(上海)有限公司、东电光电半导体设备(昆山)有限公司,分别负责产品的销售和售后、零部件的进出口销售、平板显示设备制造。TEL 作为一家辐射国际性市场的公司,凭借其领先的技术和扎实的客户服务基础在中国取得了较大的市场份额。

 

面对中国本土设备厂商的崛起之势,钱立群认为各自都有擅长和专攻的领域,拥有着不同的技术水平,所以在一定时间内应该有各自的成长空间。

 

在光刻胶领域,我国大部分材料仍旧依赖于进口,本土厂商的生工艺和技术与国际先进水平仍有较大差距。

大会期间,我们采访到了中国科学院大学副校长、中国科学院化学研究所杨国强研究员。从我国研发机构的视角来解读光刻胶的现状和发展趋势。


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

 

对于我国光刻胶的发展水平,杨国强讲到,目前我国只能做出一些中低端产品,中高端的产品几乎都还处于研发阶段,现在国家也在立项目来大力扶持。至于发展过程中的难点,“光刻工艺是需要配套发展的,这是一个体系化的产业,我国在此领域发展时间还较短,以前被拉开的距离需要时间来追赶。其实光刻材料在研发领域的水平还是可以的,难的是在评测和应用领域”,杨国强解释道。

对于中美贸易战问题,杨国强认为,我国在光刻材料的研发和对光刻材料的理解方面是不落后于人的,站在研发者的角度考虑,有信心应对中美贸易对光刻材料产业带来的影响。或许,美国贸易战方式的“卡一卡”能给本土厂商和企业带来出乎意料的机遇,因为只有增加上场机会才有可能得到收获和认可。

随着时代和科技的发展,微电子工业几乎要变成一个基础工业,因此我们国家才更有必要发展自己的实力,一来可以摆脱外界的牵制,再来还可以带动其他行业和产品的发展。

可能是作为研发者对技术、产品的了解和理解,“有信心、不怕”是杨国强一直传递给我们的乐观态度。


2018 年,从贝尔实验室发明的第一只点接触晶体管到如今,70 多年来,光刻技术已经衍生出了如此巨大的产业链和市场规模。

光刻技术作为晶圆加工过程中极为重要的一环,决定了芯片的性能,成品率和可靠性。工欲善其事,必先利其器,要想半导体产业突破技术封锁,要想开发先进的半导体制程,就必需要掌握先进的光刻技术。

此次研讨会,国际光刻领域厂商进行相关技术和产品动态的交流分享,共同推动光刻技术、推动半导体产业的进步。同时,可以让中国本土厂商和研发机构看到在此领域存在的差距和不足,在接下来的发展中秉承着“有信心、不怕”的态度积极去发展中国的集成电路产业。

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