近日,ASML新一代EUV(极紫外)光刻机TWINSCAN NXE:3600D的研发进展曝光,正在美国康涅狄格州的实验室进行最后部分的安装。相较于前一代产品,该机型生产力将提高15%~20%,套刻精度提高30%。光刻机是半导体制造的核心设备,大量工艺围绕其展开,因此有关光刻机的消息,特别是EUV光刻机的消息,往往会引起人们的大量关注。然而,7纳米及以下先进工艺只是半导体制造需求的一部分,市场对成熟工艺的需求量更大。此外,随着先进封装技术的发展,半导体后道工艺应用到光刻的环节也在增加。应用于这些领域的光刻机供应商范围更大,不仅是荷兰ASML,日本佳能和尼康等都有相应的产品线。要想发展光刻产业,不应仅仅盯着最先进的一点,而是要先将整个产业做实做厚。

 

DUV才是当前半导体制造的主力

 

在半导体制造过程中,光刻工艺可以通过曝光的方法,将掩膜版上的电路图形转移到光刻胶上,然后再通过显影、刻蚀等工艺将电路图形转移到硅片上。在这一工艺流程中,硅片的涂胶、曝光、清洗等重要步骤都与光刻密切相关。光刻机的分辨率、精度也成为其性能的评价指数,直接影响到芯片的工艺水平以及性能水平。因此,说光刻机是芯片制造过程中最重要的设备并不过分。

 

正因如此,人们的关注重点往往聚焦于光刻机,特别是最先进的EUV光刻机上。然而,在半导体产品实际制造过程当中,光刻工艺的应用范围很广,并不仅局限于芯片制造前道,后道封装工艺,甚至是半导体显示、LED等泛半导体制造都会用到光刻技术。根据半导体专家莫大康的介绍,如果按照光源类型划分,不仅有极紫外光刻机,还有ArF浸没式光刻机、ArF干式光刻机、KrF光刻机、i-line设备等。其中,ArF、ArF和KrF都属于深紫外线光刻机(DUV),才是当前半导体制造的主力,无论是图像传感器、功率IC、MEMS、模拟IC,还是逻辑IC,背后都有其身影。

 

根据ASML发布的2021年第一季度的财报,整个DUV产品线(ArFi+ArF+KrF)的销售额占比达到60%。ASML CEO Peter Wennink 在进行业绩说明时表示:“与上个季度相比,我们对今年的展望有所增强,这主要是由于对DUV的需求所致。随着对先进工艺节点的需求不断增加,以及成熟工艺节点的运行时间越来越长,外加产能爬坡,对浸入式和干式系统的需求比以往任何时候都强。我们已制定计划来增加DUV生产能力,以帮助满足客户不断增长的需求。”

 

 

先进封装应用到的光刻工艺也在增加。佳能光学事业本部相关负责人在接受记者采访时指出,在先进封装中,半导体器件的高处理能力是必需的,因此即使在后段工序中也需要使用光刻机的精细重布线(保护精密的半导体芯片免受外部环境的影响,从而在安装时实现与外部的电器连接)。从这个角度来看,对光刻机的要求是高解析度。

 

此外,硅通孔是先进封装的关键工艺之一,其要求实现较高的纵横比 (孔深度对孔宽度的比率高) 。佳能指出,孔的宽度越窄,制造深孔的工艺就越困难,所以需要半导体光刻机在窄孔中也能够实现更深的孔深。为了实现高解析度和高纵横比的曝光,则需要选择适合各种半导体芯片重布线的NA (数值孔径) ,因此也要求光刻机能够对应从高NA到低NA的各种选择,可以说光刻在先进封装中的作用越来越大。

 

日前,市场分析机构Yole发布统计数据,2020年先进封装用光刻设备市场达到10亿美元,其中佳能公司成为这类设备的最大供应商,市场份额为34%;其次是ASML,市场份额21%。Yole预测,从2020年到2026年,封装用光刻设备市场将以平均每年9%的速度增长至17亿美元。

 

光刻机配套材料与设备也很重要 

 

发展光刻产业,除光刻机外,相关的配套材料与设备也很重要。根据莫大康的介绍,相关产业还包括配套材料如光刻胶、光掩膜,配套组件和配套设备如光源、双工件台等。

 

光刻胶是最重要的配套材料之一,受光刻产业高精密需要的影响,其对分辨率、对比度、敏感度,此外还有粘滞性黏度、粘附性等要求极高。目前全球光刻胶主要企业有日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)、住友化学、信越化学、美国罗门哈斯等,市场集中度非常高,前五大厂商所占市场份额超过85%。

 

光刻机的核心组件包括光源、双工件台、镜头等子系统。光源经过了多轮变革,光刻设备所用的光源,从最初的g-line,i-line发展到了KrF、ArF,如今光源又在向EUV方向发展。中银国际证券报告显示,Gigaphoton是在全球范围少数能够为光刻机提供激光光源的厂商之一。国内企业也积极开发相关的产品。

 

涂胶显影机用于将特殊的化学液体涂在硅片上作为半导体材料进行显影,是光刻环节中重要的配套设备。作为光刻机的输入(曝光前光刻胶涂覆)和输出(曝光后图形的显影),涂胶/显影机的性能直接影响到细微曝光图案的形成,其显影工艺的图形质量和缺陷控制对后续诸多工艺(诸如蚀刻、离子注入等)图形转移结果也有着深刻的影响。东京电子是该领域的主要供应商。

 

生产光刻机要完善生态环境

 

近年来,中国也在积极发展光刻产业。中国半导体行业协会集成电路分会理事长叶甜春此前在接受记者采访时指出,中国集成电路产业的发展要将产业基础做实,而不是一味追求最顶尖的那些。

 

莫大康也指出,高性能光刻技术对中国企业来说成本高昂,但是其战略意义不容忽视。中国要推进完整的光刻工业体系的发展,只能采取从低到高的策略。

 

从策略上看,我国发展光刻产业首先应着重完善相关的配套产业。中国电子科技集团公司第四十五研究所集团首席专家柳滨向记者表示,我国光刻机技术落后于国际2~3代。而造成这种情况的原因则与产业生态有很大的关系。生产光刻机除了要达到一定要求的工艺技术之外,更重要的是需要完善的生态环境。ASML的成功离不开台积电、三星等下游厂商的调配数据,同样,我国光刻机的制造也需要下游厂商在修订和调配上给予支持,但是,我国半导体产业链的生态环境尚未成熟,这就为光刻机的制造增加了难度。

 

此外,人才不足也是制约光刻产业发展的障碍之一。上海微电子有限公司总经理贺荣明曾经指出,发展光刻机需要高素质人才,而培养人才将是制造光刻机中最重要的工作。中国半导体产业要发展,需要有大批量的人才加入到该行业当中。

 

 

作者丨陈炳欣

编辑丨诸玲珍

美编丨马利亚