制造芯片的難題之光刻技術(shù)和掩模版制作

1. 簡介

第四次工業(yè)革命以幾年前不存在的技術(shù)圍繞著我們。其中一些甚至幾十年前都沒有 想到，自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)在公共街道上進(jìn)行測試；無人機(jī)正在調(diào)查地形，拍攝視頻，也有派發(fā)包裹；由專業(yè)人士和業(yè)余愛好者創(chuàng)建的大量視頻內(nèi)容正在被拍攝和發(fā)布；固定和移動(dòng)監(jiān)視都變得司空見慣，服務(wù)器場比以往任何時(shí)候都更大，并且4G網(wǎng)絡(luò)正在被5G補(bǔ)充或替代。所有這些趨勢的共同之處在于，它們生成的大量數(shù)據(jù)必須比以往任何時(shí)候都更快，更可靠地進(jìn)行處理，傳輸和存儲。

這些新應(yīng)用中的許多將需要高級邏輯器件來實(shí)現(xiàn)更高的功耗和處理速度，以支持它們（圖1）。使用較小的晶體管，新的設(shè)計(jì)架構(gòu)和更高性能的材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯片性能的提高。但是，在不到10 nm的規(guī)模上，器件不斷小型化，FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）和GAA（全能門）晶體管等3D架構(gòu)的引入，以及使用新型金屬來減少布線延遲和提高可靠性的方法大達(dá)增加了芯片制造的復(fù)雜性。在這種環(huán)境下，制造成品率越來越難以實(shí)現(xiàn)，這使得及時(shí)引入新的邏輯器件變得越來越困難。

圖1  半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢

2. 新型光刻技術(shù)

邏輯器件的持續(xù)縮小給芯片制造帶來了新的挑戰(zhàn)。在小于20 nm的尺寸上，分辨精細(xì)圖案并將其精確放置在芯片上的操作越來越困難。從歷史上看，小型化工藝是通過光學(xué)光刻技術(shù)的進(jìn)步而實(shí)現(xiàn)的，光學(xué)光刻技術(shù)是使用光學(xué)掩模在芯片上創(chuàng)建圖案的照相工藝。小型化過程可以擴(kuò)展的程度蕞終受到所用光波長的限制。10納米技術(shù)仍然使用光的193nm波長，所以這些設(shè)備上的特征的尺寸是大致1/20個(gè)用于創(chuàng)建它們的光的波長。這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的處理技術(shù)（圖2）。隨著功能的不斷縮小以及當(dāng)今的光學(xué)光刻技術(shù)不斷突破當(dāng)前紫外線光源波長所施加的物理限制，該技術(shù)已移至光譜的極紫外（EUV）區(qū)域中更短的波長。除了其優(yōu)點(diǎn)之外，EUV光刻技術(shù)在光學(xué)掃描儀的吞吐量和光學(xué)掩模上缺陷的控制方面也面臨著自己的挑戰(zhàn)。 

圖2  芯片工藝復(fù)雜性和生產(chǎn)時(shí)間

3. 掩模版制作技術(shù)

傳統(tǒng)的光刻技術(shù)是通過使光穿過由熔融石英和鉻金屬吸收膜組成的光掩模來工作的。但是，設(shè)計(jì)用于較短EUV波長的掩模在本質(zhì)上是不同的，因?yàn)樗鼈兪欠瓷湫缘?，其基板和圖案膜都需要新的材料。這些掩模對多層堆疊內(nèi)部或內(nèi)部的缺陷極為敏感。薄膜通常用于保護(hù)常規(guī)光學(xué)掩模免受污染，但是用于EUV掩模的防護(hù)膜的開發(fā)一直很困難，并且當(dāng)前的防護(hù)膜無法承受高功率EUV照明（圖3）。一旦EUV掩模版被污染，要清潔它們是一個(gè)巨大的難題。解決方案是設(shè)計(jì)專門的防護(hù)盒，專門用于處理EUV標(biāo)線。掩模版制作的難題，需要業(yè)內(nèi)一起共同努力去解決。

圖3  將表膜結(jié)合到EUV掩模版中

4. 總結(jié)

光刻技術(shù)是基于掩模版的制作技術(shù)的，兩者是相輔相成、缺一不可的。