光刻膠是極紫外光刻機突破3納米的最大絆腳石,全新材料開發已箭在弦上

本文轉載自公眾號問芯Voice(ID: semiconvoice)
 
臺積電即將量產全球最先進的 5nm 工藝技術,在摩爾定律看似順遂推進下,材料技術發展的重重阻礙卻在臺面下暗潮洶涌。
 
2019 年于美國硅谷登場的一場半導體光刻技術研討會中,業界就提出半導體工藝藍圖雖然在未來 10 年可以一路推進至 1nm,卻可能因光刻膠材料的瓶頸,讓工藝發展到 3nm 節點時就出現警訊。
 
這揭示著要延續摩爾定律的生命,需要整個半導體產業鏈中的材料、設備、制造等各個細分領域齊心協力,像是游戲闖關般解開一道道技術難題,才能順利往目的地前進。
 
 
EUV 是如何成為摩爾定律的推手?
 
業界指出,透過極紫外光 EUV 正式邁入商用化,臺積電和三星都已成功將 EUV 技術導入 7nm 并開始量產,但業界仍是看到一些技術和材料上的隱憂,其中一個巨大的挑戰,就是進入 3nm 工藝,需要成本降低,分辨率更高的 EUV 光刻膠技術。
 
光刻技術的發展歷程中,在初期,半導體大廠也是利用 193nm 沉浸式光刻和多重曝光,將工藝推展至 10nm 和 7nm,但是實現特定圖形變得越來越困難,并且多重曝光也帶來了生產成本的上升。
 
在引入 EUV 光刻技術后,EUV 所扮演的角色是 7nm 邏輯工藝的關鍵光刻層。在芯片制造商引入前,EUV 是由光刻機、光源、光刻膠和光掩膜所組成。
 
過往 EUV 技術的臨界多在光源,因為光源的功率不足,會影響芯片的生產效率,這也是過去多年以來 EUV 技術一直在推遲量產的原因。ASML 花了很多時間解決光源的問題,也在 2013 年收購美國光源制造商 Cymer。
 
 
目前 ASML 的光源功率可以達到 250w,在此功率下,客戶可以達到每小時 155 片晶圓吞吐量; 在實驗室里,則是可以實現超過 300w 的光源功率。
 
光源問題解決后,EUV 技術被提出最多的挑戰即是光刻膠技術的限制。
 
目前 EUV 的瓶頸在光刻膠
 
雖然半導體材料的供應都十分集中,但光刻膠技術應該算是全球集中度最高,且壁壘最高的材料,日本和美國合計占市場份額高達 95%。
 
在 248nm 和 193nm 的光刻中,主流有超過 20 年之久都是使用有機化學放大光刻膠 CAR, 這是一種用來制作圖案成形的光敏聚合物。在 EUV 技術下,光子撞擊 CAR 光刻膠并產生光酸,之后 CAR 光刻膠在曝光后的過程中進行光酸催化反應,進而產生光刻圖案。
 
不過,當 CAR 光刻膠用于 EUV 上,因為光源能量大幅增加,可能會出現不同且復雜的結果,進而影響芯片良率。
 
因此,半導體設備、材料商都想盡各種方式,或者提出新的光刻膠技術解決方案,讓 EUV 技術可以持續使用,延續摩爾定律的壽命。
 
 
近幾年不同的新 EUV 光刻膠技術陸續問世,例如也是液態式的金屬氧化物光刻膠,或是干式的光刻膠等,在整個半導體產業鏈生態中,這是一次材料革新帶來的巨大商機。
 
新EUV光刻膠技術百家爭鳴
 
美國有一家材料商 Inpria 就很積極投入 EUV 光刻膠技術,這是一家 2007 年從俄勒岡州立大學化學研究所獨立出來的公司,傳出之后獲得許多半導體公司如三星、英特爾等投資。
 
Inpria 是研發負性光刻膠,其分子大小是 CAR 有機光刻膠的 5 分之 1,重點是光吸收率可達 CAR 的 4?5 倍,因此能更精密、更準確地讓電路圖形成形。
 
主要是因為,2019 年日本對韓國進行 EUV 光刻膠的出口管制,讓韓國的半導體公司為了尋找替代和創新的解決方案的態度比其他半導體大廠是更加積極。
 
根據估計,韓國半導體有 90% 以上的光刻膠技術是仰賴日本供應,EUV 光刻膠也同樣是高度仰賴日商。
 
三星和臺積電是全球遷移引入 EUV 工藝的兩大半導體廠,雙方從 7nm 一路纏斗至今,臺積電都是一路領先,未來要決勝 3nm 工藝節點,三星必須要在材料上有完全把握,才能再次一宣戰。
 
 
根據調研機構 IC Insights 統計,尺寸小于 10 nm 的半導體產量將從 2019 年的每月 105 萬片晶圓,增加到 2023 年每月 627 萬片,且未來幾年內 EUV 將主導 7nm 以下的大部分工藝技術。
 
7nm 以下先進工藝的產能大增,也代表整個業界對于新的 EUV 光刻膠技術,以及不同來源的材料需求更為迫切。
 
近期還有一種新的 EUV 光刻膠技術,也備受關注,由 Lam Research 和光刻機龍頭 ASML 、比利時微電子中心 imec 聯手研發,提出了一種全新的 EUV 干式光刻膠技術,目的是取代傳統的 CAR 光刻膠,這對于半導體工藝的演進,可能會是一個巨大的突破。
 
 
問芯Voice特別專訪 Lam Research 執行副總裁兼首席技術官 Rick Gottscho。他表示,這個新技術的優勢在于提升 EUV 的敏銳度和分辨率,更可以減少原本 5?10 倍的光刻膠使用量,在成本節約上帶來顯著成果。
 
Lam 獨創提出 EUV 干式光刻膠
 
在當今業界以有機化學放大光刻膠 CAR 和無機光刻膠 n-CAR 為主下,都是采用液態光刻膠技術,只有 LAM Research 提出的新型 EUV 光刻膠技術是基于干式沉積的技術。
 
Gottscho 表示,目前主流的光刻膠技術是 CAR ,是將液態光刻膠搭配涂布機Track設備旋涂到晶圓上,在使用溶劑曝光后去除。
 
Lam Research 開發出來的新式干式光刻膠技術,是有別于傳統液態光刻膠的涂布方式,改在腔體中進行化學反應,讓干式光刻膠在化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)中制造,之后再以刻蝕工藝去除。
 
這樣的 EUV 干式光刻膠的優點在于提升成像的敏感度、分辨率和 EUV 曝光的分辨率。
 
更重要的是,由此新技術改善每片 EUV 工藝晶圓的成本。因為 EUV 設備正被全球半導體大廠引入大量生產中,促使推動半導體技術進入更先進的工藝。
 
Gottscho 強調,Lam Research 的干式光刻膠技術可以使用更低劑量的光刻膠,幾乎是減少 5~10 倍的使用量,就達到更高分辨率,并擴大 process window,EUV 可以更為精準地刻畫電路圖形,同時為客戶節省運營成本。
 
LAM Research 與 ASML,imec 的跨界技術結盟合作是歷史久遠。
 
荷蘭設備大廠 ASML 是 EUV 光刻技術的龍頭,LAM Research 的優勢在于刻蝕和沉積工藝,imec 則是長期專注于研發技術的創新,三方合作有信心可以突破常規傳統,發展出創新的技術,以延展 EUV 技術到更為先進的工藝例程上。
 
半導體業者則分析,傳統的 CAR 光刻膠技術大概從 1980 年代的 248nm 曝光機就開始用了,主要的光刻膠涂布機供應商以日商為首的東電電子 TEL。
 
因此,這次 Lam Research 與 ASML 和 imec 研究出來的 EUV 干式光刻膠技術,可能與日本設備材料廠商形成兩個陣營,沖破既有的半導體技術規則,為產業帶來深遠的改變。
 
 
根據調研機構芯思想研究院(ChipInsights)統計,2019 年全球半導體設備商前 10 強(不含服務收入和部分材料)中,Lam Research 位居第四名,僅次于應用材料、ASML、東電電子 TEL。
 
Lam Research 的長板在于前端晶圓處理技術,包括薄膜沉積、等離子刻蝕、光阻去除、芯片清洗等前道工藝方案、后道晶圓級封裝(WLP)等。三大核心產品分別為刻蝕設備、沉積設備,以及去光阻和清洗設備。
 
國內也有半導體光刻膠的供應商,只是現有技術和市場份額距離國際水平仍非常遠,比較為人所知的五家光刻膠供應商為北京科華、晶瑞、南大光電、容大感光、上海新陽等。


香港正版抓码王111159-香港抓码王免费资料-抓码王每期自动更新图-45111抓码王高手-澳门抓码王176161com