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，自動駕駛汽車已經(jīng)在公共街道上進行測試；無人機正在調(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；固定和移動監(jiān)視都變得司空見慣，服務(wù)器場比以往任何時候都更大，并且4G網(wǎng)絡(luò)正在被5G補充或替代。所有這些趨勢的共同之處在于，它們生成的大量數(shù)據(jù)必須比以往任何時候都更快，更可靠地進行處理，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)計架構(gòu)和更高性能的材料已經(jīng)實現(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現(xiàn)，這使得及時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)的進步而實現(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個用于創(chuàng)建它們的光的波長。這是一個巨大的挑戰(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)計用于較短EUV波長的掩模在本質(zhì)上是不同的，因為它們是反射性的，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。薄膜通常用于保護常規(guī)光學(xué)掩模免受污染，但是用于EUV掩模的防護膜的開發(fā)一直很困難，并且當(dāng)前的防護膜無法承受高功率EUV照明（圖3）。一旦EUV掩模版被污染，要清潔它們是一個巨大的難題。解決方案是設(shè)計專門的防護盒，專門用于處理EUV標線。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。