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关于光刻技术面临的挑战和发展思路

时间:2023-04-23 17:20 作者:小编 分享到:

 光刻技术是微电子制造过程的关键技术是目前最高效的高精度微纳加工技术近年来我国光刻技术取得了快速发展但和国外先进技术相比还有很大的差距中高端光刻机以及光刻胶的关键技术和知识产权均被国外大公司垄断严重依赖进口高端光刻技术几乎由国外技术公司提供因此实现中高端光刻技术自主国产化可以保障我国微电子产业链的健康快速发展从国家安全角度有着重要的战略意义

1 光刻技术简介

      光刻技术是借助光刻胶在特定光源照射下进行曝光再通过显影刻蚀等步骤将掩膜上的图形转移到衬底上的技术光刻技术过程示意图见图]。利用该技术可进行微纳米图形绘制在集成电路光电器件以及微纳机电系统的线路制备中具有广泛的应用光刻技术也衍生了多个分支除了光刻机外还包括光源光学元件以及光刻胶等材料设备形成了极高的技术壁垒和错综复杂的产业版图]。集成电路 集成度已经进入了5nm 的工艺节点三星电子和台湾积体电路制造股份有限公司基于极紫外光刻技术积极推进3~4nm 的芯片开发和制造荷兰阿斯麦公司宣布2021年将推下一代极紫外光刻机面向3nm 工艺

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10我国通过多个大型项目和专项进行光刻技术和产品的攻关取得了较快的发展国产光刻机除实现了90nm 加工线宽之外印制电路板光刻 胶线 光刻胶、 液晶显示器光刻胶和248nm 光刻胶均有不同程度的突破但光刻产业链也存在以下个难点一是作为光刻核心设备的光刻机组件复杂组件技术只被全球少数几家公司掌握二是作为与光刻机配套的光刻胶光刻气体光掩膜等半导体材料和涂胶显影设备等中高端产品主要依赖国外3]。@四川半导体设备公司,四川半导体设备厂家,四川微组装设备----微电瑞芯科技有限公司

2 光刻技术研究进展

     光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版是在一个平面上加工形成微图形4]。按曝光光源来看光刻技术主要有光学光刻和粒子束光刻光学光刻到目前为止仍为最主要的光刻技术在今后发展仍然维持其主流地位技术节点历经几个 更 替, 从1978年 的 1.5μ1μ0.5μ90nm45nm22nm14nm7nm一 直到目 前的5nm]。半导体的发展一直跟随光学光刻技术的不断革新向前稳步推进目前苹果和高通正在积极推进基于5nm 工艺节点芯片的开发和设计
      在日益发展的今天集成电路既要求尽可能缩小器件尺寸又需要高集成度和高运算速度所以对现代光刻技术曝光分辨率也提出更高的挑战理论分辨率是最核心的指 标可以由瑞利判据来计算具体见式
   式中为光刻的理论分辨率λ 为曝光波长为工艺因子与光刻胶材料的性质加工技术以及光学系统成像技术有关;NA 为透镜系统的数值孔径为介质的 折射率θ 为最小分辩角含义是透过透镜中观察个物体可分辨的透镜和个物体之间的最小夹角
      由式 可知降低R 值的方法有一是降低1 二是提高数值孔径 NA三 是 降 低波长在这些方法中提高数值孔径和降低波长是通过改进曝光设备实现的而降低1 因子则是通过更加优化的工艺技术去实现的如在投影曝光阶段提高分辨率技术包括偏振光照明相移掩模板离轴照明等现在光刻技术和设备改进依旧是以降低曝光光源的波长为主并且以后仍然是主要的发展趋势。我司销售四川微组装设备、成都微组装设备、四川半导体设备。策成都半导体设备测平行封焊,主要设备包括:气相清洗机,等离子清洗机等半导体、微组
      我国一直重视对光刻机设备的研究开发2006年 起北京华卓精科科技股份有限 公司从65nmArF干 式 光 刻 机 双 工 件 台通过评审具备投产能力到现在已获得多台订单]。该公司已经完成28nm 及以下节点浸没式光刻机双工件台产品化开发并具备小批量供货能力不仅为国产化浸没光刻机迈进了重要一步而且成功打破了荷兰阿斯麦公司在工件台上的技术垄断这一困境2016年起上海微电子就已经成 功量产90nm110nm280nm3种不同分辨率的光刻机2018中科院研制的 超分辨光刻装备通过验收光刻分辨力达到22nm同时将最新型双重曝光技术应用生产后未来还有希望用于10nm 级别芯片制造批量生产
      极紫外光刻技术已经成为目前我国急需攻克的难点和重点2008年开始国家将极紫外光刻EUVL技术列为 “32~22nm 装备技术前瞻性研究重要攻关任务历经年后长春光机项目研究团队 最终研制出线宽为 32nm 的 极紫外光刻EUV) 投影曝光置, 并且在 1 年后通过验收7]。中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡懿等长春理工大学林景全课题组哈尔滨工业大学李小强等等以及华中科技大学同济大学等相关课题组均对EUVL 的 靶材选取驱动光源设计碎屑处理系统等装置进行了理论和实验研究9]。

      国内光刻胶的研发生产水平与国际相差较大能实现生产的企业主要有北京科华苏州瑞红容大感光飞凯材料三求光固和浙江永太等光刻胶自给率仅为10%国产光刻胶主要集中在技术含量相对较低的印制电路板 PCB领域10]。随着国家对新材料发展的支持力度不断加大近年来国内对光刻胶的研究取得了较大进展例如北京科华开发出248nm 光刻胶并且通过了部分客户的认证193nmArF光刻胶研发工作正在顺利推进11]。三星集团及台湾积体电路制造股份有限 公司目前已经成功量新一代5nm 级别 EUV光刻胶但随着线宽的不断减小EUV光 刻 胶 必 面 临分辨率粗糙度和光敏性 RLS的挑战即在光刻胶的分辨率线条边缘粗糙度 LER和光敏性者之间只能实现个参数的最优化线宽越小LER对图形的影响越大[10]

3 面临的挑战

      我国光刻技术取得了很大的进展但和国外先进水平还有比较大的差距所面临的挑战主要有以下几个方面
    (缺乏高性能光刻机制造技术光刻机市场目前几乎被荷兰阿斯麦日本尼康和佳能和中国上海微电子家所把持其中荷兰阿斯麦占据了高端光刻机市场份额目前最高可达到2nm 制 程日本尼康和佳能处于中低端市场而上海微电子目前只有低端光刻机市场上海微电子的光刻机目前只能实现90nm 工艺制程据称其在2021开 始推出28nm制程光刻机但与高性能光刻机差距较大而且高端光刻机集合了全球各国最顶尖的科技德国的蔡司镜头技术美国的控制软件和光源日本的特殊复合材料等反观我国光刻机配套设备产业链极度缺乏可替代性差

    (高端光刻胶几乎依赖进口供应光刻胶的生产企业主要集中在美国日本欧洲以及韩国等国家或地 区其中日本占有最大的光刻胶市场份额生产企业有日本富士胶片日立化成东京应化三菱化学旭化成住友电木和住友化学等中国大陆集成电路 IC光刻胶市场规模估计仅为15亿20亿元约占全球光刻胶市场的15%国内光刻胶行业起步较晚国内企业市场占有份额极低适用于英寸硅片的G/I线光刻胶的自给率约为20%适用于英寸硅片的 KrF光刻胶自给率不足5%而适用于12寸硅片的 ArF光刻胶完全依靠进口13]。

    (光刻原材料自给率低半导体制造材料种类多技术含量高主要包括硅片电子气体光掩膜光刻胶配套化学品抛光材料光刻胶湿法化学品与溅射靶材等其中半导体硅片为主要原材料为半导体制造最基本光刻原料目前国内仅有上海硅产业集团中环股份金瑞泓企业具备英寸半导体硅片的生产能力12英寸半 导体硅片主要依靠国外进口自主率非常低不仅硅片市场基本由国外大型公司所垄断其他超纯原材料市场也是依靠大量进口

    (人才短缺企业生存和发展的基础是人才既需要优秀的研发人才也需要高素质的技术工人然而该行业人才十分短缺我国微电子学科被列为电子科学与技术学科下的二级学科导致教育资源投入和每年招生人数都受到严格地限制国内半导体企业的规模小且待遇低导致较多的毕业生选择改行使得本已紧缺的状况雪上加霜人才紧缺成为制约我国半导体发展的最大障碍

4 我国光刻技术的解决思路

       高端光刻技术的掌握对我国发展具有深远意义从现在看来发达国家对光刻技术的转让和出口严格管控高端光刻设备和光刻胶产品均采取禁售或限售严重影响我国相关产业积极健康发展光刻技术的自主国产化必须是从原料自主生产光刻胶自主研发光刻机相关设备自行制造等一系列国产化才能摆脱技术封锁尴尬现状结合我国 光刻技术的发展现状建议主要从以下几个方面入手解决
    (光刻胶方面整合现有资源提升整体竞争力对国内现有的光刻胶企业进行整合集中优势力量攻克光刻胶核心技术避免低效率开发模式结合国内集成电路制造的发展趋势由政府牵头制定国内集成电路用光刻胶的技术发展路线统筹部署提升整体竞争力实施集团化发展战略全面布局光刻胶业务在整合模式上建议采用集团化发展战略建立集团公司光刻胶的研发生产销售原材料的供应由下属的 业务分公司负责集团公司对子公司实施控制与管理统一制定集团的光刻胶发展战略定位明确目标清晰全面布局光刻胶业务建立先进光刻胶研发基地布局 EUV 等先进光刻胶研发EUV 光刻胶是 EUV光刻能否应用在7nm以下先进工艺节点的核心关键因 素目前国外领先 的光刻胶企业纷纷加大EUV 研发力 度国内在 EUV领 域 落 后 较 多建议依托上海集成电路材料研究院建立先进光刻胶研发基地布局EUV 等先进光刻胶研发加强国际合作实现国产替代目前光刻胶领域的最领先技术主要被国外龙头光刻胶企业所掌握建议加强与国际光刻胶巨头的交流与合作吸取国外先进的光刻胶技术与管理经验提高光刻胶自给率逐渐实现国产完全替代
    (光刻机方面加大对光刻机的研发资金投入而尽可能延长老式光刻机的使用寿命改进或改良现有的光刻机使其能够改善光刻分辨率应对更高的产品要求降低更新换代的成本投入设计新型光刻机时考虑往后升级拓展性采取模块化设计可以大大降低维护和升级的成本费用同时采取软件升级举措不但用户可以实时更新软件发挥机器的最佳性能协助厂商优化其生产效能厂商也可以第一时间获取机器运转状态帮助解决突发状况同时需要突破硅晶圆的国产化和覆盖种类全面等难题以及其他材料的全产业链国产化
    (政策引导和推进重大专项发展制定和完善产业税收的优惠政策提高政策的针对性和稳定性引导企业在研发上与其他企业进行合作避免重复投资促进产业整合适度扩大优惠的范围优惠政策在促进产业健康发展的过程中促进产业链之间的整合形成覆盖整个光刻产业链的低风险体系14]。2021年以后政府提供新的关 于光刻技术重大专项并且推进未完成专项继续发展执行应该在总结经验和教训的基础上补齐短板解决从无到有的问题力争在5高端存储器和高端传感器等关键技术上取得突破进一步缩小与发达国家之间的差距

    (基础研究和人才培养支持各类基础科研项目的专 项开展制约光刻技术国产化的基础研究并提前布局探讨和研究全新的成像策略以及配套设备和材料体系集成电路近期被国家学位委员会设置为一级学科通过加强该学科的建设更好地配置教育资源使人才培养与产业发展需求相匹配实现产学研结合此外地方政府要进一步加大引进人才政策优惠幅度并以优先落户政策留住人才要坚持内培与外引并举大力发展职业培训开展继续教育

5 结 语

      面对日益严峻的外部贸易环境攻克光刻技术难点和发展光刻技术产业链国产化是保持我国在国际高端科技领域掌握话语权的唯一方法加大推进EUV 光刻胶的研发和投入国内相关产业界及时关注和跟进其技术研发动态提高中低端光刻机购买数量建立完整的产业制造链优化现有的光刻产业结构扩大国内市场需求实现产业内循环并在国家政策和专项支持下鼓励企业勇于创新加强基础 教育研究投入激励光刻技术多元化发展以培养专业光刻技术人才为主加大国外优秀人才引入积极推动企业高校研究机构等各个创新主体开展国际科技合作提升集成电路领域的科技创新能力

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