Cost matters。用中國(guó)話(huà)說(shuō)就是“成本猛于虎”。

半導(dǎo)體業(yè)人士最大的夢(mèng)想莫過(guò)于以最小的成本投入換取最大的回報(bào)。因此，按比例縮小、在單片晶圓上制造出更多的芯片是創(chuàng)新最強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，它影響著成千上萬(wàn)的工程師們前赴后繼，并推動(dòng)大規(guī)模的企業(yè)投資。

“看似尋常最奇崛，成如容易卻艱辛?！币?yàn)椤敖K結(jié)”畢竟會(huì)發(fā)生，很難想象器件的柵能比原子的半徑還小。好在光刻的持續(xù)進(jìn)步將有助于推動(dòng)未來(lái)幾個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的到來(lái)。后ArF時(shí)代的光刻征途儼然開(kāi)始了。

計(jì)算光刻的春天
計(jì)算光刻無(wú)疑是摩爾定律連續(xù)跨越4大技術(shù)節(jié)點(diǎn)的歷程中較為輝煌的一個(gè)故事。過(guò)去半導(dǎo)體芯片主要通過(guò)物理特征的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)按比例縮小，包括通過(guò)減小光刻波長(zhǎng)、增大數(shù)值孔徑（NA），以及形成可實(shí)現(xiàn)化學(xué)放大的光刻膠。從特征尺寸進(jìn)入180nm開(kāi)始，軟件成為芯片按比例縮小的主要推動(dòng)力（圖1）。

“計(jì)算光刻的原理是將軟件體系結(jié)構(gòu)和高性能計(jì)算與掃描設(shè)備、光刻膠和刻蝕工藝結(jié)合起來(lái)，形成可通過(guò)校正掩膜形狀來(lái)彌補(bǔ)物理范疇的不足的系統(tǒng)?！盇SML的臺(tái)灣區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)總監(jiān)Peter Cheang博士這樣總結(jié)何謂計(jì)算光刻。

計(jì)算光刻運(yùn)用了一系列的數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)改善光刻掩膜版的性能。這些技術(shù)包括：分辨率增強(qiáng)技術(shù)（Resolution Enhancement Technology，RET)、光學(xué)臨近修正技術(shù)（Optical Proximity Correction，OPC)、照明光源與掩膜圖形的相互優(yōu)化技術(shù)（Source Mask Optimization，SMO)。其中最具前景的計(jì)算光刻技術(shù)在源掩膜優(yōu)化（SMO）領(lǐng)域（圖2）。一直以來(lái)，芯片廠(chǎng)商對(duì)各個(gè)制造工藝步驟的優(yōu)化都是獨(dú)立進(jìn)行的，然而當(dāng)發(fā)展至32nm及更小節(jié)點(diǎn)時(shí)，這種獨(dú)立的優(yōu)化模式便不再適用。

“SMO不僅僅指對(duì)掩膜單獨(dú)進(jìn)行修改，而是在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)光源和掩膜同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。光源掩膜優(yōu)化還可能大幅增加193nm掃描型光刻機(jī)可加工的工藝窗口，可將其延伸至16nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)?！盤(pán)eter Cheang博士說(shuō)，“過(guò)去，進(jìn)行一種產(chǎn)品的研發(fā)都需要在真正的硅片上真刀實(shí)槍的進(jìn)行，流片過(guò)程涉及各項(xiàng)工藝，再加上繁瑣的檢測(cè)，往往一個(gè)周期耗時(shí)幾個(gè)月之久。如果引入計(jì)算光刻，特別是SMO技術(shù)，那么一切都變成數(shù)字化和虛擬化的過(guò)程。也就是說(shuō)，通過(guò)相關(guān)的軟件，將參數(shù)、圖形等數(shù)據(jù)輸入，即可在極短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)研發(fā)流程。既縮短了時(shí)間，又節(jié)約了生產(chǎn)線(xiàn)流片的成本，相關(guān)光刻性能也會(huì)更好?，F(xiàn)在的4X、3Xnm的關(guān)鍵層均采用了SMO技術(shù)?！?br>
過(guò)去，掩膜設(shè)計(jì)人員首先從與目標(biāo)晶圓圖形相似的掩膜圖形著手，對(duì)掩膜的特性進(jìn)行小范圍調(diào)整，直到獲得所需的晶圓結(jié)構(gòu)為止。該方法在2Xnm節(jié)點(diǎn)處開(kāi)始失效，因?yàn)?93nm的光刻延伸至一個(gè)極端次波長(zhǎng)范圍。因此，在2Xnm節(jié)點(diǎn)上使用反向光刻技術(shù)（ILT）和SMO等模擬計(jì)算光刻技術(shù)變成可行。ILT通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的掩膜圖形和大量非常細(xì)小的結(jié)構(gòu)，使掩膜生產(chǎn)變得非常困難。更有甚者，SMO涉及到計(jì)算不均勻的掃描機(jī)光強(qiáng)分布。該分布旨在與ILT掩膜一起，在晶圓上呈現(xiàn)最佳的光刻效果。

然而，計(jì)算光刻方法也需要占用資源。早期的全芯片仿真需要一百萬(wàn)個(gè)CPU小時(shí)，盡管從此之后的EMF反推流程可以獲得更高的效率。一旦設(shè)計(jì)收斂，就需要在光刻掩膜上制作實(shí)際的圖形，之后進(jìn)行檢驗(yàn)和修補(bǔ)。在整個(gè)芯片上采用該方法與分隔出批次控制晶圓的成品率類(lèi)似，這是一個(gè)工藝開(kāi)發(fā)完成的信號(hào)。其它的挑戰(zhàn)包括為獲得同樣的相移需要進(jìn)行的點(diǎn)陣（與尺寸無(wú)關(guān)）腐蝕、最終掩膜檢查和缺陷修補(bǔ)。

Peter Cheang博士介紹說(shuō)，ASML目前提出了一體化光刻技術(shù)，即在芯片設(shè)計(jì)階段就將實(shí)際生產(chǎn)中的不穩(wěn)定性考慮進(jìn)來(lái)，整合所有步驟，使用實(shí)際的光刻機(jī)配置和調(diào)節(jié)功能，以工藝窗口最大化為目標(biāo)來(lái)創(chuàng)建瞄準(zhǔn)指定工藝節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用的設(shè)計(jì)。使光源掩膜和照明源實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，以獲得最大的工藝窗口。 在制造過(guò)程中，一體化光刻技術(shù)充分利用獨(dú)特的測(cè)量技術(shù)和反饋回路，監(jiān)控套準(zhǔn)精度及CDU性能，使系統(tǒng)持續(xù)以工藝規(guī)格為中心，能夠讓光刻機(jī)性能維持在預(yù)先定義的基準(zhǔn)范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)最佳工藝窗口，并提高產(chǎn)品良率。

在推動(dòng)計(jì)算光刻技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，模型化的OPC也功不可沒(méi)，它滿(mǎn)足了從90nm到20nm及其以下工藝中對(duì)整個(gè)芯片上CD均勻性（CDU）的要求。由于未來(lái)對(duì)CDU的目標(biāo)要求會(huì)更加苛刻，對(duì)整個(gè)芯片級(jí)的光刻性能優(yōu)化將會(huì)變得非常重要和極其必要。針對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行校準(zhǔn)的模型化OPC，就必須在整個(gè)芯片級(jí)的CD校正和認(rèn)證上提供可靠的精確度。

通常的OPC模型僅僅局限在所校準(zhǔn)的光學(xué)和光刻膠的狀況，每次任何一個(gè)光學(xué)設(shè)置發(fā)生改變，這種模型就要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。為了能夠在采用現(xiàn)有涂膠工藝情況下對(duì)即將采用的新一代曝光設(shè)備預(yù)先進(jìn)行光刻工藝的表征，就需要一個(gè)完全分離型的光刻模型。因此，光刻膠、成像設(shè)備和掩膜模型都必須相互獨(dú)立，這樣才可使現(xiàn)有的光刻膠和掩膜模型能與新一代光學(xué)配置模型相結(jié)合。

盡管前景美好，但計(jì)算光刻依然面臨著節(jié)點(diǎn)縮小帶來(lái)的不少問(wèn)題（圖3）。比如說(shuō)OPC層數(shù)的增加、圖形密度的復(fù)雜度、越來(lái)越高的計(jì)算精度、所需的模型精度等等。



EUV光刻：想說(shuō)愛(ài)你不容易！
當(dāng)193nm浸入式光刻在32nm制程中風(fēng)生水起，甚至有望在22nm光刻技術(shù)之爭(zhēng)中再次獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷時(shí)，人們不禁發(fā)出感嘆，193nm會(huì)成為“最后的波長(zhǎng)”嗎？

但是，22nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，浸入式光刻將面臨很多的難題：采用昂貴且復(fù)雜的雙重圖形技術(shù)時(shí)，怎樣將圖形友好的分離，這需要進(jìn)行分離算法和相關(guān)的強(qiáng)大軟件；在兩次曝光時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)并抑制交叉曝光所引起的臨近光學(xué)效應(yīng)；雙重曝光導(dǎo)致產(chǎn)率降低約40%之巨，那么成本上的劣勢(shì)如何彌補(bǔ)？浸入液的折射率預(yù)計(jì)將高于1.6，相關(guān)的材料能否配合？

193nm遇到的困局為EUV光刻打開(kāi)了大門(mén)。

“物理就是物理，無(wú)論采用怎樣的方法來(lái)延長(zhǎng)193nm的使用壽命，極限還是會(huì)達(dá)到。” Peter Cheang博士說(shuō)，“盡管浸入式方法增大了NA，但其增大畢竟有限，最終分辨率的進(jìn)一步提高仍然需要在減小波長(zhǎng)方面尋找出路。EUV將在未來(lái)的10年內(nèi)為光刻的進(jìn)一步發(fā)展提供很大的幫助?！盵!--empirenews.page--]
EUV的波長(zhǎng)為13.4nm，比ArF準(zhǔn)分子激光在水中的等效波長(zhǎng)還小一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)22nm來(lái)說(shuō)，數(shù)值孔徑NA只需2.5，而k1則可提高到0.6。EUV技術(shù)原本被寄希望于在65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)被采用，但是隨著浸入式光刻、雙重圖形等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，它嶄露頭角的日子不斷的推遲。甚至有人質(zhì)疑是否真的需要EUV？

EUV技術(shù)一直以來(lái)阻礙開(kāi)發(fā)的問(wèn)題包括：缺少光掩膜、光源功率和光刻膠。另外，每臺(tái)光刻機(jī)的售價(jià)可能高達(dá)驚人的7000萬(wàn)美元。TSMC的納米制像技術(shù)發(fā)展處資深處長(zhǎng)林本堅(jiān)博士說(shuō)：“人家說(shuō)魔鬼在于細(xì)節(jié)；我要說(shuō)，魔鬼在于掩膜、光源功率和成本。”

為了獲得每小時(shí)生產(chǎn)100片晶圓的產(chǎn)能，EUV光刻要有可以生成100瓦持續(xù)功率的功率源。迄今為止，最好的功率源在猝發(fā)模式下也只能生成四分之一的持續(xù)功率。Peter Cheang博士說(shuō)：“光源直接影響生產(chǎn)率。2010年ASML出貨的第二代EUV光刻機(jī)的功率為100W，預(yù)計(jì)將在20102年推出的第三代則會(huì)將功率提高至200W，生產(chǎn)率會(huì)達(dá)到125片/小時(shí)。”

Cymer市場(chǎng)及光刻應(yīng)用副總裁Nigel Farrar認(rèn)為，光源對(duì)于光刻機(jī)的重要性不言而喻，沒(méi)有光源的匹配，一切圖形成像都無(wú)從談起。根據(jù)Cymer的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（表1），在2011年量產(chǎn)的第一階段，Cymer提供的EUV光源功率將>100W；第二階段為2011-2013，功率將>250W；到了第三階段，即2013-2016年，功率將大于350W。EUV的發(fā)展一路上伴隨著的是爭(zhēng)議和高研發(fā)成本，Nigel Farrar對(duì)EUV的未來(lái)應(yīng)用表示非常樂(lè)觀(guān)，并會(huì)繼續(xù)EUV的研發(fā)投入，在2011年會(huì)實(shí)現(xiàn)LPP EUV光源的商品化。

成本問(wèn)題更是使得EUV投入市場(chǎng)進(jìn)展緩慢。EUV設(shè)備成本可能高達(dá)4000萬(wàn)到6000萬(wàn)美元，是有史以來(lái)最貴的光刻技術(shù)，掩膜成本將比193nm浸入式高50%，其激光脈沖的成本可能高出3倍。

EUV技術(shù)使用的波長(zhǎng)太短，所以只能使用反射式光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)為了減少散射和相差，掩膜表面必須保持原子尺度的平整。相移掩膜（PSM）上任何微小的圖形變化都可能引起隨機(jī)的相移，這無(wú)疑增加了PSM的技術(shù)難度。此外，還有無(wú)缺陷掩膜的制備、檢查與修正，光學(xué)部件的功耗、散熱和溫度控制，以及表面起伏引起的散光等問(wèn)題。與如今使用的傳統(tǒng)光刻工具大相徑庭。工藝步驟在多反射鏡真空室里面進(jìn)行。光學(xué)元件基本上是沒(méi)有缺陷的反射鏡，這些反射鏡通過(guò)層間干擾來(lái)反射光線(xiàn)。

盡管人們看到了EUV光刻技術(shù)取代計(jì)算光刻技術(shù)的可能性，但EUV的開(kāi)發(fā)進(jìn)度延期使之未成為現(xiàn)實(shí)。取代過(guò)程是漫長(zhǎng)和艱難的，幾種光刻技術(shù)互補(bǔ)互利、此消彼長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

壓印光刻與電子束直寫(xiě)勝算幾何？
自從1996年美籍華人史蒂芬.周首先提出了納米壓印光刻(NIL)技術(shù)的概念后，在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)科研領(lǐng)域的高潮。眾多的文章中都提到納米壓印光刻很有可能取代現(xiàn)有步進(jìn)式光刻成為下一代主流光刻技術(shù)，是EUV最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

納米壓印技術(shù)的原理比較簡(jiǎn)單，通過(guò)將刻有目標(biāo)圖形的掩膜板壓印到相應(yīng)的襯底上——通常是很薄的一層聚合物膜，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移后，然后通過(guò)熱或者UV光照的方法使轉(zhuǎn)移的圖形固化，以完成微納米加工的光刻步驟。其相對(duì)成本很低，已經(jīng)在微流體、微光學(xué)系統(tǒng)獲得了應(yīng)用。它具有高分辨率、高產(chǎn)能以及低生產(chǎn)成本等特性。納米壓印的方法目前主要有三大類(lèi)，即冷壓印、熱壓印和軟模壓印。

冷壓印是用石英模具做冷壓，用紫外固化（圖4）。由于無(wú)需加熱等過(guò)程，只需要紫外曝光固化，對(duì)準(zhǔn)精度和產(chǎn)能相對(duì)于熱壓印都有大幅度的改善。這種方法可以做很細(xì)的線(xiàn)條。問(wèn)題就是清洗和對(duì)顆粒的敏感。

熱壓印技術(shù)（圖5）以硅或者鎳材料的硬質(zhì)模板和熱塑性壓印材料為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)大面積高精度的模板結(jié)構(gòu)復(fù)制。這種方法主要不是用來(lái)做IC的。而是加工一些塑料基板。在微流體方面的應(yīng)用非常廣泛。這也許是目前壓印技術(shù)得到應(yīng)用的領(lǐng)域。但是它需要的圖形尺寸是幾十微米的量級(jí)。
軟模壓印技術(shù)（圖6）使用軟質(zhì)聚合物模板，可以在很大面積上配合基底的不平整表面實(shí)現(xiàn)均勻接觸，從而在很低的壓力下使得大面積一次壓印成為可能。這是很新的技術(shù)。主要的優(yōu)點(diǎn)是可以加工細(xì)線(xiàn)條，同時(shí)對(duì)顆粒不敏感。也許這是納壓印得到應(yīng)用的希望。



納米壓印的困難是明顯的。首先是模具的制作。由于壓印是1:1的技術(shù)，也就是說(shuō)實(shí)際的圖形尺寸就是模具上圖形的尺寸。制作的價(jià)格可想而知。在目前的光刻中由于是投影式的，所以掩膜板上的圖形是實(shí)際圖形的4倍。其次是模具的損耗。由于模具很貴，所以不能出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。但是由于是接觸式的工藝，不能保證不被損壞，特別是圖形很小時(shí)更容易被損壞。對(duì)于市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，只有現(xiàn)有的技術(shù)能繼續(xù)做下去，那么納米壓印進(jìn)入IC生產(chǎn)的可能性就不大。

成功的將納米壓印光刻技術(shù)引入大規(guī)模生產(chǎn)需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)客觀(guān)條件：低成本和高質(zhì)量。SUSS MicroTec中國(guó)區(qū)總經(jīng)理龔里博士說(shuō)：“納米壓印的技術(shù)我們討論了許多年了，但是這種方法總不能在工業(yè)界實(shí)現(xiàn)突破。這中間的原因我想有下面幾點(diǎn)：1）因?yàn)閴河∈切枰嗷ソ佑|的。相互接觸就會(huì)產(chǎn)生顆粒。有了顆粒壓印的成品率就會(huì)有大問(wèn)題；2）壓印模具的清洗是一個(gè)大問(wèn)題。我們總不能做幾片就清洗一次吧？而接觸后就一定會(huì)有粘污，有沾污就免不了清洗。這就會(huì)增加成本，這是工業(yè)界不想要的；3）另一個(gè)很重要的原因是我們現(xiàn)有的光刻系統(tǒng)總能在人們認(rèn)為到了極限的時(shí)候有新的發(fā)展。它總能在最關(guān)鍵的時(shí)候拿出做下一代產(chǎn)品的方法。這讓別的技術(shù)很難進(jìn)入。工業(yè)界是保守的，不到頭就是會(huì)用老的技術(shù)?！?br>
林本堅(jiān)博士則非常看好多電子束直寫(xiě)技術(shù)（Multi-e-beam direct write），并認(rèn)為在22nm及更小節(jié)點(diǎn)，該技術(shù)將比EUV更勝一籌。多電子束直寫(xiě)是從電子束直寫(xiě)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種無(wú)掩膜光刻技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)直接控制聚焦電子束在光刻膠表面形成圖形。長(zhǎng)久以來(lái)，電子束直寫(xiě)被用于制備掩膜和小批量新型器件。多電子束直寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)是不需要掩膜，分辨率可高達(dá)7nm，缺點(diǎn)是產(chǎn)率太低，成本仍然過(guò)高。[!--empirenews.page--]

多電子束直寫(xiě)技術(shù)使用超過(guò)10000個(gè)電子束來(lái)并行直寫(xiě)，產(chǎn)率已經(jīng)可以達(dá)到5-60wph。設(shè)備成本約為2000萬(wàn)美元，相較于193nm浸入式光刻和EUV要低很多。多電子束直寫(xiě)可用的最大景深達(dá)到650nm，其高分辨率確保了較高的拓展性，預(yù)計(jì)可達(dá)到11nm或更小節(jié)點(diǎn)。

目前，多電子束直寫(xiě)面臨的主要問(wèn)題是如何獲得高能量的電子束源，以及數(shù)量龐大的平行電子束，怎樣處理海量的直寫(xiě)數(shù)據(jù)等。不過(guò)比起大熱的193nm浸入式光刻和EUV，多電子束直寫(xiě)獲得的矚目程度還有待加強(qiáng)，研發(fā)投入力度仍需大力支持。

如果做一個(gè)樂(lè)觀(guān)的總結(jié)，即使成本真的“猛于虎”，其“猛”也是反映出了光刻技術(shù)和半導(dǎo)體制造的轉(zhuǎn)型之勢(shì)，以及它帶動(dòng)和激發(fā)的創(chuàng)新及潛在之力。按經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，只要投入的成本最終能獲得更高的利潤(rùn)，這也是一筆劃算的買(mǎi)賣(mài)，只是我們需要更多的耐心和精力。