解讀SPIE 2019，中國光刻技術差距有多大？

SPIE先進光刻技術會議（SPIE Advanced Lithography2019）是全球領先的光刻技術盛會，於北京時間2月24日到2月28日在美國加州聖荷西會展中心召開。大會涵蓋諸如光學光刻技術、EUV光刻技術、新型圖案化技術、測量、檢測和光刻工藝控制、材料及工藝改進、設計工藝協同優化以及先進刻蝕等領域的先進光刻與圖形化技術。對於材料供應商、設備製造商及先進晶元生產商來說，都是不可錯過的一場技術大餐。

來源：SPIE 2019

SPIE涵蓋廣泛，議題眾多，不是簡單的一篇文章所能完整包括的。本文主要聚焦於本次會議的幾個熱點話題，供關注半導體產行業的朋友們參考。

量子計算：未來智能應用的引擎

特邀演講嘉賓Dario Gil博士來自於IBM Research，他是其74年歷史上的第12位主管。在擔任目前的職位之前，Gil博士曾擔任IBM Research的首席執行官、AI和Quantum Computing的副總裁。在大會上，他做了「未來是量子的」開幕式演講，概述了計算機和量子計算的發展過程，及量子計算對未來技術的意義，並討論了未來發展面臨的挑戰，強調了光刻和納米圖形製備技術對智能應用的必要性與重要性。

來源：SPIE 2019

Gil博士首先回顧了計算機發展的歷史，他認為20世紀一些最重要的技術進步是由過去幾十年的基礎科學探索所推動的，其最初目的只是為了擴大人類的理解。這個時代見證了「經典」計算機的誕生和廣泛使用，這些計算機將信息表示為比特0和1。儘管人類在過去的一個世紀里不斷地取得了計算上的進步，但仍然存在很多「經典」計算機無法解決的重要和相關的問題。

來源：IBM

展望未來，他認為我們正在見證一種新的計算範式——量子計算的快速發展。量子計算利用了量子力學在自然界中的規律，代表了從經典信息處理的根本變化。量子行為的兩個性質——疊加和糾纏——可能讓量子計算機有一天能夠解決當今傳統經典機器難以解決的問題。

來源：IBM

這種新的計算使用量子比特，可以解決困擾經典計算機的問題。新型計算機的出現並不意味著舊的技術會消失。Gil預言將會有經典和量子計算機共存，以及那些基於人工智慧和生物系統的計算機。最好的工具和技術將由具體的任務決定。

正如Gil所說，「這將決定我們如何解決問題。」

EUV光刻：半導體產業的加速器

EUV光刻機終於可以投入生產了！

卡爾蔡司的高級首席科學家Bernd Geh在2月25日的主旨演講中說：「EUV光刻技術有了顯著的進步」，儘管這比原計劃晚了幾年。

那麼，為什麼必須使用EUV？

這與當前人類社會的快速發展密不可分。在此情況下，數據流量呈指數增長，每隔幾年就有幾倍的流量增長。這可以通過增加伺服器、伺服器中的晶元或晶元中的晶體管的數量來處理，而最後一個是最具有成本效益的，這就是為什麼EUV的上市對人類社會如此重要。

來源：SPIE 2019

今天，最先進的半導體技術在最苛刻的層上使用的依然是應用了許多年的193nm浸沒式結合多重曝光技術，在繼續發展中，它將面臨越來越多的問題與挑戰。相比之下，EUV的波長約為13.5nm，明顯要短得多。因此，EUV光刻能夠在一次光刻過程中對7納米節點的最精密的關鍵層進行圖案化。

EUVL作為一種技術，需要在光源、掩模、光刻膠等方面不斷取得進展直到在行業能夠更為成熟的使用。在討論還有多少空間可以改進時，Geh粗略計算了光子計數波動引起的理論極限。在半導體製造的微觀尺度上，光子的離散性變得越來越明顯，光子與光刻膠相互作用的數量隨時間而變化，這種隨機變化導致了諸如邊緣粗糙或橋接、接觸孔缺失等問題。根據統計，解析度公式中係數K4應該大約為0.75，而其觀測值介於4和8之間，這表明光刻膠、刻蝕和其他加工還可以進一步完善。

來源：SPIE 2019

Geh在演講後的問答中說，挑戰在於「充分利用那些已經被吸收的光子要比我們現在所採用的手段更加有效」。

IMEC的設計自動化經理RyoungHan Kim在他的主旨演講中說，EUVL將首先用於金屬、金屬接觸或通孔之中。他指出，半導體特徵圖形的穩定收縮在某些層已經放緩。然而，金屬層和通孔層卻以相同的恆定速度繼續變小，這意味著這些層需要EUV光刻機的高解析度。儘管如此，在幾年內，對於最嚴格的金屬設計規則，屆時單次EUV光刻便無法滿足要求，而需要進行多次EUV光刻。

變革永不停息！

3D NAND：持續堆疊導致了更多困難與挑戰

來自TechInsights的高級技術研究員（Fellow）Jeongdong Choe在大會上做了3D NAND技術：路線圖、工藝、設計與挑戰的開幕式報告。他指出，二維NAND快閃記憶體器件在製造方面仍然存在許多技術障礙和問題，如四重圖形曝光技術（SAQP）、氣隙技術、串擾/干擾和CG/FG失偏，因此三維NAND快閃記憶體架構是克服平面技術局限性的一個機會。手機中的存儲晶元已經不是在二維平面上構造，而是將存儲單元堆疊起來。堆疊會顯著增加可用內存密度，目前每平方毫米允許容量達6G之多。這就是為什麼3D NAND快閃記憶體技術在工業和商業市場上都很受歡迎並在持續向前推進的原因所在，是包括固態硬碟和大容量數據在內的非易失性存儲器件最突出的集成解決方案之一。

來源：SPIE 2019

展望未來，他預測在幾年內將有多達500層的堆疊存儲晶元出現。反過來，這將導致晶元能夠存儲更多的信息，從而使手機成為這類存儲器的主要市場，甚至應用在更強大的設備上。

隨後，來自ASML的Steven Steen和LAM Research的介質首席技術官Bart van Schravendijk一起聯合做了一個特邀演講報告。在演講中，他們首先簡要回顧了3D NAND器件的構建順序，然後便將主要焦點轉移到了3D NAND圖形化製造過程中的幾個關鍵問題，並討論了其在製造工藝上需要做的必要折中。

來源：SPIE 2019

他們稱，當前向3D NAND器件的過渡比過去任何一個HVM器件都驅動更大的工藝和集成複雜性。節點轉換現在關注的是增加堆疊層數量，而不是橫向微縮，這帶來了一系列新的挑戰。

在整個工藝流程中，薄膜應力至關重要。薄膜應力取決於材料和工藝，但也取決於集成和設計。在構建過程中，薄膜應力的不完全管理會留下殘餘應力，殘餘應力表現在襯底材料的局部和整體變形中。特別是隨著堆疊層數的增加，應力的影響將逐漸放大，如下圖所示。為了盡量減少對器件良率的影響，在整個過程中，都需要與先進的聚焦和對準檢測設備相結合，通過一系列工藝和設備調試，最大限度的降低應力。

來源：LAM

在以上的報告中，特邀演講嘉賓們討論了3D NAND圖形化製造帶來的技術挑戰，展示了工藝創新是如何改變半導體世界的——不是顛倒的，而是從水平到垂直。同時，晶元結構的巨大變化為沉積、刻蝕和光刻技術帶來了新的要求，這不僅使得存儲技術能夠更快的向前發展，還使得所有的工程師都一直保持著非常高的壓力。

國內參會情況

仔細查看會議的Final program，可以發現一共有18篇來自中國大陸的報告，其中發言報告1篇，其餘全是牆報。這惟一的1篇口頭報告，並非來自於國內材料供應商、設備製造商或晶元生產商，而是來自於計算光刻，一定意義上無法反映出當前國內相關產業的實際發展情況。這令人惶恐，非常窘迫。

半導體行業的材料與設備是牽動行業壯大發展的關鍵，而光刻相關領域技術壁壘高，國內尚未掌握關鍵核心技術，尤其高端光刻機更是「工業皇冠冠上的明珠」。目前90納米國產高端光刻機已經順利驗收交付，為國內集成電路半導體裝備行業跨出關鍵性的一大步，但是最先進的光刻機仍是最困難的一個環節。

對於光刻膠材料來說，當前世界上最先進的技術已經發展到了7nm工藝節點，而光刻膠專用化學品的化學結構特殊、品質要求極高、微粒及金屬離子含量要求苛刻，生產、檢測、評價設備投資大，需要長期的技術積累，而且需要結合具體的工藝技術代進行反覆調試、優化與迭代改進，這些特點使得國內的光刻膠發展一直都較為滯後，與國際先進水平還存在著巨大的差異。這種現象在SPIE會議上再一次得到了充分驗證，與我們所感知到的實際情況非常吻合。

任重道遠啊！

如果在某一年的SPIE會議上，我們能夠看到有眾多來自國內的材料、設備和晶元製造商們在會場上做口頭髮言報告，我相信屆時中國的半導體產業絕對是位居一流之列了。

讓我們拭目以待，期望那一天早日到來！

結語

在之前結束的SPIE 2019國際先進光刻技術大會上，我們不僅能夠看到過去一年全球半導體產業取得的成果，還能看到國際上非常多的研究機構披露了很多的產業或研究最新進展情況，當然，還能看到未來產業發展所要面對的新問題、新情況、不斷湧現的困難與挑戰。通過本次大會，我們不僅能夠從感覺上，也能從真實的冷冰冰的數據上看到國內相關半導體產業與世界先進水平的巨大差距。

在中美貿易戰大背景下，在日益保守的半導體產業形勢下，中國半導體產業的發展靠什麼，如何確保不在競爭的大潮下日益落伍，又當如何早日的進入到國際一流方陣，而每一個從業者又能做什麼，中國半導體產業的發展關鍵又是什麼？

只有永不停歇的流逝的時間能夠告訴我們這一切的答案。

作者的話：本文主要聚焦了本次會議的幾個熱點話題，並且由於眾所周知的原因，我不得不把一些技術細節屏蔽掉。另外，儘管其他方面的內容也非常重要，卻超出了一篇文章所能承載的範圍，但是會在後續的文章中繼續報道。如果你對先進器件製造技術、工藝與集成、新型器件及與其密切相關的材料與設備技術非常感興趣，並樂於指出我在文中的不當表述，或想進行更多的補充，或期望與我進行更進一步的討論，可在後台留言或留下聯繫方式！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！