春节在家,与众多Fab厂工程师以及一线光刻工程师交流甚多,大家不约而同地提及到了国产光刻胶的问题,于是将大家的观点进行了汇总,让大家更直观的了解他们眼中的国产光刻胶情况。
第一部分主要讲一下专业人士眼中的光刻工艺与技术难点
光刻,顾名思义,用光进行雕刻,以光为工具将光罩(mask)上的图案转移到晶圆上的过程,听起来很简单,但要想实现这个图形的转移,过程很复杂,技术难点也很多。
从结果导向来看,主要做好三件事—CD(critical dimension:关键尺寸),OVL(overlay:套刻精度)和defect(图形缺陷)。
(1)要做好CD,需要通过光罩设计和工艺制程两步去实现它。先讲一下光罩设计与OPC。
要想在晶圆上最终得到所需要大小的图形,首先应该在光罩上的对应位置上定义好相应大小的图形,再通过一定比例的转换转移到晶圆上。理论上,光罩设计的图形是什么样,通过一定比例转印到晶圆上,就应该得到什么样的图形,但实际情况更复杂。随着摩尔定律的不断演进,芯片制造所需目标图形的尺寸不断变小,
干涉和衍射现象就会更加明显
,而这将直接影响图形的转印。所以,为了使光刻后晶圆上的图形与设计图形一致,
需要对光罩上的图形进行修正,而这就是光刻的兄弟部门——OPC(光学临近修正)。
解决了OPC的问题,接下来就是工艺制程。
在此之前,先来了解一下整个光刻工艺流程,光刻制程的机台包括匀胶显影机(track)和我们熟知的光刻机(scanner),track负责涂胶和显影,scanner负责曝光。以正胶为例,wafer首先进到track里面涂覆一层光刻胶,PAB(Post Apply Bake,后烤工序。用来升温蒸发大部分光刻胶中的溶剂,固化光刻胶,提高粘附性),冷却到室温后,移动到光刻机进行曝光,后面再回到track进行显影,最后PEB(Post Exposure Bake,曝光后烘烤)让显影过程完全。然后,晶圆离开光刻室,进入刻蚀或离子注入的工艺。
整个光刻过程,单从CD角度考虑,就有很多前期工作要做。
首先,光刻胶的选择与评估。
从研发的角度来看,要先评估这只光刻胶是否能满足工艺需求。以Krf光刻胶为例:
第一步要做的是调节光刻胶的喷量
,一般来说光刻胶单次喷量要控制在1.0cc~2.0cc左右,光刻胶量过少容易产生poor coating(即常硅片边缘曝光中出现的PR涂覆不完全的情况),直接影响整个光刻过程。
第二步,是光刻胶膜厚,膜厚要考虑的是整个光刻胶的profile,不同的fab厂要求不一样,大部分
要求光刻胶膜厚的范围控制在目标膜厚的1%以内,比如膜厚目标值是2800A,膜厚变动范围要卡在28A以下,有些则会要求膜厚的3sigma值是否在target 1.5%以下等。
第三步,是看这只光刻胶的工艺参数是否达标
(一般是和对标的光刻胶进行比较)。其中,
包括DOF(Depth of Focus,在聚焦深度范围内,曝光成像的质量是可以保证的,曝光时候的DOF必须远大于晶圆表面的不平整度,这样才能保证光刻工艺的良率。也就是说,要保证焦距的工艺窗口是否能cover晶圆表面高低差的最大值);EL(Exposure Latitude曝光宽容度,也可以叫能量窗口,曝光容忍度大的胶受曝光能量浮动或不均匀的影响较小。一般是在满足DOF的前提下保证EL达标,比如Krf光刻胶一般要满足DOF大于150nm时,同时要让EL达到10%),CD uniformity(保证晶圆不同shot里的相同位置的CD的均一性,主要是看CDU的3simga值是否in spec);CD LWR(Line Width Roughness,光刻胶的线宽
粗糙度,指由于边缘粗糙导致的光刻胶线宽相对于目标值的偏离)等等。
(2)OVL是除CD以外另外一项重要的量测指标,OVL简单来说就是当层的图形和前层的图形对的是否准不准,技术工艺越先进,对OVL的要求就越高。
因为随着节点的不断做小,留给OVL的窗口也越来越小,OVL势必会越来越难做。OVL的量测模式业界一般有两种,IBO(Image Based Overlay)和DBO(Diffraction Based Overlay),IBO顾名思义,就是对当层和前层的量测Mark拍照,看叠的到位不到位,而DBO是通过收集当层和前层的量测Mark的衍射光,将光信号转换成数字信号而反映出来。
(3)整个光刻过程的Defect (图形缺陷)主要由设备和工艺上原因导致的。设备导致的图型缺陷可以通过定期的机台维护和清理来解决;工艺导致的图形缺陷主要包括
coating
Defect和DEV Defect,Coating Defect主要是光刻胶本身的特性决定,这个一般在光刻胶评估阶段就会被发现并解决;另外就是Developing Defect,主要是由显影过程不完全导致,需要通过不断优化显影配方去改善, 国内厂商有时因为对于材料的基础知识认知不完善,在光阻添加剂的上运用不合理,也会导致某些光阻的显影缺陷远差于国外大厂。这个过程,从找到根源到最终解决往往需要比较长的周期。
总体来说,相对于更依赖系统和光刻机来调控的OVL,CD和Defect其实更依赖于光刻胶的特性。光刻的工艺窗口取决于光刻胶的性能,即使机台性能再如何优化,光刻胶的性能不达标,光刻工艺完全无法进行下去,可以说光刻胶撑起了光刻工艺的半壁江山。
入行以来就一直都在光刻部门,最开始关注和接触的是国外的光刻胶厂商,如信越,DOW,JSR,TOK,这几家大厂提供了我们所需全部45nm-14nm先进制程的光刻胶。直到中美贸易战打响,国外厂商开始对我们限供甚至断供部分光刻胶,这些都可以直接决定我们晶圆产线的生死。在这样的背景下,我们才慢慢把视线转移到国产光刻胶上来,从最开始的北京科华,到上海新阳,再到徐州博康。
在此过程中,我们是深切体会到国产半导体光刻胶与国外大厂产品的差距,包括工艺窗口不足,光刻胶profile差异,各种Defect问题,还有就是稳定量产以及原材料渠道等问题,这些都是急需解决的
。反过来,这些问题会在很长一段时间会限制国内各大Fab厂的发展进程。
不过光刻材料国产化的道路也并非是无路可走,光刻胶性能方面的问题可以通过优化配方来改善。要知道,就算是像DOW这样大厂的某款在业内被称为“妖胶”的UV1610系列光刻胶,最开始的评估历程也不是一帆风顺的,它经历了十几次的配方优化,光是评估周期就花了1-2年时间。要说它本身的特性有多优良,也不见得,关键是它的普适性较强,以Logic 28HK的光刻制程为例,
UV1610系列产品应用在Well Loop,LDD Loop,SIGE Loop,SD Loop等,这款光刻胶囊括了整个28HK光刻制程近三分之一的应用。它的工艺窗口不是特别优良,但是基本能满足工艺要求,它的普适性和厂商的及时跟进与实时反馈,让这只光刻胶得以在28HK上量产,名气也瞬间打响。所以看国产光刻胶公司,要重点看他们的品类与款数是不是够多,单纯只是在某1-2款光刻胶做出突破,意义不是很大,一定要有普适性,能够大范围的应用在Fab的不同层面工艺。比如能同时解决高端Arf与Krf,线条与孔洞胶的公司,Fab和这一家深度合作就可以解决大部分急切的问题,整体合作与导入的成本也会更低。
也正因为这些国外大厂恃才傲物,对很多国内Fab客户的服务态度变得敷衍起来,他们认为你离开我的产品就得死,就算我的服务态度差,你也不敢不用我们的产品。比如日本的某大牌,他们最初是和台积电合作的,很多光刻胶产品都是通过台积电这家业界代工大佬打响名气的,大佬都在用,你们这些小厂爱用不用,我也没求着你们用,不过我认为正是这种有恃无恐,恃才傲物的态度给了我们国产光刻胶厂商巨大的机会。
国产光刻胶产品性能不足,那就不断测试,不断反馈,不断优化,而且在国家大力扶持半导体国产材料的大背景下,国产化进程将更加高效。
目前,国内已经有优秀公司脱颖而出,当中有些几乎能满足大多数Fab厂的需求,而且研发反馈的效率也很高,欠缺的无非是经验而已。
。
在先进制程领域运用较多的还是Arf immersion的光刻胶,而且由于光刻层数的增多,对国产光刻胶厂商而言就是一块巨大的蛋糕,
不管最后这些先进制程能否突破及量产,能够在Arf immersion光刻胶突破的国产光刻胶公司都足够证明自己的技术与工艺优势,肯定能在国产光刻材料市场占据一片天地。
最后,也有一些分享寄语国产光刻胶公司。首先,敢在这个领域奋进的公司本身就已值得所有半导体同仁的尊敬,整体工艺难度之高在整个材料领域无出其右。其次,还是要与国内Fab厂深度绑定,从其需求点出发进行技术研发与工艺改进。具体来讲:
(1)打通各个Fab厂的供应链,对于成熟工艺和尚在研发的工艺,应该分清主次,拿下成熟工艺的替换,耐心完成先进工艺开发的评估,实时跟进,拼尽全力,掌握主动权;
(2)要维护好与各大Fab厂的关系,研发和生产是产品评估的关键,一般研发负责新技术节点的开发,所以评估的光刻胶多用于新节点,周期一般较长;而生产更注重量产产品的替换,节奏更为紧凑。
(3)Fab非常看重材料供应的稳定性,国产光刻胶公司要抓紧解决树脂乃至单体的问题,因为已经听说材料的短缺已经影响到了最终光刻胶的稳定供应。
总的来说,最近两年来,大家对国产半导体材料的崛起信心越来越足,也期待国产材料特别是国产光刻胶在大的Fab厂放量。
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