光刻技术的发展现状、趋势及挑战分析

近两年来，芯片制造成为了半导体行业发展的焦点。芯片制造离不开光刻机，而光刻技术则是光刻机发展的重要推动力。在过去数十载的发展中，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、光刻胶等材料设备，也形成了极高的技术壁垒和错综复杂的产业版图。

为了促进全球光刻技术的发展与交流，由中国集成电路创新联盟和中国光学学会主办，中国科学院微电子研究所、中科芯未来微电子科技成都有限公司和中国科学院光电技术研究所承办的第四届国际先进光刻技术研讨会于11月5日在成都开幕。来自世界各地众多的厂商、科研机构、高校共500余名技术专家和学者参加了本届大会。会议所涉及的内容包含了先进节点的计算光刻技术、SMO、DTCO、EUV、工艺、量测、Deep Learning、光刻设备、材料等领域，涵盖了当前的技术现状、未来的发展趋势以及面临的挑战等。

光刻技术的重要性

据华创证券此前的调研报道显示，半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产中需要进行20-30次的光刻，耗时占到IC生产环节的 50%左右，占芯片生产成本的1/3。

但光刻产业却存在着诸多技术难题有待解决。西南证券的报告指出，光刻产业链主要体现在两点上，一是作为光刻核心设备的光刻机组件复杂，包括光源、镜头、激光器、工作台等组件技术往往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同样拥有较高的科技含量。

这些技术挑战，也为诸多厂商带来了发展机会。时至今日，在这些细分领域当中，也出现了很多优秀的企业，他们在科技上的进步，不仅促进了光刻技术产业链的发展，也影响着半导体行业的更新迭代。

光源可靠性是光刻机的重要一环

众所周知，在光刻机发展的历史当中，经过了多轮变革，光刻设备所用的光源，也从最初的g-line，i-line发展到了KrF、ArF，如今光源又在向EUV方向发展。Gigaphoton是在全球范围内能够为光刻机提供激光光源的两家厂商之一（另外一家是Cymer，该公司于2012年被ASML收购）。Gigaphoton的Toshihiro Oga认为，光源是一项专业性较强的领域，并需要大规模的投资去支撑该技术的发展，而光源又是一个相对小众的领域，尤其是用于光刻机的光源有别于用于其他领域的光源——其他领域所用光源多为低频低功率，而光刻机所用光源则为高频高功率，这也让许多企业对该领域望而却步。

光刻光源的可用性是一个关键参数。而要使其实现最大化的可用性，就需要“长期稳定的运行”和“最少的维护时间”。为实现以上两个目的，Gigaphoton于2017年提出了““RAM增强的路线图”以加强其在DUV领域的发展。据当时的官方报道显示，公司正在努力延长模块的使用寿命，并改善公司的现场工程师为客户提供的现场设备的可维护性，旨在以最少的机器停机次数进行维护。

更具体来看，在本次大会上，Gigaphoton的Toshihiro Oga还介绍了通过光谱性能稳定性和光脉冲展宽功能改善成像性能的技术。他表示，最新的ArF浸没式光刻已被定位为满足更严格的工艺控制要求的最有前途的技术。下一代光源最重要的功能是提高芯片产量。光源的关键要求之一是E95％带宽，带宽已成为提高工艺裕量和改善光学特性的更关键参数。较低的E95％带宽能够提高成像对比度，从而实现更好的分辨率和更好的更好OPE特性。同时改善的E95％带宽稳定性，能够在晶圆上提供更好的CD均匀性。为了缩小CD特征尺寸，降低LWR/LER变得至关重要。此外，新设计的光脉冲展宽器（OPS）可以通过降低斑点对比度（SC）来降低LWR/LER。Gigaphoton一直在研究SC对E95％的敏感度以及空间对比度与时间对比度项的相关性，然后通过引入最新的OPS定义所需的SC。

对于Gigaphoton来说，中国也是一块非常重要的市场，2019年宣布在中国成立新公司GIGAPHOTON CHINA并开始营业。据介绍，Gigaphoton占据了50%的中国市场，而且这一市占还在继续扩大。

光掩模的技术挑战

光掩模技术也是光刻产业当中重要的一个环节，光掩模是集成电路的模板，随着晶体管变得越来越小，光掩模的制造也变得越来越复杂。就目前市场情况来看，电子束系统是制作光掩模的主要曝光技术。其曝光的精度可以达到纳米量级，因为可被广泛使用于超大规模集成电路中，受到了市场的青睐。

光掩模作为集成电路的原始模板，其精度必须得以保障，因此，在生产过程中超出预期尺寸的缺陷必须得到识别和纠正。因此，电子束修复也成为了光掩模技术当中重要的一环。

蔡司是提供电子束修复机的设备公司之一，其MeRiT系统代表了基于电子束技术修复高端光掩模的先进工具。基于电子束技术，MeRiT系统能够执行极其精确的修复，以消除关键的光掩模缺陷。

据蔡司中国半导体光掩模解决方案销售及商务服务总监徐慕邓介绍，光掩模的光学影像模拟测量系统也是蔡司另一项优势技术。据悉，自1993年推出以来，光学影像模拟测量技术已成为光掩模制造的主流验证方式。蔡司的光学影像模拟测量系统可通过光学测量来进行模拟光刻机成像。他表示：“采用这种方式，可以在光罩厂中对光掩模进行曝光模拟及测量验证，而无需进行晶圆曝光验证，这节省了光掩模制造过程中的时间和成本。”

蔡司半导体光掩模解决方案（SMS）是致力于光掩模生产技术研究和应用的部门。据其官方网站介绍，该战略业务部门凭借其在光学和电子光学领域的核心竞争力以及独特的电子束技术，可以向其市场提供评估掩模缺陷，修复关键缺陷并验证修复结果的产品以及专用的光掩模测量解决方案。目前，这些设备被全球领先的光掩模制造商和晶圆厂使用。徐慕邓表示，光掩模解决方案同样也是蔡司半导体事业部在中国市场的主要业务。为了加强对中国市场的支持，蔡司于2018年在中国正式建立了一支Mask solution团队，致力于中国地区的销售、应用以及售后服务。

光刻技术赛道上的中国设备厂商

除了备受瞩目的光刻机外，光刻技术的实现还需要很多其他设备，而这个赛道也同样是一块大蛋糕。去年登录科创板的芯源微便是致力于高端半导体设备的制造的企业，具体来看，芯源微的产品主要分为两类，一类是光刻工序涂胶显影设备（Track），另一类是单片式湿法设备。

其中，光刻工序涂胶显影设备是公司标杆产品之一，作为光刻机的输入（曝光前光刻胶涂覆）和输出（曝光后图形的显影），涂胶/显影机的性能不仅直接影响到细微曝光图案的形成，其显影工艺的图形质量和缺陷控制对后续诸多工艺（诸如蚀刻、离子注入等）中图形转移的结果也有着深刻的影响。

在本次大会上，芯源微介绍了他们在前道集成电路制造工艺用高产能涂胶显影设备的开发和应用进展。其中，其推出的KS-FT300系列，是第一台国产的前道 Track，2018年，该设备已经提供给下游合作伙伴使用，2019年12月，芯源微还完成了i-line工艺验证。据公司介绍，在验证期间，芯源微得到了下游合作伙伴的大力支持，包括晶圆资源，检测机台，设备 交叉验证，厂务设施，化学药品，人力，专有技术，建议等。

专注于半导体高端设备领域，也为芯源微带来了不错的收益。从芯源微公布的最新财报显示，前三季度净利润同比增长4761.26%。据芯源微前道事业部总经理谢永刚介绍，公司之所以能取得这种成绩，一部分原因是受惠于公司在技术创新方面的积累，国产化的风潮加快了芯源微将其技术推向市场的进程。尤其是去年下半年，用于先进封装、化合物对设备需求量的上涨，推动了公司实现了财务上的快速增长。

据谢永刚介绍，与国际设备厂商相比，本土厂商起步较晚，所以要经历一个漫长的探索过程。在这个过程当中，切入市场的时机以及制定合理的发展规划就成为了关键。他指出，本土厂商可以利用对本土客户定制化、响应度以及性价比等方面上的优势来打开市场，先进的技术、产品的可靠性以及服务支持则是本土设备厂商赢得合作伙伴信赖的关键。

另一方面，在制定未来发展路线上，芯源微则将致力于为不同的客户设计和生产更多更先进的涂胶显影机。根据其招股书显示，投建高端晶圆处理设备产业化项目以及高端晶圆处理设备研发中心项目，将会助推芯源微更上一层楼。

如何推进光刻技术的继续发展

在半导体产业不断向前推进的过程当中，光刻技术发挥了重要作用，如何推进光刻技术的发展也成为了业界所关注的一个话题。

中国光学学会秘书长、浙江大学教授，现代光学仪器国家重点实验室主任刘旭认为，时至今日，半导体产业已经发展成为了一个高度全球化的产业，其中涉及了众多关键技术。在贸易形势的变动下，与此相关的重要技术也逐渐受到市场的重视。这其中，光刻技术只是半导体产业发展当中的重要一环，而不是唯一一环，解决光刻技术难点，并不代表解决了所有半导体产业链上的难题，产业要理性地看待光刻技术的作用。

在刘旭教授看来，人才是推动半导体产业发展的重要环节，就以集成电路芯片生产线光刻技术、生产与制备设备、在线精密检测等来说，用于、都是一些特定的技术，而这部分人才还有很大缺口。在这种情况下，建立集成电路或微电子一级学科和南京集成电路大学的成立将会在一定程度上改善半导体人才缺口的现状。但他也指出，一级学科与集成电路大学还存在着一定的差别，集成电路大学具有一定的针对性，可以快速补充市场对人才的所求，而一级学科则不能用产品去定义，采用这种人才培养的方式可以为未来十多年或几十年技术与产业发展提供新动力与技术储备。

而除了人才缺口外，如何将实验中的光刻技术落实到实际生产当中，也是目前国内光刻技术发展的挑战之一。

为了推动包含光刻技术在内的多个半导体技术的落地，去年9月，福建省政府批准设立、厦门市政府与厦门大学共同建立了嘉庚创新实验室。根据相关报道显示，嘉庚创新实验室将围绕国家战略需求和地方产业发展，以攻克“卡脖子”技术、落地产业化成果为己任，重点开展高端人才聚集、技术研发、成果转化、技术服务、科技企业孵化等活动。

嘉庚创新实验室科技总监Mark Neisser认为，从实验室走向产业化的难点在于上下游产业链的合作包括材料和设备，以及得到客户的反馈。打通了这些环节，能够促进相关技术的产业化应用。
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