启闳半导体科技(江苏)有限公司QiHong Semicon TECHNOLOGY (JIANGSU) CO.,LTD
生不逢时的157nm干式光刻技术
上面提到,光刻技术在追求更短波长光源的技术上卡住了。
2002年以前,业界普遍认为193nm光刻无法延伸到65nm技术节点,而157nm将成为主流技术。
157nm光刻被称为光学方法的极限,其光源采用氟气准分子激光,发出波长157nm附近的真空紫外光,最初的应用目标是65nm技术节点。
实际上,157nm波长的光刻技术其实在2003年就有光刻机了。然而,157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光波,只有二氟化钙(CaF2)勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头缺陷率和像差很难控制,并且价格相当昂贵,雪上加霜的是它的使用寿命也极短,频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。另外,157nm对193nm的波长进步只有不到25%,研发投入产出比太低。
正当众多研究者在157nm浸入式光刻面前踌躇不前时,时任台积电资深处长的林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。
林本坚认为,与其在157nm上“撞墙”,倒不如倒退到193nm波长但将介质从空气改为水,以水为透镜在晶圆和光源间注入纯水,目前主流采用的纯净水的折射率为1.44,所以ArF加浸入技术实际等效的波长为193 nm/1.44=134 nm,从而实现更高的分辨率。
然而在当时,这项技术却被尼康、佳能等头部企业拒之门外,他们依然对干式光刻技术寄予厚望不想额外增加成本,而只有当时并不亮眼的ASML接受了浸入式光刻技术。
浸入式光刻的成功开发是台积电与ASML这两家企业的重要转折点。2004年,ASML在台积电的帮助下成功研发出首台浸入式光刻机,并一举拿下了多家大客户的订单。这后来也极大的促进了台积电和ASML的合作发展,为ASML后来超越尼康和佳能埋下了伏笔。随后几年,浸入式光刻占据了先进节点工艺的主导地位,一直持续优化,把工艺节点突破到22nm。
加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术,浸入式193nm光刻机一直做到了芯片的7nm制程(苹果A12和华为麒麟980)。
浸入式光刻的出现无形当中宣判了干式微影光刻技术的死亡,在ASML推出浸入式193nm产品的前后脚,尼康也宣布其157nm产品以及EPL产品样机完成。然而,浸入式属于小改进大效果,产品成熟度非常高,所以几乎没有人去订尼康的新品。随后,尼康也将目光转向浸入式光刻技术,但始终落后一程。
从市场角度出发,作为上世纪九十年代最大的光刻机巨头,