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1、ChipChina：聚焦新基建、芯机遇
2、ChipChina：先进封装正挑起集成电路发展的重担

作者：MizyHe整理

2021年2月底，由雅时国际商讯主办、《半导体芯科技》(SiSC) 杂志协办的“晶芯”在线研讨会顺利召开，会议得到葳泰科技的赞助。据后台数据显示，会议吸引了724名在线听众，观看次数为1617次，人均观看时长88分钟。会议主要围绕“光刻……”这个主题，共邀请了四名行业专家演讲助阵，他们分别是武汉大学宋毅副教授、三英精控（天津）仪器设备有限公司董事长须颖教授、以及长江存储科技有限责任公司资深技术经理郑伟伟。鉴于三位专家的研究方向以及在设备原厂工作过的经验，此次演讲侧重于光刻机以及零备件，与光刻工艺关系不大。最后圆桌论坛环节，由武汉大学的赵炎教授担任嘉宾主持。

自从美国对华为海思禁售芯片开始，两国在半导体IC方面的贸易摩擦沉渣泛起。曾几何时，光刻机作为半导体前道制程的关键设备同时也是我国最重要的“卡脖子”技术之首，陷入了两股风潮：媒体不遗余力宣传光刻机尤其是中国人爱而不得的EUV光刻机，国内的业内人士反而集体静默。因此，在这次以光刻设备为主题的研讨会上，专家们亦是谨慎自持，将讨论重点集中到光刻机的溯源、工作原理、以及国际市场分析。须教授从精密控制系统的角度介绍光刻机关键零备件、纳米级控制系统的工作原理、技术难点以及案例分析，为现场从事高端设备研究的听众提供新的视野。

光刻机溯源

在现代的集成电路芯片制造中，光刻机是最核心的关键装备之一，光刻机的性能决定了芯片上器件的最小加工线宽。按照摩尔定律，芯片的集成度每18个月增长一倍；三十多年以来，随着光刻机的加工精度从微米级逐渐缩小到纳米级，决定了芯片微缩后的关键尺寸也进入纳米级。在此过程中，曝光光源逐步从Hg灯、准分子激光到极紫外光，光刻机已发展到第五代；此外，曝光方式、光学系统、控制平台、以及光刻工艺不断地改进，各种测量检测方法、制程控制反馈技术被引入到光刻工艺中。

郑伟伟经理在《光刻机发展现状及趋势》的报告中，对于光刻机的发展历史做了非常详细的介绍。光刻是纳米加工技术的一种，当前最先进光刻机的单次曝光分辨率达到10nm，缺点是设备成本太高。这里的分辨率有别于营销中常用的线宽工艺，如7/5nm工艺节点，它是指周期性结构的半周期half pitch。

按照曝光方式不同，光刻机分成三类。追溯历史，1963年SüSS为西门子制造首台接触式3英寸光刻机（Mask Aligner），接触式利用光的近场效应完全复制图案，光源采用350~400nm汞灯，分辨率可达到1µm左右；由于光刻胶与掩膜版是直接接触的，会损伤光刻胶及掩膜版并造成污染。接近式光刻机（Approximate Aligner）的掩膜版与光刻胶距离几十个微米，衍射效应导致分辨率相对较低维持在1µm左右。比方说，日本佳能在1973年前后推出实用型PLA-300 aligner以及0.8µm分辨率的FPA-141F。

进入纳米时代，投影式成为最常用的曝光方式。在掩膜版及光刻胶之间加上棱镜成像系统，可有效降提高分辨率，工作原理与照相机相似。1973年PerkinElmer发明0.167NA的投影式光刻机（Projection Aligner）MicAlign，这台设备取得了空前的成功，横扫1982年以前的光刻机市场，历史总销量在3000台以上；自1982年起GCA推出的0.28NA的Mann-4800分步重复式投影光刻机（G-line Stepper）占据市场龙头；在此期间，尼康相继推出Stepper NSR-1010G（对标Mann-4800）、i-Line Stepper NSR-1010i2，佳能推出自动对准Mask aligner MPA 500、i-Line Stepper FPA-2000i1。1990年PerkinElmer首推Scanner扫描式光刻机Micrascan（同年该公司被SVG收购，2000年ASML收购SVG）。我们可以发现光刻机的称谓发生了有趣的转变，从photo-repeater、Aligner、Stepper到Scanner。随着光源波长的减小光刻机迎来更新换代，同时在实现更高分辨率的道路上继续狂奔。

伴随着光刻机走向群雄逐鹿的大时代，ASML通过三款光刻机奠定了今日之地位。1）1997年推出的PAS5500（KRF Scanner，分辨率220nm）大获成功，优点包括：(a) 全球首推模块化设计理念且沿用至今，可并行设计制造并节省调试时间；(b) 硬件与软件接口标准统一，可优中选优供应商；(c) 设备通用性强，只需更换光学模块就能实现i-Line到DUV的转换，大大节省成本。2）2000年全球首推双工件台TWINSCAN，一边做对准/检测工作，另一边实施曝光；生产效率提升35%以上，设备的市占率首次超过尼康机型（图1）。3）2004年向TSMC交付首台沉浸式光刻机（分辨率65nm，0.85NA），此机台基于林本坚关于“以水为介质的Immersion”理论，将ArF光源的波长等效至134nm（即ArFi）。

图1. ASML双工件台光刻机内部构造。来源：ChipChina郑经理报告之《光刻机发展现状及趋势》

郑经理总结到，“纵观光刻机的五代发展史是个大浪淘沙、逆水行舟的过程，很多曾经的领头羊头被后来者赶超”，或被收购、或改行、或边缘化、或成为业界霸主。而中国在光刻机领域一直存在感不强。在20世纪60年代中期与尼康同期起步，直至1985年中电科45所成功研发G-Line投影式stepper，与世界一流厂商落差6~8年；但受到格局、市场及资源等因素的局限性，我国光刻机技术研发工作裹足不前，直至2002年SMEE成立，通过整合45所技术和人员，如今在IC后道封装市场交出漂亮的答卷，全球封装应用的市占率达40%。由于《瓦森纳协议》一直对先进半导体技术采取出口限制，中国IC前道的先进制程道路将不会平坦。

光刻机市场

一个芯片的产生要经历几十次光刻才能完成，有些结构层甚至需要多次光刻才能形成，特定图形也越来越难实现。作为芯片制造的核心，光刻成为主流的微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺，其成本约占整个硅片加工成本的1/3及以上，耗时约占整个芯片工艺的40-50%。

据中银证券分析，从光刻机的销售额划分，2020年EUV占比41%（共计31台），ArFi占比40%，ArF占比5%，KrF占比11%，i-Line占比3%；其中，ASML的市占率91%，尼康6%，佳能3%。从光刻机的机台销量划分，2020年EUV占比8%，ArFi占比19%，KrF占比31%，i-Line占比34%；其中，ASML占比62%，尼康占比8%，佳能占比30%。我们可以看出，半导体后道及平板显示应用以走量为主，但价格比重远低于高端IC光刻机。

EUV光刻技术

在题为《集成电路芯片制造中的高端光刻机：发展趋势和技术挑战》的报告中，宋毅教授以提高良率为出发点，结合光刻技术、测量控制以及建模仿真对IC商用光刻机做了详实的报告。

EUV技术从研发至今已有三十余年，1997年ASML投入研发，2011年推出首代试产型设备NXE:3100，2017年推出量产型光刻机。其中最关键也是最困难的因素是EUV光源。通过采用LPP（激光激发）技术，用大功率脉冲激光去两次激发Sn液滴并最终产生等离子体辐射——这就是13.5nm波长的极紫外光源。这里有4项关键技术需要得到重视 ：1）CO2激光器要求使用50-100kHz的高频脉冲激光；2）EUV光刻要求功率大于250W，以满足100WPH的产量需求；3）激发Sn靶存在能量转换效率，CO2激光器的能量/输出EUV能量=6%；4）13.5nm波长的光易被空气吸收，因此设备需要高反射率的反射式系统而非投射式系统。

掩膜是EUV的关键技术之一。与前一代DUV不同，EUV采用反射式的掩膜技术。如何获得高反光率的极紫外光？掩膜版需要在外面制作pellicle薄膜保护层，即采用40~50层低折射率钼 (Mo) 与高折射率硅 (Si) 进行交替层叠，每层厚度为5-10nm，这层薄膜可对13.5nm EUV光产生高的反射率。此外，这层结构也能防止掩膜版被沾污。目前ASML已开发出83%的单次透射率材料，相关领域的研究也在进行当中。

在批量生产中，overlay（套刻对准）与晶圆产量（throughput）是两项非常重要的指标。IC芯片制造是多层且累加的结构，层与层之间要求精确对准，否则会产生短路或断路现象。产量就更好理解，高产意味着单位时间内生产出更多的芯片，可节省生产时间并降低运营成本、加快产品面市并提高产品市占率。那么如何增加产量？1）优化设备，如ASML的双工作台Twinscan可提高加工效率近一倍；2）尼康针对FPD应用采用多透镜系统，将多个透镜捆绑在一起进行曝光以提高工作效率。再一点是tact time生产节拍，它决定fab建厂时各类设备的全面布局。

目前市场上最顶级的IC商用DUV光刻机于2018年年底推向市场，特征包括：光源193nm，1.35NA，分辨率38nm，1nm尺寸误差，3nm套刻对准，吞吐量在275WPH以上，设备用来生产麒麟990、骁龙865和A13芯片。而最先进的EUV光刻技术可实现13nm单次成像分辨率，相比ArF的38nm分辨率提高了3倍。就拿10nm工艺举例，DUV需要3~4次曝光，而EUV仅需单次曝光；工艺步骤减少，意味着更低的生产成本、更高的良率以及相对ArF更好的成像质量（对于同样的芯片结构，各层之间不存在相互干扰）。针对最先进制程的EUV光刻机采用13.5nm光源，1nm尺寸误差，3nm套刻对准，晶圆产量达125WPH。今年新一代高数值孔径（NA>0.5）的EUV技术即将推出，可实现8nm的单次成像分辨率（图2）。

图2. EUV可实现13nm的单次成像分辨率，相对于ArF提高3倍，下一代EUV可实现8nm。来源：ChipChina宋毅教授报告之《IC芯片制造中的高端光刻机：发展趋势和技术挑战》

随着5nm工艺芯片进入批量生产，科研机构将倾向于研发下一代光刻技术，包括多电子束直写光刻机（MEB）、纳米压印技术（NIL）以及定向自组装技术（DSA）。其中，MEB被广泛应用于掩膜的制造，分辨率可达到2nm，未来将被用于在晶圆上直接刻画图形而不借助掩膜版。NIL分辨率极高可达2nm，用于制造特殊图形的模具、压印特殊图形。DSA则利用两种聚合物材料的定向生长进行加工，对于材料的控制要求高，生长缺陷大，目前还不能真正用于生产，但可兼顾高分辨率极高的加工速度需求。

光刻机分辨率

决定光刻分辨率的因素可以用两个公式体现，分析下来有三种可提高分辨率的方法：1）选用更小波长（𝝀）的光源，2）通过增大投影入射角及折射率更高的界面材料来提高数值孔径NA值，3）并通过分辨率增强技术以获取更低的常数k1。

事实上，从g-Line光源（436nm）到激光激发等离子体光源（EUV=13.5nm），光刻分辨率提升了100倍（图3）。从193nm ArF到13.5nm EUV，光刻分辨率提升10倍以上。随着成像系统越来越复杂，里面涉及的棱镜与反射镜越来越多，NA值在逐渐提高、sinθ接近理论极限值。从ArF到ArFi，由于引入水介质（n=1.45）使得NA值提高了45%（图4）。

图3. 近三十年以来，光源系统推动着五代光刻机的发展，更小波长的光源让光刻机分辨率提高了100倍。来源：ChipChina宋毅教授报告之《IC芯片制造中的高端光刻机：发展趋势和技术挑战》

图4. ASML拥有不同数值孔径NA的透镜系统，理论极限值与材料折射率成正比，透镜系统长1-2米。来源：ChipChina宋毅教授报告之《IC芯片制造中的高端光刻机：发展趋势和技术挑战》

如何提高k1值？常见的分辨率增强技术有三种。1）计算光刻OPC：光刻是采用光学的方式曝光，存在光学的邻近效应，使得最终图案与设计图案存在差异，我们通过在掩膜上增加辅助结构来消除图像失真，从而获得更好的加工精度；通过这个方法可以增大工艺窗口来实现分辨率的提高。2）离轴照明OAI：通过采用特殊光源让正入射方式光变成斜入射方式，主要目的是在同等数值孔径内容纳更多的高阶光，从而曝光更小尺寸结构，相应地提高分辨率。3）相移掩膜PSM：当两个光源进行成像时，一般两个光源会在重合部分产生干涉效应使得光强增大，导致两个光源不能有效地区分开；如果通过改变掩膜结构在其中一个光源处采用180度相移，这两处光源产生的光会产生相位相消，最终导致强度相消，最终两个光源可有效的区分开，以此提高分辨率。

光刻机的精密控制系统

光刻机的分辨率是纳米级，但如何测量、标定及控制？在题为《纳米定位与位移控制技术》的专业报告中，须颖教授重点介绍了高端装备的核心部件——精密运动系统，用在以光刻机、检测设备、先进封装为代表的半导体设备当中。此外，其他应用领域还包括精密机床、医疗仪器、纳米级科研仪器以及航天航空等。

光刻机的精密技术分为三大部分：精密光学（光源、路径）、精密运动控制（自动调焦/调平、掩膜版的输送、自动对准）、精密的环境控制（温控、湿控、真空、减振系统等）。

以ASML Twinscan为例，光刻机内的精密运动控制系统无所不在，其运动控制成本占整机的40%。图5是将光刻系统的运动控制抽象出来，从掩膜版、双工作台的测量系统及曝光位置都存在长行程控制（宏位移）和短行程控制（微位移），此外在物镜中也存在微距离控制。

图5. 光刻机内的定位控制系统，运动控制系统成本约占总成本的40%。来源：ChipChina须颖教授之报告《纳米定位与位移控制技术》

光刻机发展至今，对于运动平台的精度要求是什么呢？2015年做到14-16nm工艺节点（1/2 pitch），去年做到7nm、5nm，微缩平台误差（scaled stage error）基本上做到1 : 6.5；2020年的7nm/5nm对于平台的要求是做到1nm及以下的误差，精度要求非常高。

超精密运动控制技术分为宏位移、微位移，以及宏微结合控制技术形成无限视场。该技术是一个综合的运动体系，从硬件角度来区分大致分为传感、驱动、机械、控制四个模块并形成闭环系统。而实现高精密定位的前提是，“测量精度必须高于控制精度”！

目前测量技术分为两大类，一类是以激光干涉仪为代表的光学位移传感器，通过衍射条纹来精密测量位移；X-Ray干涉仪可以达到真正的纳米级，其波长精度是0.1nm，细分千分之一达到皮米级，完全可以用来标定纳米级位移精度。另一类是电容、电感及应变传感器，都用来测量位移，且测量精度可达到纳米甚至亚纳米级，但是测量行程仅有几百微米；相对激光干涉仪这类传感器的成本是十至二十分之一；因而在光刻系统中得到广泛应用。

另外，在精密控制中的驱动分为两类，电磁驱动（直线电机、步进电机及伺服电机等），另一类是压电陶瓷（通过材料在电场中变形形成驱动力和驱动位移）。在超精密运动控制中，最让人头疼的机械部分是产生摩擦，在静摩擦转化为动摩擦的瞬间是不可控的，因此无法实现纳米级的运动控制。因此，常用的机械导轨机构是气浮/磁浮、柔性铰链（靠金属的排空变形以实现运动的传递和导向）以及聚合物（摩擦系数远小于敏感物）。

在实际的光刻机应用中，长行程（宏位移）平台技术是通过直线电机+激光干涉仪反馈+磁悬浮导轨实现闭环系统来实现，短行程（微位移）平台技术是通过压电陶瓷+柔性铰链机动+位移传感器实现的。纳米平台与超精密运动系统是一致的，包括纳米微位移平台+电容传感器+压电陶瓷控制+柔性铰链机械系统+DSP控制器+控制算法与软件+标定系统。

在设计纳米位移平台时，精度、分辨率、速度是三项重要指标，影响它们的因素较多，其他的指标还包括动态范围、材料选择、外形尺寸和环境条件。每台EUV光刻设备需要用到40-50个电容传感器（0.1nm分辨率RMS ~ 100Hz带宽）。压电陶瓷是驱动器，柔性铰链是机械结构，而DSP数字控制器的应用跳出了传统PID范畴，可开发出更高阶的控制算法，导致控制性能可突破原来硬件的物理极限。比方说PID控制最多能达到谐振频率的20%，高阶运动控制使得系统带宽接近甚至超过行程。

精密测量技术具备纳米级的标定能力。比方说一个平台包括几十个零部件，它们无法通过加工达到纳米级精度；目前采用的办法是累积误差，通过精密标定系统标定出来，再使用数字控制器一次性进行误差补偿。所以，不全是纳米级的parts却能组装成具有纳米级精度的系统。

举个例子，2000年三英精控团队为Nikon与佳能光刻机制作的一个Z方向的纳米定位结构，压电陶瓷+电容传感+柔性铰链，用到的调平镜头里面的微调系统，每个镜头用3个NS-Z25-01支撑起来，要求曝光镜头调整精度为1nm (3σ)；今天的光刻机的精度也差不多。

纳米平台产品起源于1992年的英国Queensgate Instruments公司，须教授层参与开发世界首台商品化闭环控制的纳米平台产品（nano positioning）。在这个环节中，须教授主要展示三英精控成熟的产品方案，包括XYZ三维纳米扫描平台NS-XY100Z20（X, Y轴分辨率为0.3nm，Z轴分辨率达0.1nm），以及Tip-tilt摆角纳米扫描平台NS-RB8-01（闭环分辨率50纳弧）。

圆桌论坛讨论议题

一、我们缺的不单是一台光刻机和技术，而是系统优化，甚至是生态体系。如何推进光刻工业体系的发展？

二、对于国内FAB厂而言，在现有的装备条件下如何提升光刻制程的良率？ 比方说，如何用193nm光源实现28/20/14nm甚至7nm特征图形；如何加强或优化技术管理来提高良率、降低生产成本?

三、芯片器件尺寸不断缩小，对工艺的要求越来越高，最大的瓶颈就是如何提高分辨率。因此出现了一系列分辨率增强技术，例如离轴照明、多级光源，光学临近效应修正/OPC，移相掩模/PSM，光源掩模协同优化，多重曝光，自对准多重光刻技术等；正是因为这些技术的出现，将摩尔定律硬生生延续了下来。当然，也有人在研究光刻技术的替代技术，例如纳米压印，DSA等。对于科研单位而言，我们是继续研发EUV光刻技术，还是跳出这个框架更有成功的可能性？

四、一个芯片需要经历几十次光刻，有些结构层甚至需要多次光刻才能形成；光刻成为主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺，其成本约占整个硅片加工成本的1/3及以上。从HMDS、旋转涂胶、前后烘烤、对准/曝光、显影、检测、坚膜，期间用到一些关键设备以及关键材料（掩膜版、光刻胶、显影液及其他化学药液等）。有关光刻工艺中用到的设备、材料以及零备件，我们的企业未来有希望从哪些方面加以突破，目前市面上是否存在国产替代？

*中国光刻机资讯*

近年来，中国芯片制造行业飞速发展，多个12英寸生产线建成或扩产，带来巨大的光刻机采购需求，以下数据是近几年国内部分12吋晶圆产线的光刻机采购情况（截至2021年1月）。

来源：亚化咨询《中国半导体光刻产业链报告2019-2020》

3月初，中芯国际发布公告称，公司根据批量采购协议已于2020年3月16日~~2021年3月2日的12个月期间就购买ASML产品与阿斯麦集团签订购买单，订单总额1,201,598,880美元。

国产光刻机状况

上海微电子装备600系列光刻机已经可以满足0.28um-90nm的IC前道制造。

据上海微电子装备已共计中标3台半导体用光刻机给芯片厂（后道封装厂及部分科研单位不算在内），分别供应给上海积塔半导体、中芯绍兴和长江存储。此外，上海微电子的光刻机还进入了士兰微等国内其他芯片厂商！