为什么157nm光刻失败
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半导体行业在摩尔定律的驱动下，不断追求更小、更快的芯片制造技术。随着光刻技术的进步放缓，行业寄希望于 157nm 光刻技术作为过渡技术，以实现从 193nm 光刻到极紫外光刻（EUV）的跃迁。然而，157nm 技术在材料、成本和技术挑战方面遇到了重大问题，如光学材料氟化钙晶体的固有双折射、光刻胶的化学性质限制以及高昂的成本。尽管行业投入了大量资金研发，但最终 157nm 技术未能如期商业化，部分原因是缺乏适合的沉浸式流体和合格光学材料的产量低。英特尔的退出对行业产生了重大影响，导致其他制造商也停止了 157nm 技术的开发，转而采用 193nm 浸入式光刻技术，并将 EUV 技术视为长期发展方向。这一转变标志着光学光刻技术的战略调整，以及对成本和可行性的重新考量。
半导体行业的进展与挑战
长期以来，半导体行业的主要经济推动力是摩尔定律，即每 18 个月将集成芯片上的设备数量翻一番。总的来说，推动这些进展的有三大引擎：半导体设计、晶圆尺寸的增加以及光刻技术。光刻技术的改进一直是生产越来越快芯片的真正驱动力。但进入新千年之际，所有人都清楚，光刻技术的进步火车正在缓慢停止。这个行业还有足够的能量进行最后一次冲刺吗？在这段视频中，我们回顾了本应成为最后一次光刻技术的情况，以及行业未能签署协议的原因。在 1980 年之后的二十年里，半导体光刻工具得益于使用小于或至少等于其工艺节点最小特征尺寸的波长。例如，1980 年，行业使用的是 G 线汞弧灯，其波长为 435nm。当时最前沿的工艺节点是 1.5 微米工艺，对应的半间距为 1500nm。1500nm 对比 435nm，在这种情况下，就像用尖锐的铅笔绘制粗线一样简单。到了 1980 年代后半期，行业转向了波长为 365nm 的 I 线。由于当时最前沿的工艺节点为 800nm，这并不是问题。但摩尔定律的步伐开始赶上行业。到了 1990 年代末，行业从使用灯源转向了准分子激光器。在 1999 年，即 Dreamcast 发布的年份，行业开始使用 248nm 的 KRF 激光器，用于当时的最前沿工艺节点，即 180nm。而 193nm 的 ARF 光刻技术定于两年后的 2001 年上线。但到那时，摩尔定律的进展就像千禧年之鹰一样迅速。从 1987 年到 1999 年的短短 13 年间，行业的最前沿工艺节点从 800nm 降至 180nm。从 1980 年代初开始，集成芯片上的最小特征尺寸基本上缩小了大约 100 倍。到了 1999 年，情况变成了最前沿的特征尺寸。
半导体制造业的极限挑战
边缘处理节点的最小特征尺寸小于最先进的光刻波长。从那时起，推动半导体制造业的极限变得更加困难。大约在同一时间，半导体行业正对 193nm 氟化氩（ARF）激光技术进行最后的润色，预计将在 2001 年左右全面推出。但随着摩尔定律的加速发展，分析师预测 193nm 激光将不适用于 100-70nm 的处理节点。这些节点需要在激光推出后不到两年，即大约 2003 年左右问世。然而，这一切似乎并不成问题，因为救星即将来临。当时，行业普遍认为极紫外光刻（EUV）技术是长期的发展方向。芯片制造商希望在其洁净室中安装 EUV 设备，以应对 100nm 的处理节点，及时替换 193nm 激光。不幸的是，EUV 技术的成熟度远未达到预期。作为一种使用镜子而非镜头的全新技术，EUV 光源功率严重不足，镜子不够平坦，且存在严重的缺陷问题。分析师预测 EUV 至少要到 2010 年才能准备就绪，实际上这个时间还要长。那么，在 193nm 和 EUV 之间，芯片制造商能使用什么技术呢？157nm 技术的概念因此而诞生。157nm 被设计成从 193nm 过渡到 EUV 的桥梁，尤其是在 EUV 本应可用的 100-70nm 节点上。虽然 193nm 到 157nm 的差距仅为 36nm，但这 20%的缩小比例比从 436nm 到 365nm 的缩小要大得多。此外，157nm 光刻将使用氟化氖激光，因此被认为与 248nm 和 193nm 光刻工艺相似。这预计将使得过渡相对平稳，因为变化相对较小。鉴于未来节点面临的严峻挑战，一些人主张尽快将这项技术引入洁净室，以帮助维持摩尔定律的生命力。157nm 设备将于 2003 年投入使用，正好赶上了 100nm 处理节点的需求。
光学光刻技术简述
光刻技术是一种涉及三个系统部分的工艺。首先是曝光工具，接着是光掩模，最后是光刻胶。首先，在晶圆上涂覆一种称为光刻胶或感光胶的感光化学物质。然后使用所谓的光掩模上印有主图像，并通过这个掩模将高功率光线照射到晶圆上。执行这一过程的系统称为曝光工具，其中包含有准分子激光、复杂的多透镜光学系统等。光刻胶对光产生反应，使得芯片图案被印在晶圆上。之后，该图案可以进一步用作蚀刻过程的模板。
光学光刻的特点
光学光刻技术与下一代光刻技术有所不同，主要体现在以下三个组成部分。首先，它使用光子。其次，它的掩模是透射式光掩模，即它们是透明的。第三，它们采用投影光学缩小图像。掩模上的图案通常比您想要放置在芯片上的图案大四到五倍。这是一个有益的特点，使得掩模更容易制作。
技术发展历程
该技术的开发始于 1997 年，当时 MIT 林肯实验室开发了一个微步进器的原型。尽管它比商业系统小得多，但能够图案化 80 纳米宽的线条，对于 100 纳米节点来说已经足够了。
曝光工具的挑战
正如提到的，光刻系统的重要元素是曝光工具、掩模和光刻胶。对于 157nm 技术，这三者都需要进行大量的重新工程。首先从曝光工具开始，它包含激光和光学系统。由于普通的空气容易吸收 157nm 的光，整个光路必须排除空气并用惰性氮气代替，这大大增加了整个系统的成本。
激光技术发展中的挑战与突破
对于激光技术，早期行业分析师担心 157.63 纳米的氟气准分子激光是否能够像其 248 纳米和 193 纳米的前代产品一样输出足够的功率。然而令人惊讶的是，激光供应商迅速迎头赶上，开始生产功率达到 10 瓦甚至 20 瓦的激光器，这一进展超出了预期，因此被认为是按计划进行的。但是，这种激光器存在一个严重的问题，即其线宽太宽。通常，这并不是一个主要问题，可以通过光学系统级别的不同玻璃材料和利用它们的色散特性进行纠正，就像眼镜一样。不幸的是，157 纳米的光极易被吸收，光学系统设计师——我们的朋友卡尔·蔡司——在整个系统中只有一种镜头材料可以选择：晶体状氟化钙。专业玻璃公司如康宁和肖特开始努力以极高的纯度生产这种晶体。这场斗争是真实存在的。此外，他们必须以某种方式生长晶体，以最小化所谓的应力诱导双折射。双折射是一个花哨的词汇，描述的是光进入晶体时如何分裂成两束。这会将 157 纳米的光散射，降低其对比度，导致图像像差。在半导体制造中，图像像差是不可接受的。当晶体由于生产中的弱点而变形时，会产生不希望的双折射。玻璃公司克服了这一困难，但在 2001 年，测试生产几年后，他们意识到这种晶体无论多么无应力、放松，都会固有地产生一定量的双折射。这种所谓的固有双折射被测量为每厘米晶体 11.2 纳米，但尽管如此，这是一个严重的问题。蔡司和 ASML 的工程师考虑在光学系统中引入第二种镜头材料。自然存在的氟化钡晶体，以有趣的名字 frankdixonite 为人所知，具有类似的固有双折射，但方向相反。
光刻技术中的材料挑战
然而，供应链尚未准备好增加这种新材料的产量。他们仅与氟化钙的处理就已经足够头痛，因此这个想法被放弃了。最终，工程师们发现，晶体内的双折射量取决于光线进入晶体的方向。因此，他们创造了可以互相抵消光扭曲的晶体方向对。例如，一个特定方向定位的晶体透镜，ASML 将其标记为 1-1-1，需要与两个 100 方向晶体透镜配对。这两个 100 透镜中的第二个必须相对于第一个倾斜 45 度。这种配对要求对系统的其余部分产生了连锁反应，例如在光学透镜涂层方面，特别是在需要重写的机器嵌入式软件方面。但这个疯狂的内禀双折射补偿方案成功了。蔡司本人也会感到骄傲。您可能想知道为什么光刻行业选择了 157nm 这一特定波长。这个数字非常重要。193nm 可能是最后一种投入大规模生产的的光学光刻技术。但 157nm 是最后可行的光学光刻技术。这是因为掩膜片。掩膜片是半透明的模板，它承载着芯片设计。数十年来，行业一直使用熔融石英制造掩膜片，这是一种纯的二氧化硅玻璃。行业之所以偏好熔融石英，是因为它能够很好地处理大的温度变化。如果温度变化 1 摄氏度，玻璃的结构只会移动大约 0.00005%。因此，如果这个熔融石英板上承载的芯片图案由大约 50mm 宽的线条组成，记住掩膜片上的特征会缩小，所以它不必像芯片上的那么小，那么 1 摄氏度的变化只会导致它扭曲大约 25nm。这是可以接受的。157nm 是熔融石英保持透明的最后一种波长。结果发现，即使是普通版本也会吸收 157nm 的光。ASML 和康宁不得不开发了一种被称为透明熔融石英的特殊材料。
157nm 光刻技术的发展
光刻技术在芯片制造中扮演着至关重要的角色。在 157nm 光刻技术的发展过程中，一个关键的创新是使用了脱水熔融石英材料，这种材料能让 85%的紫外光通过。其他材料，如用于光学镜头的结晶状氟化钙，因在晶圆曝光阶段会产生严重变形和扭曲，而不适用于制作光刻掩模。脱水熔融石英的发明成为了一个重要的突破，使得 157nm 光刻掩模得以向前发展。到了 2002 年，ASML 公司仍在研究如何生产出合适的 pellicle（一种保护掩模免受污染的保护套），但这一部件看起来已经为大规模生产做好了准备。
掩模和光刻胶的挑战
光刻胶的作用是帮助将芯片图案通过吸收掩模上的紫外光而固定在晶圆上。在这一领域，最大的挑战是化学性质的。传统的用于 248nm 和 193nm 的光刻胶主要是改性烃类，但这些烃类在常规厚度下会吸收过多的 157nm 光。因此，要么将光刻胶层减薄至大约 60 或 90nm，但这会影响精度，要么寻找其他替代材料。这些新材料的有些非常罕见，由已知的致癌物合成。更重要的是，行业似乎无法及时为 90-100nm 工艺节点世代制定并商业化合适的替代光刻胶。他们只能选择将光刻胶做薄。
193nm 浸入式光刻技术的崛起
当 157nm 技术遇到挑战时，193nm 浸入式光刻技术（193i）在 21 世纪初迅速崛起，成为下一代光刻技术的有力候选者，以接替 193nm 技术。浸入式光刻通过将紫外光通过浸入液体来提高机器的印刷分辨率。行业突然发现自己试图支持三种可行的下一代光刻技术：193i、157nm 和极紫外光(EUV)。选择过多，导致了不确定性。Sematech，北美的半导体行业集体，在此期间面临着技术路线选择的重大挑战。
157nm 光刻技术的挑战
157nm 光刻技术在与 193nm 技术的竞争中显得较弱。这一技术虽然较为保守，但并不如 193i 技术那般保守，后者所需的新技术较少。关键的是，尚未找到适合商业化的 157nm 沉浸式流体，而 193i 技术则可以使用简单的超纯水。尽管 157nm 技术正在发展，但其发展速度并未能跟上 100nm 工艺节点的推出速度。尤为关键的是，可用于透镜的氟化钙晶体的合格产量仍然只有 1%左右。
成本因素
光刻机占到了晶圆厂总资本成本的一半以上。157nm 光刻机的成本预计是 193nm 光刻机的两倍，这是一个难以接受的事实。2003 年 5 月，该技术的最初支持者之一，英特尔公司宣布将 157nm 技术从路线图中剔除，他们强调的是技术因素而非经济因素。
行业影响
在英特尔这一重大决定之后，行业虽然受到了冲击，但仍继续发展了一段时间。例如，同年 8 月，仍在横滨举办了第四届国际 157nm 光刻年度研讨会。ASML 在 2003 年 9 月将他们的 Microscan 7 原型机交付给测试客户和经常合作的 IMEC。
技术转型
在英特尔宣布决定的一年内，其他半导体制造商也停止了 157nm 技术的开发。光刻工具、光学材料、光刻胶、抗反射涂层、pellicles、掩模、掩模基板、计量工具和检测工具的供应商们，共同投入了数亿美元开发 157nm 光刻技术，现在这些投资都被浪费了。行业短期内转向 193i 技术，长期内则转向 EUV 技术。ASML 在 2006 年推出了首款沉浸式光刻双扫描技术。光学光刻技术为半导体行业带来了黄金时期，而行业也试图通过 157nm 技术给予这一技术最后的辉煌。
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