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PCB光刻技术的现在与未来

  1  导语
  PCB光刻技术作为半导体及其相关产业发展的关键技术之一,一方面在过去的几十年中发挥了重大作用;另一方面,随着PCB光刻技术在应用中技术问题的增多、用户对应用本身需求的提高和PCB光刻技术进步滞后于其他技术的进步凸显等等,寻找解决技术障碍的新方案、寻找COO更加低的技术和找到下一俩代可行的技术路径,去支持产业的进步也显得非常紧迫,备受人们的关注。就像ITRS对未来技术路径的修订一样,上世纪基本上3~5年修正一次,而进入本世纪后,基本上每年都有修正和新的版本出现,这充分说明了PCB光刻技术的重要性和对产业进步的影响。是基于2005年ITRS对未来几种可能PCB光刻技术方案的预测。也正是基于这一点,新一轮技术和市场的竞争正在如火如荼的展开,大量的研发和开发资金投入到了这场竞赛中。因此,正确把握PCB光刻技术发展的主流十分重要,不仅可以节省时间和金钱,同时可以缩短和用户使用之间的周期、缩短开发投入的回报时间,因为PCB光刻技术开发的投入比较庞大。
  
         2  PCB光刻技术的应用现状
  众说周知,电子产业发展的主流和不可阻挡的趋势是"轻、薄、短、小",这给PCB光刻技术提出的技术方向是不断提高其分辨率,即提高可以完成转印图形或者加工图形的最小间距或者宽度,以满足产业发展的需求;另一方面,光刻工艺在整个工艺过程中的多次性使得PCB光刻技术的稳定性、可靠性和工艺成品率对产品的质量、良率和成本有着重要的影响,这也要求PCB光刻技术在满足技术需求的前提下,具有较低的COO和COC。因此,PCB光刻技术的纷争主要是厂家可以提供给用户什么样分辨率和产能的设备及其相关的技术。
  2.1 以Photons为光源的PCB光刻技术
  在PCB光刻技术的研究和开发中,以光子为基础的PCB光刻技术种类很多,但产业化前景较好的主要是紫外(UV)PCB光刻技术、深紫外(DUV)PCB光刻技术、极紫外(EUV)PCB光刻技术和X射线(X-ray)PCB光刻技术。不但取得了很大成就,而且是目前产业中使用最多的技术,特别是前两种技术,在半导体工业的进步中,起到了重要作用。
  紫外PCB光刻技术是以高压和超高压汞(Hg)或者汞-氙(Hg-Xe)弧灯在近紫外(350~450nm)的3条光强很强的光谱(g、h、i线)线,特别是波长为365nm的i线为光源,配合使用像离轴照明技术(OAI)、移相掩模技术(PSM)、光学接近矫正技术(OPC)等等,可为0.35~0.25μm的大生产提供成熟的技术支持和设备保障,在目前任何一家FAB中,此类设备和技术会占整个PCB光刻技术至少50%的份额;同时,还覆盖了低端和特殊领域对PCB光刻技术的要求。光学系统的结构方面,有全反射式(Catoptrics)投影光学系统、折反射式(Catadioptrics)系统和折射式(Dioptrics)系统等,如图2所示。主要供应商是众所周知的ASML、NIKON、CANON、ULTRATECH和SUSS MICROTECH等等。系统的类型方面,ASML以提供前工程的l:4步进扫描系统为主,分辨率覆盖0.5~0.25μm:NIKON以提供前工程的1:5步进重复系统和LCD的1:1步进重复系统为主,分辨率覆盖0.8~0.35μm和2~0.8μm;CANON以提供前工程的1:4步进重复系统和LCD的1:1步进重复系统为主,分辨率也覆盖0.8~0.35μm和1~0.8μm;ULTRATECH以提供低端前工程的1:5步进重复系统和特殊用途(先进封装/MEMS/,薄膜磁头等等)的1:1步进重复系统为主;而SUSS MICTOTECH以提供低端前工程的l:1接触/接近式系统和特殊用途(先进封装/MEMS/HDI等等)的1:1接触/接近式系为主。另外,在这个领域的系统供应商还有USHlO、TAMARACK和EV Group等。
  深紫外技术是以KrF气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长(248 nm和193 nm)的激光作为光源,配合使用i线系统使用的一些成熟技术和分辨率增强技术(RET)、高折射率图形传递介质(如浸没式光刻使用折射率常数大于1的液体)等,可完全满足O.25~0.18μm和0.18μm~90 nm的生产线要求;同时,90~65 nm的大生产技术已经在开发中,如光刻的成品率问题、光刻胶的问题、光刻工艺中缺陷和颗粒的控制等,仍然在突破中;至于深紫外技术能否满足65~45 nm的大生产工艺要求,目前尚无明确的技术支持。相比之下,由于深紫外(248 nm和193 nm)激光的波长更短,对光学系统材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。目前材料主要使用的是融石英(Fused silica)和氟化钙(GaF2),激光器的功率已经达到了4 kW,浸没式光刻使用的液体介质常数已经达到1.644等,使得PCB光刻技术在选择哪种技术完成100nm以下的生产任务时,经过几年的沉默后又开始活跃起来了。投影成像系统方面,主要有反射式系统(Catoptrics)、折射式系统(Dioptrics)和折反射式系统(Catadioptrics)。
  在过去的几十年中,折射式系统由于能够大大提高系统的分辨率而起到了非常重要的作用,但由于折射式系统随着分辨率的提高,对光谱的带宽要求越来越窄、透镜中镜片组的数量越来越多和成本越来越高等原因,使得折反射式系统的优点逐渐显示了出来。专家预测折反射式系统可能成为未来光学系统的主流技术,如NIKON公司和CANON公司用于FPD产业的光刻机,都采用折反射式系统,他们以前并没有将这种光学系统用于半导体领域的光刻机,而是使用折射式系统,像ASML公司一样。但随着技术的进步和用户需求的提高,他们也将折反射技术使用到了半导体领域的光刻机上,如图3所示的是NIKON公司开发的一种用于浸没式光刻的光刻机光学系统原理图。极紫外PCB光刻技术承担了目前大生产技术中关键层的光刻工艺,占有整个PCB光刻技术的40%左右。不像紫外技术,涉入的公司较多,深紫外技术完全由ASML、NIKON和CANON三大公司垄断,所有设备都以前工程使用的1:4步进扫描系统为主,分辨率覆盖了0.25~90 nm的整个范围。值得一提的是,在90~65 nm的大生产技术开发中,ASML已经走在了其他两家的前面,同时,45 nm技术的实验室工艺已经成功,设备已经开始量产,这使得以氟(F2)(157 nm)为光源的PCB光刻技术前景变得十分暗淡,专家预测的氟(F2)将是最后一代光学PCB光刻技术的可能性已经十分小了,主要原因不是深紫外技术发展的迅速,而是以氟(F2)为光源的PCB光刻技术诸如透镜材料只能使用氟化钙(CaF2)、抗蚀剂开发缓慢、系统结构设计最终没有方向和最后的分辨率只能达到80 nm等等因素。
  极紫外(EUV)PCB光刻技术早期有波长10~100 nm和波长1~25 nm的软X光两种,两者的主要区别是成像方式,而非波长范围。前者以缩小投影方式为主,后者以接触/接近式为主,目前的研发和开发主要集中在13 nm波长的系统上。极紫外系统的分辨率主要瞄准在13~16 nm的生产上。光学系统结构上,由于很多物质对13 nm波长具有很强的吸收作用,透射式系统达不到要求,开发的系统以多层的铝(Al)膜加一层MgF2保护膜的反射镜所构成的反射式系统居多。主要是利用了当反射膜的厚度满足布拉格(Bragg)方程时,可得到最大反射率,供反射镜用。目前这种系统主要由一些大学和研究机构在进行技术研发和样机开发,光源的功率提高和反射光学系统方面进步很快,但还没有产业化的公司介入。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素,极紫外(EUV)PCB光刻技术是众多专家和公司看好的、能够满足未来16 nm生产的主要技术。但由于极紫外(EUV)光刻掩模版的成本愈来愈高,产业化生产中由于掩模版的费用增加会导致生产成本的增加,进而会大大降低产品的竞争力,这是极紫外(EUV)PCB光刻技术快速应用的主要障碍。为了降低成本,国外有的研发机构利用极紫外(EUV)光源,结合电子束无掩模版的思想,开发成功了极紫外(EUV)无掩模版光刻系统,但还没有商品化,进入生产线。
  X射线PCB光刻技术也是20世纪80年代发展非常迅速的、为满足分辨率100 nm以下要求生产的技术之一。主要分支是传统靶极X光、激光诱发等离子X光和同步辐射X光PCB光刻技术。特别是同步辐射X光(主要是O.8 nm)作为光源的XPCB光刻技术,光源具有功率高、亮度高、光斑小、准直性良好,通过光学系统的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力强;同时可有效消除半阴影效应(Penumbra Effect)等优越性。X射线PCB光刻技术发展的主要困难是系统体积庞大,系统价格昂贵和运行成本居高不下等等。不过最新的研究成果显示,不仅X射线光源的体积可以大大减小,近而使系统的体积减小外,而且一个X光光源可开出多达20束X光,成本大幅降低,可与深紫外光PCB光刻技术竞争。
  2.2 以Particles为光源的PCB光刻技术
  以Particles为光源的PCB光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻,特别是电子束PCB光刻技术,在掩模版制造业中发挥了重要作用,目前仍然占有霸主地位,没有被取代的迹象;但电子束光刻由于它的产能问题,一直没有在半导体生产线上发挥作用,因此,人们一直想把缩小投影式电子束PCB光刻技术推进半导体生产线。特别是在近几年,取得了很大成就,产能已经提高到20片/h(φ200 mm圆片)。
  电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射投影电子束光刻(SCALPEL)和扫描探针电子束PCB光刻技术(SPL)。传统的电子束光刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受,由于热/冷场发射(FE)比六鹏化镧(LaB6)热游离(TE)发射的亮度能提高100~1000倍之多,因此,热/冷场发射是目前的主流,分辨率覆盖了100~200 nm的范围。但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻近效应等,有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题,由此产生了低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子显微镜(SEM)基本一样,将低能电子打入基底材料或者抗蚀剂,以单层或者多层L-B膜(Langmuir-Blodgett Film)为抗蚀剂,分辨率可达到10 nm以下,目前在实验室和科研单位使用较多。扫描探针电子束PCB光刻技术(SPL)是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜原理,将探针产生的电子束,在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性化学作用,如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。SPL目前比较成熟,主要应用领域是MEMS和MOEMS等纳米器件的制造,随着纳米制造产业的快速发展,扫描探针电子束PCB光刻技术(SPL)的前景有望与光学光刻媲美。另外一种比较有潜力的电子束PCB光刻技术是SCALPEL,由于SCALPEL的原理非常类似于光学PCB光刻技术,使用散射式掩模版(又称鼓膜)和缩小分步扫描投影工作方式,具有分辨率高(纳米级)、聚焦深度长、掩模版制作容易和产能高等优势,很多专家认为SCALPEL是光学PCB光刻技术退出历史舞台后,半导体大生产进入纳米阶段的主流PCB光刻技术,因此,有人称之为后光学PCB光刻技术。
  粒子束光刻发展较快的有聚焦粒子束光刻(FIB)和投影粒子束光刻,由于光学光刻的不断进步和不断满足工业生产的需要,使离子束光刻的应用已经有所扩展,如FIB技术目前主要的应用是将FIB与FE-SEM连用,扩展SEM的功能和使得SEM观察方便;另外,通过方便的注射含金属、介电质的气体进入FTB室,聚焦离子分解吸附在晶圆表面的气体,可完成金属淀积、强化金属刻蚀、介电质淀积和强化介电质刻蚀等作用。投影粒子束光刻的优点很明显,但缺点也很明显,如无背向散射效应和邻近效应,聚焦深度长,大于l0μm,单次照射面积大,故产能高,目前可达φ200 mm硅片60片/h,可控制粒子对抗蚀剂的渗透深度,较容易制造宽高比较大的三维图形等等;但也有很多缺点,如因为空间电荷效应,使得分辨率不好,目前只达到80~65 nm,较厚的掩模版散热差,易受热变形,有些时候还需要添加冷却装置等等。近几年由于电子束光刻应用的迅速扩展,粒子束光刻除了在FIB领域的应用被人们接受外,在MEMS的纳米器件制作领域也落后于电子束和光学光刻,同时,人们对其在未来半导体产业中的应用也没有给予厚望。
  2.3 物理接触式PCB光刻技术
  通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发,但和PCB光刻技术相提并论,并纳入光刻领域是产业对PCB光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing,其核心是纳米级模版的制作,图4所示的是Printing(a)和Embossing(b)工艺流程原理。物理接触式PCB光刻技术中,以目前纳米压印技术最为成熟和受人们关注,它的分辨率已经达到了10 nm,而且图形的均一性完全符合大生产的要求,目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物器件,预测也将是未来半导体厂商实现32 nm技术节点生产的主流技术。由于目前实际的半导体规模生产技术还处在使用光学PCB光刻技术苦苦探索和解决65 nm工艺中的一些技术问题,而纳米压印技术近期在一些公司的研究中心工艺上取得的突破以及验证的技术优势,特别是EV Group和MII(Molecular Imprinting Inc)为一些半导体设计和工艺研究中心提供的成套光刻系统(包括涂胶机、纳米压印光刻机和等离子蚀刻系统)取得的满意数据,使得人们觉得似乎真正找到了纳米制造技术的突破口。因此,一些专家预测,到2015年,市场对纳米成像工具、模版、光刻胶以及其他耗材的需求将达到约15亿美元,最大的客户仍然是半导体产业和微电子产品制造业,约占52%左右。另外,值得一提的是,纳米压印技术中最具被半导体工业化所首选的是软PCB光刻技术,软PCB光刻技术的原理和工艺流程如图5所示。技术优点是结合了纳米压印的思想和紫外光刻良好的对准特性,即可灵活的选择多层软模型,进行精确对位,也可在室温下工作,使用低于100kPa的压力压印。
  2.4 其它PCB光刻技术
  PCB光刻技术常见的技术方案如上所述的紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等,以广为业界的人们所熟悉。但近年来,在人们为纳米级PCB光刻技术探索出路的同时,也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中,主要有干涉PCB光刻技术(CIL)、激光聚焦中性原子束光刻、立体PCB光刻技术、全息PCB光刻技术和扫描电化学PCB光刻技术等等。其中成像干涉PCB光刻技术(IIL)发展最快,主要是利用通过掩模版光束的空间频率降低,可使透镜系统收集,然后再还原为原来的空间频率,照射衬底材料上的抗蚀剂,传递掩模版图形,可以解决传统光学光刻受限于投影透镜的传递质量和品质,无法收集光束的较高频率部分,使图形失真的问题。其他的PCB光刻技术因为在技术上取得的突破甚微,距离应用相当遥远,此处不再赘述。
  
        3  PCB光刻技术的技术性和经济性比较
  PCB光刻技术作为产业发展的技术手段,那种技术为产业界所普遍接受和采纳,是一个集技术性和经济性综合比较的产物。一方面,就狭义PCB光刻技术(包括光刻机技术、涂胶/现像机技术等)本身而言,有技术和经济的权衡;另一方面,PCB光刻技术的进步还会受到广义上PCB光刻技术(还包括掩模版及其制造技术、光刻胶及其制造技术、蚀刻和粒子注入技术等)的影响。因此,本文就以2005年ITRS对PCB光刻技术的修订内容,对PCB光刻技术在技术性和经济性方面发表点拙见。
  3.1 技术性比较
  一方面,从目前几种PCB光刻技术本身的发展和开发使用状况来看,深紫外光刻、极紫外光刻、限角度散射投影电子束光刻、扫描探针电子束PCB光刻技术、纳米压印光刻等,在能力上都有可能解决90 nm以下的半导体产业和微电子产品规模化生产问题,但真正产业化都有问题,如本文第一部分论述;另一方面,从技术的标准和如何与已经形成的现有光刻的庞大体系相互融合,顺利过渡,这些技术所处的状态各不相同。就像半导体产业在20世纪80~90年代的发展过程中,工艺技术形成了2~3个大的IP体系,也就是以IBM和TI等为核心的体系、以Siement和Toshiba为核心的体系一样,PCB光刻技术目前逐渐也在形成2~3大体系,特别是光学PCB光刻技术和纳米压印技术,这就意味着那个体系发展快,产业化进程迅速,良好解决了技术的衔接和过渡,谁就是技术标准,谁就是产业标准。因此,技术性的比较也有战略的竞争,就像ASML体系与NIKON和CANON体系的竞争,EV Group体系和MII体系的竞争。专家预测,半导体产业在本世纪初将会有大的并购和重组,我们可以清楚的看到,已经发生和正在发生的并购和重组实际上是体系的并购和重组,新的标准的产生过程。
  3.2 经济性比较
  相比较于技术性,经济性的比较尽管包含了系统本身的成本、系统的运行成本、掩模版制造成本、光刻胶的制造及消耗成本、配套检测和工艺监控设备的投入成本等,但我们可以量化它,固定制约的因素,就像2005年ITRS修订后对光刻成本的预测一样,如图6所示,只要确定了技术路径和标准,经济性的比较非常清楚。
  
        4  未来PCB光刻技术的发展
  随着电子产业的技术进步和发展,PCB光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴,如上所述,它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此,未来PCB光刻技术的发展也是多元化的,应用领域的不同会有所不同,但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言,实现其纳米水平产业化的PCB光刻技术将分成两个阶段,即90~32 nm阶段将仍然由深紫外和极紫外光刻结合一些新的技术手段去完成,同时纳米压印和扫描探针PCB光刻技术在45 nm技术节点将会介入进行过渡;32 nm以下的规模生产PCB光刻技术将在纳米压印和扫描探针PCB光刻技术之间选择。正如一位专家2005年预测,为实现32 nm节点以下的纳米成像技术的规模化生产,在接下来的5年内,纳米成像技术的发展将会加快,平均每年增长44.6%,其中发展最快的将会是纳米压印光刻和扫描探针PCB光刻技术,到2013年,32 nm的大生产技术节点将得以实现。另外,FPD产业作为PCB光刻技术应用的另外一个分支,在未来的占有率将会上升,除了已经形成的对PCB光刻技术需求的共识外(大面积、低分辨率和1:1折反射投影式等),一些新的技术也在开发中,如电子束PCB光刻技术和激光直写PCB光刻技术等。总之,未来PCB光刻技术的发展将会更快,技术上将会更加集中,一些没有市场前景和应用的技术将会淘汰。