解读SPIE 2019，中国光刻技术差距有多大？
SPIE先进光刻技术会议（SPIE Advanced Lithography2019）是全球领先的光刻技术盛会，于北京时间2月24日到2月28日在美国加州圣荷西会展中心召开。大会涵盖诸如光学光刻技术、EUV光刻技术、新型图案化技术、测量、检测和光刻工艺控制、材料及工艺改进、设计工艺协同优化以及先进刻蚀等领域的先进光刻与图形化技术。对于材料供应商、设备制造商及先进芯片生产商来说，都是不可错过的一场技术大餐。
来源：SPIE 2019
SPIE涵盖广泛，议题众多，不是简单的一篇文章所能完整包括的。本文主要聚焦于本次会议的几个热点话题，供关注半导体产行业的朋友们参考。
量子计算：未来智能应用的引擎
特邀演讲嘉宾Dario Gil博士来自于IBM Research，他是其74年历史上的第12位主管。在担任目前的职位之前，Gil博士曾担任IBM Research的首席执行官、AI和Quantum Computing的副总裁。在大会上，他做了“未来是量子的”开幕式演讲，概述了计算机和量子计算的发展过程，及量子计算对未来技术的意义，并讨论了未来发展面临的挑战，强调了光刻和纳米图形制备技术对智能应用的必要性与重要性。
来源：SPIE 2019
Gil博士首先回顾了计算机发展的历史，他认为20世纪一些最重要的技术进步是由过去几十年的基础科学探索所推动的，其最初目的只是为了扩大人类的理解。这个时代见证了“经典”计算机的诞生和广泛使用，这些计算机将信息表示为比特0和1。尽管人类在过去的一个世纪里不断地取得了计算上的进步，但仍然存在很多“经典”计算机无法解决的重要和相关的问题。
来源：IBM
展望未来，他认为我们正在见证一种新的计算范式——量子计算的快速发展。量子计算利用了量子力学在自然界中的规律，代表了从经典信息处理的根本变化。量子行为的两个性质——叠加和纠缠——可能让量子计算机有一天能够解决当今传统经典机器难以解决的问题。
来源：IBM
这种新的计算使用量子比特，可以解决困扰经典计算机的问题。新型计算机的出现并不意味着旧的技术会消失。Gil预言将会有经典和量子计算机共存，以及那些基于人工智能和生物系统的计算机。最好的工具和技术将由具体的任务决定。
正如Gil所说，“这将决定我们如何解决问题。”
EUV光刻：半导体产业的加速器
EUV光刻机终于可以投入生产了！
卡尔蔡司的高级首席科学家Bernd Geh在2月25日的主旨演讲中说：“EUV光刻技术有了显著的进步”，尽管这比原计划晚了几年。
那么，为什么必须使用EUV？
这与当前人类社会的快速发展密不可分。在此情况下，数据流量呈指数增长，每隔几年就有几倍的流量增长。这可以通过增加服务器、服务器中的芯片或芯片中的晶体管的数量来处理，而最后一个是最具有成本效益的，这就是为什么EUV的上市对人类社会如此重要。
然而，由于某些金属层的高分辨率要求，当前的单次EUV光刻能力很快就会在更先进的技术节点下面临严峻挑战。
来源：SPIE 2019
今天，最先进的半导体技术在最苛刻的层上使用的依然是应用了许多年的193nm浸没式结合多重曝光技术，在继续发展中，它将面临越来越多的问题与挑战。相比之下，EUV的波长约为13.5nm，明显要短得多。因此，EUV光刻能够在一次光刻过程中对7纳米节点的最精密的关键层进行图案化。
EUVL作为一种技术，需要在光源、掩模、光刻胶等方面不断取得进展直到在行业能够更为成熟的使用。在讨论还有多少空间可以改进时，Geh粗略计算了光子计数波动引起的理论极限。在半导体制造的微观尺度上，光子的离散性变得越来越明显，光子与光刻胶相互作用的数量随时间而变化，这种随机变化导致了诸如边缘粗糙或桥接、接触孔缺失等问题。根据统计，分辨率公式中系数K4应该大约为0.75，而其观测值介于4和8之间，这表明光刻胶、刻蚀和其他加工还可以进一步完善。
来源：SPIE 2019
Geh在演讲后的问答中说，挑战在于“充分利用那些已经被吸收的光子要比我们现在所采用的手段更加有效”。
IMEC的设计自动化经理RyoungHan Kim在他的主旨演讲中说，EUVL将首先用于金属、金属接触或通孔之中。他指出，半导体特征图形的稳定收缩在某些层已经放缓。然而，金属层和通孔层却以相同的恒定速度继续变小，这意味着这些层需要EUV光刻机的高分辨率。尽管如此，在几年内，对于最严格的金属设计规则，届时单次EUV光刻便无法满足要求，而需要进行多次EUV光刻。
变革永不停息！
3D NAND：持续堆叠导致了更多困难与挑战
来自TechInsights的高级技术研究员（Fellow）Jeongdong Choe在大会上做了3D NAND技术：路线图、工艺、设计与挑战的开幕式报告。他指出，二维NAND闪存器件在制造方面仍然存在许多技术障碍和问题，如四重图形曝光技术（SAQP）、气隙技术、串扰/干扰和CG/FG失偏，因此三维NAND闪存架构是克服平面技术局限性的一个机会。手机中的存储芯片已经不是在二维平面上构造，而是将存储单元堆叠起来。堆叠会显著增加可用内存密度，目前每平方毫米允许容量达6G之多。这就是为什么3D NAND闪存技术在工业和商业市场上都很受欢迎并在持续向前推进的原因所在，是包括固态硬盘和大容量数据在内的非易失性存储器件最突出的集成解决方案之一。
来源：SPIE 2019
展望未来，他预测在几年内将有多达500层的堆叠存储芯片出现。反过来，这将导致芯片能够存储更多的信息，从而使手机成为这类存储器的主要市场，甚至应用在更强大的设备上。
随后，来自ASML的Steven Steen和LAM Research的介质首席技术官Bart van Schravendijk一起联合做了一个特邀演讲报告。在演讲中，他们首先简要回顾了3D NAND器件的构建顺序，然后便将主要焦点转移到了3D NAND图形化制造过程中的几个关键问题，并讨论了其在制造工艺上需要做的必要折中。
来源：SPIE 2019
他们称，当前向3D NAND器件的过渡比过去任何一个HVM器件都驱动更大的工艺和集成复杂性。节点转换现在关注的是增加堆叠层数量，而不是横向微缩，这带来了一系列新的挑战。
在整个工艺流程中，薄膜应力至关重要。薄膜应力取决于材料和工艺，但也取决于集成和设计。在构建过程中，薄膜应力的不完全管理会留下残余应力，残余应力表现在衬底材料的局部和整体变形中。特别是随着堆叠层数的增加，应力的影响将逐渐放大，如下图所示。为了尽量减少对器件良率的影响，在整个过程中，都需要与先进的聚焦和对准检测设备相结合，通过一系列工艺和设备调试，最大限度的降低应力。
来源：LAM
在以上的报告中，特邀演讲嘉宾们讨论了3D NAND图形化制造带来的技术挑战，展示了工艺创新是如何改变半导体世界的——不是颠倒的，而是从水平到垂直。同时，芯片结构的巨大变化为沉积、刻蚀和光刻技术带来了新的要求，这不仅使得存储技术能够更快的向前发展，还使得所有的工程师都一直保持着非常高的压力。
国内参会情况
仔细查看会议的Final program，可以发现一共有18篇来自中国大陆的报告，其中发言报告1篇，其余全是墙报。这惟一的1篇口头报告，并非来自于国内材料供应商、设备制造商或芯片生产商，而是来自于计算光刻，一定意义上无法反映出当前国内相关产业的实际发展情况。这令人惶恐，非常窘迫。
半导体行业的材料与设备是牵动行业壮大发展的关键，而光刻相关领域技术壁垒高，国内尚未掌握关键核心技术，尤其高端光刻机更是“工业皇冠冠上的明珠”。目前90纳米国产高端光刻机已经顺利验收交付，为国内集成电路半导体装备行业跨出关键性的一大步，但是最先进的光刻机仍是最困难的一个环节。
对于光刻胶材料来说，当前世界上最先进的技术已经发展到了7nm工艺节点，而光刻胶专用化学品的化学结构特殊、品质要求极高、微粒及金属离子含量要求苛刻，生产、检测、评价设备投资大，需要长期的技术积累，而且需要结合具体的工艺技术代进行反复调试、优化与迭代改进，这些特点使得国内的光刻胶发展一直都较为滞后，与国际先进水平还存在着巨大的差异。这种现象在SPIE会议上再一次得到了充分验证，与我们所感知到的实际情况非常吻合。
任重道远啊！
如果在某一年的SPIE会议上，我们能够看到有众多来自国内的材料、设备和芯片制造商们在会场上做口头发言报告，我相信届时中国的半导体产业绝对是位居一流之列了。
让我们拭目以待，期望那一天早日到来！
结语
在之前结束的SPIE 2019国际先进光刻技术大会上，我们不仅能够看到过去一年全球半导体产业取得的成果，还能看到国际上非常多的研究机构披露了很多的产业或研究最新进展情况，当然，还能看到未来产业发展所要面对的新问题、新情况、不断涌现的困难与挑战。通过本次大会，我们不仅能够从感觉上，也能从真实的冷冰冰的数据上看到国内相关半导体产业与世界先进水平的巨大差距。
在中美贸易战大背景下，在日益保守的半导体产业形势下，中国半导体产业的发展靠什么，如何确保不在竞争的大潮下日益落伍，又当如何早日的进入到国际一流方阵，而每一个从业者又能做什么，中国半导体产业的发展关键又是什么？
只有永不停歇的流逝的时间能够告诉我们这一切的答案。
作者的话：本文主要聚焦了本次会议的几个热点话题，并且由于众所周知的原因，我不得不把一些技术细节屏蔽掉。另外，尽管其他方面的内容也非常重要，却超出了一篇文章所能承载的范围，但是会在后续的文章中继续报道。如果你对先进器件制造技术、工艺与集成、新型器件及与其密切相关的材料与设备技术非常感兴趣，并乐于指出我在文中的不当表述，或想进行更多的补充，或期望与我进行更进一步的讨论，可在后台留言或留下联系方式！
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