中國無掩模光刻技術(shù)發(fā)展任重道遠

如今，集成電路的功能不斷增強，速度不斷加快，單塊半導(dǎo)體硅晶片上集成的元器件數(shù)目越來越多，且仍然在追求小尺寸、高生產(chǎn)率、高集成度。在集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，光刻技術(shù)為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用，它將設(shè)計的掩膜圖形無偏差地轉(zhuǎn)移到基片上，是半導(dǎo)體制造技術(shù)中最復(fù)雜、先進的技術(shù)之一。

隨著器件特征尺寸越來越小，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)在降低分辨率時遇到了巨大挑戰(zhàn)，因為光刻分辨率幾乎已經(jīng)達到了物理極限。雖然此后出現(xiàn)了浸沒式光刻技術(shù)和極紫外光刻技術(shù)，但其昂貴的價格讓人望而卻步，因此，如何降低掩模成本，發(fā)展不需要昂貴掩模的無掩模光刻技術(shù)成為光刻技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

起步較晚存在短板

本文的專利申請數(shù)據(jù)來自世界專利文摘數(shù)據(jù)庫、德溫特專利數(shù)據(jù)庫和中國專利文摘數(shù)據(jù)庫，檢索日期截至2015年1月1日。筆者采用與無掩模光刻技術(shù)相關(guān)的專利分類號與關(guān)鍵詞進行檢索，共檢索到4892件專利申請。

無掩模光刻技術(shù)興起于上世紀90年代中期；上世紀90年代中后期至2005年，無掩模光刻技術(shù)的專利申請量開始快速上升；2005年后，該領(lǐng)域的專利申請量趨于平穩(wěn)。

筆者對該領(lǐng)域的專利申請人進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，無掩模光刻技術(shù)的專利申請主要集中在歐洲、美國、日本和韓國等國家和地區(qū)的企業(yè)。其中，ASML荷蘭有限公司的專利申請量最高，緊隨其后的是日本的富士膠片公司、美國的微激光系統(tǒng)公司、韓國的三星公司，這些公司都是光刻技術(shù)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，在該領(lǐng)域擁有較強的技術(shù)研發(fā)實力。該領(lǐng)域排名前十位的專利申請人中，并沒有中國大陸的企業(yè)，這說明我國企業(yè)與國外企業(yè)還存在一定差距。

無掩模光刻技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家掌握著該領(lǐng)域的先進技術(shù)，市場幾乎被這些國家壟斷。在無掩模光刻技術(shù)領(lǐng)域，美國的專利申請量占據(jù)高達39%的份額，日本緊隨其后，份額達到30%，歐洲的份額達到22%，而中國的國內(nèi)申請量僅占4%。

國內(nèi)無掩模光刻技術(shù)的專利申請主要集中在研究所及半導(dǎo)體公司，例如中國科學(xué)院微電子研究所、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所以及合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司，但這些申請人的專利申請量都不多。

這可能是由于國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)與國外存在較大差距，傳統(tǒng)光刻技術(shù)尚未達到光刻分辨率的極限，因此，國內(nèi)市場對無掩模光刻技術(shù)的需求不大，且國內(nèi)在無掩模光刻技術(shù)的研究大多停留在起步階段，還未研發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品，也未進行專利布局。

加大研發(fā)縮小差距

無掩模光刻技術(shù)主要包括基于光學(xué)和基于帶電粒子兩種刻蝕類型，基于光學(xué)的無掩模光刻專利技術(shù)發(fā)展較快，分為基于空間光調(diào)制器（SLM）、基于干涉光刻和基于波帶片陣列的光刻技術(shù)。

SLM作為無掩模光學(xué)光刻系統(tǒng)的圖形發(fā)生器，可便捷、靈活、并行、低成本和高速地產(chǎn)生曝光圖形，在小批量高精度掩模制作和位光學(xué)器件生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。目前在SLM無掩模光學(xué)光刻技術(shù)中使用的空間光調(diào)制器主要是基于微機電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的反射式微鏡系列，包括傾斜型微鏡和活塞型微鏡。

上世紀90年代末期，瑞典的一家公司推出SLM和相關(guān)技術(shù)后，ASML荷蘭有限公司開始和這家公司聯(lián)合生產(chǎn)無掩模光刻機，并相繼在美國、歐洲、日本、中國等提交了專利申請。

干涉光刻無需采用掩模，不用昂貴的短波長光源和成像透鏡，可用一般光刻光源和抗蝕劑。該光刻技術(shù)將光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入襯底的光敏材料中，通過采用兩束光束形成干涉圖案，將襯底暴露于干涉圖案下，以使光誘導(dǎo)材料發(fā)生變化，并且通過控制其中的至少一束光的波前信息從而創(chuàng)造出干涉圖案的不規(guī)則性，由此在光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生功能性缺陷。該干涉光刻技術(shù)將光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入，并且在寫入過程中能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率小于光束干涉區(qū)域的尺寸。

波帶片陣列光刻技術(shù)的系統(tǒng)由4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)組成，即光源、空間光調(diào)制器、掃描工件臺和波帶片陣列。平行相干光束通過空間光調(diào)制器的控制射到波帶片陣列上，利用波帶片的衍射聚焦性質(zhì)，以點陣焦斑的形式匯聚到表面涂有光刻膠的基片上，與此同時，精密工件臺進行掃描運動，最終在光刻膠上形成所需的任意圖形結(jié)構(gòu)，點陣的變化受上方的空間光調(diào)制器的控制。

基于帶電粒子的無掩模光刻包括電子束光刻、離子束光刻、原子光刻等，它們的出現(xiàn)使得基于光學(xué)光刻的分辨率得到進一步提高。目前光學(xué)光刻能直接寫出的最小線條在45納米左右。由于電子束的輻射波長可以通過增加其能量大大縮短，這就使得電子束光刻能夠具有極高的分辨率。雖然電子束光刻技術(shù)可以將復(fù)雜的電路圖直接寫到硅片上而無需掩模版，但因電子束必須把電路圖形掃描到硅片上，其曝光速度慢，曝光耗時過長，無法用于大規(guī)模生產(chǎn)，且電子束的穩(wěn)定性和可靠性、電子束消隱裝置的排布、電子束的污染問題，以及電子束散射而引起的鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致曝光在芯片上的圖形尺寸與掩模版上的圖形尺寸沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系等，這些問題都必須進行修正，才能使電子束光刻得到進一步發(fā)展。

無掩模光刻技術(shù)的進一步發(fā)展，將為突破傳統(tǒng)的光刻分辨率極限帶來新的機遇。以基于數(shù)字微透鏡裝置作為空間光調(diào)制器的光學(xué)無掩模光刻技術(shù)、干涉光束光刻技術(shù)和電子束光刻技術(shù)為代表的無掩模光刻技術(shù)是一項具有很大潛力的技術(shù)，可用于設(shè)計認證，并在一些特殊用途且小批量的生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，而波帶片陣列光刻技術(shù)具有高分辨率、高生產(chǎn)效率、低成本的優(yōu)點，能解決光學(xué)無掩模光刻所面臨的難題，并在降低成本和曝光出高質(zhì)量的圖形方面發(fā)揮重要作用，有望商業(yè)化。在無掩模光刻技術(shù)領(lǐng)域，歐美和日本的投入較大，并在該領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢，我國無論從專利申請量還是參與的企業(yè)數(shù)量來看，與上述國家均存在較大差距。這需要我國相關(guān)企業(yè)加大研發(fā)力度，盡快掌握相關(guān)核心技術(shù)，以在半導(dǎo)體技術(shù)的競爭中掌握主動權(quán)。（張瑞）

來源：中國知識產(chǎn)權(quán)報

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