中國無掩模光刻技術發(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、高生產率、高集成度。在集成電路產業(yè)的發(fā)展過程中，光刻技術為推動產業(yè)發(fā)展起到了重要作用，它將設計的掩膜圖形無偏差地轉移到基片上，是半導體制造技術中最復雜、先進的技術之一。

隨著器件特征尺寸越來越小，傳統(tǒng)的光刻技術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達到了物理極限。雖然此后出現(xiàn)了浸沒式光刻技術和極紫外光刻技術，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成為光刻技術領域的研究熱點。

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相關的專利分類號與關鍵詞進行檢索，共檢索到4892件專利申請。

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

筆者對該領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領域的龍頭企業(yè)，在該領域擁有較強的技術研發(fā)實力。該領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。

無掩模光刻技術是半導體行業(yè)產業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家掌握著該領域的先進技術，市場幾乎被這些國家壟斷。在無掩模光刻技術領域，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%，而中國的國內申請量僅占4%。

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

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

加大研發(fā)縮小差距

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

SLM作為無掩模光學光刻系統(tǒng)的圖形發(fā)生器，可便捷、靈活、并行、低成本和高速地產生曝光圖形，在小批量高精度掩模制作和位光學器件生產中發(fā)揮了重要作用。目前在SLM無掩模光學光刻技術中使用的空間光調制器主要是基于微機電系統(tǒng)技術發(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和相關技術后，ASML荷蘭有限公司開始和這家公司聯(lián)合生產無掩模光刻機，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。該光刻技術將光誘導結構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，由此在光誘導結構中產生功能性缺陷。該干涉光刻技術將光誘導結構寫入，并且在寫入過程中能夠實現(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的系統(tǒng)由4個關鍵環(huán)節(jié)組成，即光源、空間光調制器、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，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構，點陣的變化受上方的空間光調制器的控制。

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)使得基于光學光刻的分辨率得到進一步提高。目前光學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可以將復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，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，導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關系等，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制器的光學無掩模光刻技術、干涉光束光刻技術和電子束光刻技術為代表的無掩模光刻技術是一項具有很大潛力的技術，可用于設計認證，并在一些特殊用途且小批量的生產中發(fā)揮重要作用，而波帶片陣列光刻技術具有高分辨率、高生產效率、低成本的優(yōu)點，能解決光學無掩模光刻所面臨的難題，并在降低成本和曝光出高質量的圖形方面發(fā)揮重要作用，有望商業(yè)化。在無掩模光刻技術領域，歐美和日本的投入較大，并在該領域占據(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。這需要我國相關企業(yè)加大研發(fā)力度，盡快掌握相關核心技術，以在半導體技術的競爭中掌握主動權。（張瑞）

來源：中國知識產權報

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