国产光刻机突破28nm了吗

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作者 前台积电建厂专家 Leslie Wu

编辑 苏扬

国产光刻机突破28nm了吗

工信部的一份文件,再次将国产光刻机研发推入公众视线。

9月9日,工信部旗下账号“工信微报”披露了工信部于9月2日签发的关于印发《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2024年版)》的通知文件(如下图)。

通知文件的“电子专用装备”的 项即“集成电路生产装备”,其中明确提到氟化氪(KrF)光刻机和氟化氩(ArF)光刻机的技术指标,尤其是氟化氩光刻机,文件标明其波长为193nm、分辨率≤65nm、套刻≤8nm,这也被外界理解为国产DUV光刻机取得重大突破,甚至传出了国产DUV光刻机突破8nm工艺的说法。

那么,工信部的这份通知,提及的国产光刻机技术指标到底代表什么?

由于出口管制等特殊原因,这两年光刻机频繁被提及,科技人群或多或少对光刻机有一定了解。

一句话总结,光刻机就是通过特殊的工艺,将图案微缩之后,投影在硅晶圆上并刻蚀晶体管电路,进而实现芯片制造。

光刻机依照光源不同,可以分为UV,DUV以及EUV三大类型。

每个光源类型依照产生光的方式不同也有所区分,各种光源波长可参照下表:

*表1,不同光源类型的光刻机对应的核心技术指标

工信部的通知提到的两款设备,对应的就是采用深紫外光的KrF和ArF Dry两个类型的DUV光刻机,只是 文件用了中文氟化氪、氟化氩来标记。

光刻机光源不同,波长对应会有差异,波长越短,可以实现的分辨率就越高,比如氟化氪光刻机,采用248nm光源,支持0.11μm-0.8μm分辨率芯片的生产,而采用193nm的氟化氩干式光刻机,则可以实现65nm-0.11μm这样更高的分辨率。

另外一个关键就是物镜系统的数值孔径(NA),这两个指标之所以关键,这源于 知名的公式—— 瑞利判据,即CD =k1*λ/NA。

CD是线宽 , 即可实现的最小特征尺寸,λ是光刻机使用光源的波长,NA代表光刻机物镜的数值孔径,也就是镜头收集光的角度范围,K1是一个系数,取决于芯片制造工艺有关的众多因素。

按照公式,如果芯片制造要实现更小的线宽,即CD值越小,主要就是透过使用波长更短的光源更大数值孔径(NA)的物镜,以及想办法降低K1

比如现在的EUV极紫外光刻机,光源波长只有13.5nm,同时A L也在不断地推出更高数值孔径的EUV光刻机,以用于7nm甚至更高工艺制程芯片的制造。但要注意,3nm芯片自下而上大概上百层,对分辨率的要求也自高到低,EUV光刻机只是负责最下面的20多层,其余则由DUV光刻机来配合。

据我们从产业内了解的消息,工信部通知提及的光刻机,可以实现0.25的K1值。按照瑞利判据,65=0.25 ×193/NA , 可以反推出国产光刻机的数值孔径为0.75。

*表2,A L不同光源光刻机的主要技术指标,数据来源:半导体综研

数值孔径相对较低,对 代产品来说可以接受,毕竟未来还有第二代、第三代。

不过,即便是在现有的ArF光源光刻机上对数值孔径进行迭代,从0.75一路拉倒0.93的水平,分辨率也不过是从现在的65nm,提升到将来的52nm,远不及所谓的“28nm光刻机”。

所以,在数值孔径这个路径上去做迭代有收益,但还不够,我们也需要在浸没式光刻机上面尝试更多的突破,实现两条腿走路。

浸没式ArF光源本质上没有变化,还是193nm(光源功率才是量产机核心),只不过是在光刻机物镜和晶圆之间加入了超纯水,折射率提升到了1.44,变相的将193nm波长,等效缩小为134nm,进而提升了光刻机的分辨率。

为什么会这样?

前面说了,瑞利判据即CD =k1*λ/NA。由于加入了水的折射,我们可以对其做个变型,CD =k1*λ/nsinθ,其中n就是水的折射率,sinθ为光刻机镜头与成像面的夹角正弦值,nsinθ等于数值孔径NA。

* 图2:光线通过透镜系统聚焦成像示意图,n为介质折射率,θ为镜头的聚光角度

表2里提到的A L 2100i,因为是浸没式光刻机,n即1.44,物镜的sinθ值为0.93,而这台设备的K1值为0.28。

按照变形后的公式,2100i光刻机的CD=(0.28×193)/(1.44×0.93)=54.04/1.3392≈40nm,这是大家平时口中说的“28nm光刻机”的分辨率。

国产光刻机直接升级成浸没式,在数值孔径没有提升的情况下,表现如何?

继续套用公式,其CD=(0.25×193)/(1.44×0.75)=48.25/1.08=44nm,仍然到不了“28nm光刻机”的分辨率要求。

所以,回到前面说的,我们不仅要投入浸润式光刻机研发,也需要在镜头上去突破,提升物镜的sinθ值,提升数值孔径。

一个好消息是,已经有公司在攻关0.85数值孔径的浸没式物镜系统。如果攻关成功,我们的光刻机分辨率有望达到39.41nm,真正突破“28nm工艺”所需要的40nm分辨率。

这次工信部的文件中,物镜相关的数值孔径没有披露,值得后续关注。

要知道, 代浸没式光刻机都需要从干式演变进化,如果干式光刻机物镜的数值孔径没有达到一流水平,浸没式光刻机也同样没办法。

前面提到过,浸没式光刻机的原理就是超纯水放置在镜头底部和晶圆之间,理论上容易但工程落地相当麻烦。

首先是要完全 超纯水中的气泡。其次,要 由于透光区和遮蔽区的温差带来的液体表面不均匀的问题, 这个问题的路径是让超纯水快速流动,但这也会产生旋涡。要超纯水快速流动,还不能产生旋涡,属于既要又要,是个很难的工程问题。

图3,林本坚研发的浸没式光刻机镜头系统演示

单单浸液系统,在台积电南科专门给A L的厂区,与林本坚团队耗时2年,修改了7-8回才实现突破。

Alpha机完成后的Beta阶段,还得组织庞大的人力在晶圆厂里面浪费无数晶圆,将原本上千个缺陷,降到几百个、几十个,最后降为零,这是一个艰苦的过程。

如果分辨率只有65nm,还有其他办法可以进一步提升吗?有。

前面提到瑞丽判据,CD =k1*λ/NA,除了波长、NA数值孔径这两个指标外,K1不断地缩小也能实现分辨率提升。

降低K1,是晶圆厂光刻工艺工程师们工作的重中之重,工程师们创造了许多令人赞叹的技术来降低K1,包括相移光罩、模型光学临近效应修正、过蚀刻、反演光刻等。

按照林本坚《光学微影缩IC百万倍》讲座中的介绍,降低k1首先要“防震动”,就好像手机拍照防抖,在曝光时设法减少晶圆和光罩相对的震动,使曝光图形更加精准,恢复因震动损失的分辨率。再来是减少曝光时液体表面的“无用反射”。

改良上述两项 , K1基本可以降低到0.65的水平。

降低K1提高分辨率,还可以使用双光束成像的方法,包括偏轴式曝光及移相光罩。

偏轴式曝光是调整光源入射角度,让光线斜射进入光罩。透过角度的调整,让这两道光相互干涉来成像,使分辨率增加,并增加景深。移相光罩则是在光罩上动些手脚,让穿过相邻透光区的光产生180度的相位差。

两种做法都可以让K1减少一半,不能叠加使用。

将K1降到0.28,几乎是上述所有技术所能做到的极限了。如果还要进一步降低,就需要在曝光时用两个以上光罩,也就是大家耳熟能详的多重曝光(如下图) 。

图4:光透过白色孔照射在晶圆的光刻胶上呈现 圆点,借助2个光罩分两次曝光,以实现分辨率的提升

用最通俗的话来说,它将密集的图案分工给两个以上图案较宽松的光罩,轮流曝光在晶圆上,实现分辨率的提升。

不过,因为曝光次数加倍 , 在WPH(每小时晶圆产量)不变的情况下 , 晶圆产出效率降低了一半,而多一次曝光也将导致良率的降低。

透过双重曝光,可以将K1从0.28降到0.14,甚至四重曝光的0.07。

还是以2100i光刻机为例,各种Buff叠满之后,其理论的CD=(0.07×193)/(1.44×0.93)=13.51/1.3392≈10nm,注意是10nm指的是分辨率,对应的是2nm工艺,用大家的话说,“28nm光刻机造2nm”。

既然多重曝光这么好用,国产65nm ArF光刻机的分辨率,能否通过多重曝光的方式提高分辨率?暂时不能。

多重曝光是一个技术手段,需要满足很多工程条件,比如套刻精度,简单理解就是芯片不同层次之间曝光形成的误差。

目前,单次曝光套刻精度的控制窗口大概是分辨率的20%-25%,所以65nm分辨率的产品,需要至少13nm的套刻精度,国产设备的套刻精度是8nm,符合这个标准。

但需要注意,8nm是出厂标准,是在标准光片上的结果,在晶圆加工过程中由于各种工序带来的误差,上产线后会比出厂标准低不少,这一点A L或尼康都一样。也就是说,国产设备的8nm标准指标,落在现实产品上也就差不多11-12nm。

而要做双重曝光,套刻精度必须在分辨率20%-25%的基础上,再降一半,从13nm下降到6.5nm,当前8nm套刻精度这个指标理论上已经无法满足要求。

所以要在这台国产设备上通过多重曝光提高分辨率,未来的迭代,套刻精度就得再更进一步。

关键词:刻机晶圆孔径