nachricht

autorin leslie wu, ehemalige tsmc-fabrikexpertin

herausgeber su yang

ein dokument des ministeriums für industrie und informationstechnologie hat die forschung und entwicklung heimischer lithografiemaschinen erneut in den fokus der öffentlichkeit gerückt.

am 9. september veröffentlichte das konto „industry and information wechat news“ des ministeriums für industrie und informationstechnologie das vom ministerium für industrie und informationstechnologie am 2. september herausgegebene bekanntmachungsdokument zur veröffentlichung des „leitkatalogs für werbung und bewerbung“. des ersten (satz) der wichtigsten technischen geräte (ausgabe 2024)“ (wie unten gezeigt).

der erste punkt der „elektronischen spezialausrüstung“ im notifizierungsdokument ist „produktionsausrüstung für integrierte schaltkreise“, in dem insbesondere die technischen indikatoren von kryptonfluorid (krf)-lithographiemaschinen und argonfluorid (arf)-lithographiemaschinen klar erwähnt werdendas dokument gibt an, dass die wellenlänge des argonfluorid-lithographiegeräts 193 nm, die auflösung ≤65 nm und die überlagerung ≤8 nm beträgtdies wird von der außenwelt auch als großer durchbruch für heimische duv-lithografiemaschinen verstanden, und es gibt sogar gerüchte, dass heimische duv-lithografiemaschinen den 8-nm-prozess durchbrochen haben.

was stellen also die in dieser mitteilung des ministeriums für industrie und informationstechnologie erwähnten technischen indikatoren für heimische lithografiemaschinen tatsächlich dar?

01 die lithographiemaschine neu verstehen

aus besonderen gründen wie der exportkontrolle wurden lithografiemaschinen in den letzten zwei jahren häufig erwähnt, und die wissenschaftliche und technische fachwelt verfügt über ein gewisses verständnis für lithografiemaschinen.

in einem satz lässt sich sagen, dass die fotolithografiemaschine ein spezielles verfahren verwendet, um das muster zu verkleinern, es auf den siliziumwafer zu projizieren und die transistorschaltung zu ätzen, wodurch die chipherstellung erreicht wird.

lithographiemaschinen können je nach lichtquelle in drei typen unterteilt werden: uv, duv und euv.

jeder lichtquellentyp wird auch nach der art und weise unterschieden, wie er licht erzeugt. die wellenlänge der verschiedenen lichtquellen finden sie in der folgenden tabelle:

die beiden in der bekanntmachung des ministeriums für industrie und informationstechnologie genannten geräte entsprechen zwei arten von duv-lithographiemaschinen, krf und arf dry, die tiefes ultraviolettes licht verwenden. die offiziellen dokumente sind jedoch mit den chinesischen schriftzeichen kryptonfluorid und argonfluorid gekennzeichnet.

verschiedene lichtquellen von lithographiemaschinen haben unterschiedliche wellenlängen. je kürzer die wellenlänge, desto höher ist die erreichbare auflösung.beispielsweise verwendet eine kryptonfluorid-lithographiemaschine eine 248-nm-lichtquelle, um die produktion von chips mit einer auflösung von 0,11 μm bis 0,8 μm zu unterstützen, während mit einer 193-nm-argonfluorid-trockenlithographiemaschine eine höhere auflösung von 65 nm bis 0,11 μm erreicht werden kann.

ein weiterer schlüssel ist die numerische apertur (na) des objektivlinsensystems. der grund, warum diese beiden indikatoren kritisch sind, ergibt sich aus der sehr bekannten formel – dem rayleigh-kriterium, also cd =k1*λ/na.

cd ist die linienbreite, also die minimal erreichbare strukturgröße. λ ist die wellenlänge der von der lithographiemaschine verwendeten lichtquelle. na steht für die numerische apertur der objektivlinse der lithographiemaschine der koeffizient der linse, der licht sammelt, hängt von vielen faktoren ab, die mit dem herstellungsprozess zusammenhängen.

wenn die chipherstellung laut formel eine geringere linienbreite erreichen möchte, also einen kleineren cd-wert, ist dies hauptsächlich der fallverwenden sie eine lichtquelle mit kürzerer wellenlänge、objektive mit größerer numerischer apertur (na), und wege dazu findenunterer k1。

beispielsweise verfügt die aktuelle euv-extrem-ultraviolett-lithografiemaschine über eine lichtquellenwellenlänge von nur 13,5 nm. gleichzeitig bringt asml ständig euv-lithografiemaschinen mit höheren numerischen aperturen für die herstellung von 7-nm- oder höheren prozesschips auf den markt. aber sei vorsichtig,der 3-nm-chip hat von unten nach oben etwa hunderte von schichten, und auch die auflösungsanforderungen reichen von hoch nach niedrig. die euv-lithographiemaschine ist nur für die unteren 20 schichten verantwortlich, der rest wird von der duv-lithographiemaschine koordiniert.

02 auf zwei beinen gehen: hohe numerische apertur, immersionslithographie

nach unseren erkenntnissen aus der industrie kann das in der bekanntmachung des ministeriums für industrie und informationstechnologie genannte fotolithographiegerät einen k1-wert von 0,25 erreichen. gemäß dem rayleigh-kriterium 65 = 0,25 × 193/na kann abgeleitet werden, dass die numerische apertur des heimischen lithographiegeräts 0,75 beträgt.

die numerische apertur ist relativ niedrig, was für die erste produktgeneration akzeptabel ist. schließlich wird es in zukunft eine zweite und dritte generation geben.

allerdings auch initerieren sie die numerische apertur auf der vorhandenen arf-lichtquellen-lithographiemaschinevon 0,75 bis auf 0,93 wird die auflösung nur von derzeit 65 nm auf zukünftige 52 nm verbessert, was weitaus weniger ist als bei der sogenannten „28-nm-lithographiemaschine“.

iterieren sie daher auf dem weg der numerischen apertures gibt vorteile, aber das reicht nicht aus. wir müssen auch weitere durchbrüche bei immersionslithographiemaschinen versuchen, um das gehen auf zwei beinen zu erreichen.

das wesen der immersions-arf-lichtquelle hat sich nicht geändert, sie beträgt immer noch 193 nm (die lichtquellenleistung ist der kern der massenproduktionsmaschine), aber zwischen der objektivlinse der fotolithographiemaschine und dem wafer wird hochreines wasser hinzugefügt der brechungsindex wird auf 1,44 erhöht, was eine getarnte form darstellt. die wellenlänge von 193 nm wird entsprechend auf 134 nm reduziert, wodurch die auflösung der lithographiemaschine verbessert wird.

warum passiert das?

wie bereits erwähnt, rayleigh-kriteriumdas ist cd =k1*λ/na.durch die hinzufügung der wasserbrechung können wir eine modifikation daran vornehmen,cd =k1*λ/nsinθ, wobei n der brechungsindex von wasser ist, sinθ der sinus des winkels zwischen der linse der lithographiemaschine und der abbildungsoberfläche ist und nsinθ gleich der numerischen apertur na ist.

bei dem in tabelle 2 erwähnten asml 2100i handelt es sich um ein immersionslithographiegerät, daher beträgt n 1,44, der sinθ-wert der objektivlinse beträgt 0,93 und der k1-wert dieses geräts beträgt 0,28.

gemäß der deformierten formel ist die cd der 2100i-lithographiemaschine = (0,28 × 193)/(1,44 × 0,93) = 54,04/1,3392≈40 nm. dies ist die auflösung der „28-nm-lithographiemaschine“, die jeder normalerweise nennt.

inländische lithographiemaschinen werden direkt zu immersionsmaschinen aufgerüstet, ohne die numerische apertur zu verbessern.

bei weiterer anwendung der formel ist cd=(0,25×193)/(1,44×0,75)=48,25/1,08=44nm, was die auflösungsanforderungen der „28-nm-lithographiemaschine“ immer noch nicht erfüllen kann.

um also auf das zurückzukommen, was wir vorhin gesagt haben: wirwir müssen nicht nur in die forschung und entwicklung von immersionslithografiemaschinen investieren, sondern auch durchbrüche bei linsen erzielen, um den sinθ-wert der objektivlinse zu erhöhen und die numerische apertur zu erhöhen.

die gute nachricht ist dases gibt bereits unternehmen, die an immersionsobjektivsystemen mit einer numerischen apertur von 0,85 arbeiten.. wenn die forschung erfolgreich ist, wird die auflösung unserer lithographiemaschine voraussichtlich 39,41 nm erreichen und damit die für den „28-nm-prozess“ erforderliche auflösung von 40 nm tatsächlich durchbrechen.

in diesem dokument des ministeriums für industrie und informationstechnologie wurde die mit der objektivlinse verbundene numerische apertur nicht offengelegt, was weitere aufmerksamkeit verdient.

sie müssen wissen, dass die erste generation von immersionslithographiemaschinen vom trockentyp weiterentwickelt werden muss. wenn die numerische apertur der objektivlinse der trockenlithographiemaschine nicht das erstklassige niveau erreicht, wird dies auch für die immersionslithographiemaschine nicht möglich sein irgendetwas.

wie bereits erwähnt, besteht das prinzip der immersionslithographiemaschine darin, hochreines wasser zwischen der unterseite der linse und dem wafer zu platzieren. dies ist theoretisch einfach, aber sehr mühsam umzusetzen.

die erste besteht darin, luftblasen in reinstwasser vollständig zu beseitigen. zweitens ist es notwendig, das problem der unebenen flüssigkeitsoberfläche zu beseitigen, die durch den temperaturunterschied zwischen dem lichtdurchlässigen bereich und dem abschirmbereich verursacht wird. die lösung dieses problems besteht darin, ultrareines wasser schnell fließen zu lassen, was jedoch auch zu wirbeln führt. es ist ein schwieriges technisches problem, hochreines wasser schnell fließen zu lassen, ohne wirbel zu erzeugen. es ist sowohl notwendig als auch notwendig.

allein für das immersionssystem brauchten lin benjian und sein team 2 jahre und 7-8 überarbeitungen, um im asml-fabrikbereich von tsmc nanke einen durchbruch zu erzielen.

in der beta-phase nach fertigstellung der alpha-maschine muss eine riesige arbeitskraft organisiert werden, um unzählige wafer in der wafer-fabrik zu verschwenden, um die ursprünglichen tausenden von defekten auf hunderte, dutzende und schließlich auf null zu reduzieren.

03 für mehrfachbelichtungen gibt es keine lösung

wenn die auflösung nur 65 nm beträgt, gibt es andere möglichkeiten, sie weiter zu verbessern? haben.

das ruili-kriterium wurde bereits erwähnt,cd =k1*λ/na zusätzlich zu den beiden indikatoren wellenlänge und na numerische apertur kann die auflösung auch durch kontinuierliches verkleinern von k1 verbessert werden.

die reduzierung von k1 hat für lithografie-prozessingenieure in waferfabriken höchste priorität. ingenieure haben viele erstaunliche technologien zur reduzierung von k1 entwickelt, darunter phasenverschiebungsmasken, korrektur des optischen proximity-effekts, überätzung und inversionslithografie usw.

laut lin benjians einführung in der vorlesung „optical microcosm ic one million times“ müssen wir zur reduzierung von k1 zunächst „anti-vibration“ verwenden, genau wie anti-shake beim aufnehmen von bildern mit einem mobiltelefon, und versuchen, die relative vibration zwischen zu reduzieren den wafer und die maske während der belichtung, um das belichtungsmuster präziser zu machen und die durch vibrationen verlorene auflösung wiederherzustellen. der nächste schritt besteht darin, die „nutzlose reflexion“ auf der flüssigkeitsoberfläche während der belichtung zu reduzieren.

durch die verbesserung der beiden oben genannten punkte kann k1 grundsätzlich auf das niveau von 0,65 reduziert werden.

um k1 zu senken und die auflösung zu verbessern, können sie auch zweistrahl-bildgebungsmethoden verwenden, einschließlich außeraxialer belichtung und phasenverschiebungsmasken.

bei der off-axis-belichtung wird der einfallswinkel der lichtquelle so eingestellt, dass das licht schräg in die maske eintritt. durch anpassen des winkels interferieren die beiden lichter miteinander, um ein bild zu erzeugen, wodurch die auflösung und die schärfentiefe erhöht werden. die phasenverschiebungsmaske verwendet einige tricks auf der maske, um eine 180-grad-phasendifferenz im licht zu erzeugen, das durch benachbarte lichtdurchlässige bereiche geht.

beide methoden können k1 um die hälfte reduzieren und können nicht kombiniert verwendet werden.

die reduzierung von k1 auf 0,28 ist fast die grenze dessen, was alle oben genannten technologien erreichen können. wenn sie es weiter reduzieren möchten, müssen sie bei der belichtung mehr als zwei masken verwenden, was der bekannten mehrfachbelichtung entspricht (wie unten gezeigt).

im gängigsten sinne teilt es dichte muster in zwei oder mehr masken mit lockereren mustern auf, die wiederum auf dem wafer belichtet werden, um eine verbesserung der auflösung zu erreichen.

da jedoch die anzahl der belichtungen verdoppelt wird, verringert sich die effizienz des waferdurchsatzes um die hälfte, während der wph (waferdurchsatz pro stunde) unverändert bleibt, und eine weitere belichtung führt auch zu einer verringerung der ausbeute.

durch doppelbelichtung kann k1 von 0,28 auf 0,14 reduziert werden, bei vierfachbelichtung sogar auf 0,07.

nehmen wir als beispiel die 2100i-lithographiemaschine. nachdem alle buffs gestapelt sind, beträgt ihre theoretische cd = (0,07 × 193)/(1,44 × 0,93) = 13,51/1,3392 ≈10 nm. beachten sie, dass sich 10 nm auf die auflösung bezieht entsprechend es handelt sich um einen 2-nm-prozess. in den worten der menschen: „28-nm-fotolithographiemaschine macht 2 nm“.

kann die auflösung des heimischen 65-nm-arf-lithographiegeräts durch mehrfachbelichtung verbessert werden, da die mehrfachbelichtung so einfach zu verwenden ist? noch nicht.

mehrfachbelichtung ist ein technisches mittel, das viele technische bedingungen erfüllen muss, wie z. b. die überlagerungsgenauigkeit. ein einfaches verständnis ist der fehler, der durch die belichtung zwischen verschiedenen schichten des chips verursacht wird.

derzeit liegt das kontrollfenster für die overlay-genauigkeit bei einzelbelichtung bei etwa 20–25 % der auflösung, sodass produkte mit einer auflösung von 65 nm eine overlay-genauigkeit von mindestens 13 nm erfordern. die overlay-genauigkeit von haushaltsgeräten beträgt 8 nm, was diesem standard entspricht .

es ist jedoch zu beachten, dass 8 nm der werksstandard ist und das ergebnis von fehlern ist, die durch verschiedene prozesse während der waferverarbeitung verursacht werden. die produktionslinie wird viel niedriger sein als der werksstandard, über den sich asml oder nikon einig sind das gleiche. mit anderen worten: der 8-nm-standardindex von haushaltsgeräten liegt bei etwa 11-12 nm bei tatsächlichen produkten.

bei doppelbelichtung muss die overlay-genauigkeit um die hälfte reduziert werden, von 13 nm auf 6,5 nm, basierend auf einer auflösung von 20–25 %. der aktuelle 8-nm-overlay-genauigkeitsindex kann die anforderungen theoretisch nicht erfüllen.

um die auflösung durch mehrfachbelichtungen auf diesem haushaltsgerät zu verbessern, muss daher die überlagerungsgenauigkeit in zukünftigen iterationen weiter verbessert werden.