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auteur leslie wu, ancien expert en construction de fab tsmc

editeur su yang

un document du ministère de l'industrie et des technologies de l'information a une fois de plus attiré l'attention du public sur la recherche et le développement de machines de lithographie nationales.

le 9 septembre, le compte « industrie et information wechat news » du ministère de l'industrie et des technologies de l'information a divulgué le document d'avis publié par le ministère de l'industrie et des technologies de l'information le 2 septembre concernant la publication du « catalogue d'orientation pour la promotion et l'application. du premier (ensemble) d'équipements techniques majeurs (édition 2024)" (comme indiqué ci-dessous).

le premier élément "équipement électronique spécial" dans le document de notification est "l'équipement de production de circuits intégrés", qui mentionne clairement les indicateurs techniques des machines de lithographie au fluorure de krypton (krf) et des machines de lithographie au fluorure d'argon (arf), notammentmachine de lithographie au fluorure d'argon, le document indique que sa longueur d'onde est de 193 nm, sa résolution ≤ 65 nm et sa superposition ≤ 8 nm, cela est également compris par le monde extérieur comme une avancée majeure pour les machines de lithographie duv nationales, et il y a même des rumeurs selon lesquelles les machines de lithographie duv nationales ont franchi le processus 8 nm.

alors, que représentent réellement les indicateurs techniques des machines de lithographie nationales mentionnés dans cet avis du ministère de l'industrie et des technologies de l'information ?

01 re-comprendre la machine lithographie

pour des raisons particulières telles que le contrôle des exportations, les machines lithographiques ont été fréquemment mentionnées au cours des deux dernières années, et la foule scientifique et technologique a une certaine compréhension des machines lithographiques.

en une phrase, la machine de photolithographie utilise un processus spécial pour rétrécir le motif, le projeter sur la plaquette de silicium et graver le circuit du transistor, réalisant ainsi la fabrication de puces.

les machines de lithographie peuvent être divisées en trois types : uv, duv et euv selon différentes sources lumineuses.

chaque type de source lumineuse se distingue également selon la manière dont elle génère la lumière. veuillez vous référer au tableau suivant pour connaître la longueur d'onde des différentes sources lumineuses :

les deux équipements mentionnés dans l'avis du ministère de l'industrie et des technologies de l'information correspondent à deux types de machines de lithographie duv, krf et arf dry, qui utilisent la lumière ultraviolette profonde. cependant, les documents officiels sont marqués des caractères chinois fluorure de krypton et fluorure d'argon.

différentes sources de lumière des machines de lithographie auront des longueurs d'onde différentes. plus la longueur d'onde est courte, plus la résolution pouvant être obtenue est élevée.par exemple, la machine de lithographie au fluorure de krypton utilise une source de lumière de 248 nm pour prendre en charge la production de puces de résolution de 0,11 μm à 0,8 μm, tandis que l'utilisation d'une machine de lithographie sèche au fluorure d'argon de 193 nm peut atteindre une résolution plus élevée de 65 nm à 0,11 μm.

une autre clé est l'ouverture numérique (na) du système d'objectif. la raison pour laquelle ces deux indicateurs sont critiques vient de la formule très connue - le critère de rayleigh, c'est-à-dire cd = k1*λ/na.

cd est la largeur de ligne, qui est la taille minimale des caractéristiques pouvant être obtenue. λ est la longueur d'onde de la source de lumière utilisée par la machine de lithographie. na représente l'ouverture numérique de l'objectif de la machine de lithographie, qui est la plage angulaire. de la lentille qui capte la lumière. k1 est un coefficient qui dépend de nombreux facteurs liés au processus de fabrication.

selon la formule, si la fabrication de puces souhaite obtenir une largeur de ligne plus petite, c'est-à-dire plus la valeur cd est petite, c'est principalement grâce àutilisez une source lumineuse de longueur d’onde plus courte、objectifs avec une plus grande ouverture numérique (na), et trouver des moyens dek1 inférieur。

par exemple, la machine de lithographie ultraviolette extrême euv actuelle a une longueur d'onde de source lumineuse de seulement 13,5 nm. dans le même temps, asml lance constamment des machines de lithographie euv avec des ouvertures numériques plus élevées pour la fabrication de puces de traitement de 7 nm ou plus. mais attention,la puce de 3 nm comporte environ des centaines de couches de bas en haut, et les exigences de résolution vont également de haut en bas. la machine de lithographie euv n'est responsable que des 20 couches inférieures, et le reste est coordonné par la machine de lithographie duv.

02 marcher sur deux jambes : haute ouverture numérique, lithographie par immersion

d'après ce que nous savons de l'industrie, la machine de photolithographie mentionnée dans l'avis du ministère de l'industrie et des technologies de l'information peut atteindre une valeur k1 de 0,25. selon le critère de rayleigh, 65=0,25 ×193/na, on peut en déduire que l'ouverture numérique de la machine de lithographie domestique est de 0,75.

l'ouverture numérique est relativement faible, ce qui est acceptable pour la première génération de produits. après tout, il y aura des deuxième et troisième générations dans le futur.

cependant, même dansitérer l'ouverture numérique sur la machine de lithographie à source lumineuse arf existante, de 0,75 jusqu'au niveau de 0,93, la résolution n'est améliorée que du 65 nm actuel au futur 52 nm, ce qui est bien inférieur à la soi-disant « machine de lithographie 28 nm ».

par conséquent, parcourez le chemin de l’ouverture numériqueil y a des avantages, mais cela ne suffit pas. nous devons également tenter de nouvelles avancées dans les machines de lithographie par immersion pour pouvoir marcher sur deux jambes.

l'essence de la source de lumière arf à immersion n'a pas changé, elle est toujours de 193 nm (la puissance de la source de lumière est le cœur de la machine de production de masse), mais de l'eau ultra pure est ajoutée entre l'objectif de la machine de photolithographie et la plaquette, et le l'indice de réfraction est augmenté à 1,44, ce qui est une forme déguisée. la longueur d'onde de 193 nm est réduite de manière équivalente à 134 nm, améliorant ainsi la résolution de la machine de lithographie.

pourquoi cela se produit-il ?

comme mentionné précédemment, le critère de rayleighsoit cd = k1*λ/na.grâce à l'ajout de la réfraction de l'eau, nous pouvons y apporter une modification,cd = k1*λ/nsinθ, où n est l'indice de réfraction de l'eau, sinθ est le sinus de l'angle entre la lentille de la machine de lithographie et la surface d'imagerie, et nsinθ est égal à l'ouverture numérique na.

l'asml 2100i mentionné dans le tableau 2 est une machine de lithographie par immersion, donc n est de 1,44, la valeur sinθ de l'objectif est de 0,93 et ​​la valeur k1 de cet équipement est de 0,28.

selon la formule déformée, le cd de la machine de lithographie 2100i = (0,28 × 193)/(1,44 × 0,93) = 54,04/1,3392≈40 nm. c'est la résolution de la « machine de lithographie 28 nm » que tout le monde appelle habituellement.

les machines de lithographie domestiques sont directement mises à niveau vers des machines à immersion. comment fonctionnent-elles sans améliorer l'ouverture numérique ?

en continuant à appliquer la formule, son cd=(0,25×193)/(1,44×0,75)=48,25/1,08=44nm, qui ne peut toujours pas répondre aux exigences de résolution de la « machine de lithographie 28 nm ».

donc, pour revenir à ce que nous avons dit plus tôt, nousnon seulement nous devons investir dans la recherche et le développement de machines de lithographie par immersion, mais nous devons également réaliser des percées dans les lentilles pour augmenter la valeur sinθ de l'objectif et augmenter l'ouverture numérique.

la bonne nouvelle est quecertaines entreprises travaillent déjà sur des systèmes d'objectifs à immersion avec une ouverture numérique de 0,85.. si la recherche aboutit, la résolution de notre machine de lithographie devrait atteindre 39,41 nm, dépassant ainsi la résolution de 40 nm requise par le « processus 28 nm ».

dans ce document du ministère de l'industrie et des technologies de l'information, l'ouverture numérique liée à l'objectif n'a pas été divulguée, ce qui mérite une attention particulière.

il faut savoir que la première génération de machines de lithographie par immersion doit évoluer à partir du type sec. si l'ouverture numérique de l'objectif de la machine de lithographie par immersion n'atteint pas le niveau de première classe, la machine de lithographie par immersion ne pourra pas non plus le faire. rien.

comme mentionné précédemment, le principe de la machine de lithographie par immersion est de placer de l'eau ultra pure entre le fond de la lentille et la plaquette. c'est simple en théorie mais très délicat à mettre en œuvre.

la première consiste à éliminer complètement les bulles d’air dans l’eau ultrapure. deuxièmement, il est nécessaire d'éliminer le problème de surface inégale du liquide provoqué par la différence de température entre la zone de transmission de la lumière et la zone de protection. la manière de résoudre ce problème est de faire couler rapidement de l'eau ultrapure, mais cela produira également des tourbillons. c'est un problème d'ingénierie difficile que d'avoir de l'eau ultra pure qui s'écoule rapidement sans générer de tourbillons. c'est à la fois nécessaire et nécessaire.

rien que pour le système d'immersion, il a fallu à lin benjian et son équipe 2 ans et 7 à 8 révisions pour réaliser une percée dans la zone de l'usine de tsmc nanke dédiée à asml.

dans la phase bêta, après l'achèvement de la machine alpha, une main-d'œuvre énorme doit être organisée pour gaspiller d'innombrables plaquettes dans l'usine de plaquettes afin de réduire les milliers de défauts d'origine à des centaines, des dizaines et finalement à zéro.

03 il n'y a pas de solution aux expositions multiples

si la résolution n’est que de 65 nm, existe-t-il d’autres moyens de l’améliorer encore ? avoir.

le critère ruili a été mentionné plus tôt,cd = k1*λ/na en plus des deux indicateurs de longueur d'onde et d'ouverture numérique na, la résolution peut également être améliorée en réduisant continuellement k1.

la réduction du k1 est la priorité absolue des ingénieurs en processus de lithographie dans les usines de fabrication de plaquettes. les ingénieurs ont créé de nombreuses technologies étonnantes pour réduire le k1, notamment les masques de déphasage, la correction de l'effet de proximité optique du modèle, la sur-gravure et la lithographie par inversion, etc.

selon l'introduction de lin benjian dans la conférence "optical microcosm ic one million times", pour réduire k1, il faut d'abord "anti-vibration", tout comme l'anti-tremblement lors de la prise de photos sur un téléphone portable, essayer de réduire la vibration relative entre la plaquette et le masque pendant l'exposition, de manière à rendre le modèle d'exposition plus précis, rétablissant la résolution perdue en raison des vibrations. l'étape suivante consiste à réduire la « réflexion inutile » sur la surface du liquide lors de l'exposition.

en améliorant les deux éléments ci-dessus, k1 peut être réduit au niveau de 0,65.

pour réduire k1 et améliorer la résolution, vous pouvez également utiliser des méthodes d'imagerie à double faisceau, notamment une exposition hors axe et des masques à déphasage.

l'exposition hors axe consiste à ajuster l'angle d'incidence de la source lumineuse afin que la lumière pénètre obliquement dans le masque. en ajustant l'angle, les deux lumières interfèrent l'une avec l'autre pour former une image, augmentant ainsi la résolution et augmentant la profondeur de champ. le masque à déphasage utilise quelques astuces pour créer une différence de phase de 180 degrés dans la lumière traversant les zones adjacentes transmettant la lumière.

les deux méthodes peuvent réduire k1 de moitié et ne peuvent pas être utilisées en combinaison.

réduire k1 à 0,28 est presque la limite de ce que toutes les technologies ci-dessus peuvent réaliser. si vous souhaitez le réduire davantage, vous devez utiliser plus de deux masques pendant l'exposition, ce qui correspond à l'exposition multiple familière (comme indiqué ci-dessous).

dans les termes les plus courants, il divise les motifs denses en deux masques ou plus avec des motifs plus lâches, qui sont exposés tour à tour sur la tranche pour obtenir une amélioration de la résolution.

cependant, comme le nombre d'expositions est doublé, l'efficacité du débit de tranche est réduite de moitié tandis que le wph (débit de tranche par heure) reste inchangé, et une exposition supplémentaire entraînera également une réduction du rendement.

grâce à la double exposition, k1 peut être réduit de 0,28 à 0,14, voire 0,07 avec la quadruple exposition.

prenons l'exemple de la machine de lithographie 2100i. une fois tous les buffs empilés, son cd théorique = (0,07 × 193)/(1,44 × 0,93) = 13,51/1,3392≈10 nm fait référence à la résolution et à la résolution. correspondant il s’agit d’un processus de 2 nm. selon les mots des gens, « une machine de photolithographie de 28 nm produit 2 nm ».

étant donné que l’exposition multiple est si facile à utiliser, la résolution de la machine de lithographie arf domestique à 65 nm peut-elle être améliorée grâce à l’exposition multiple ? pas encore.

l'exposition multiple est un moyen technique qui doit répondre à de nombreuses conditions techniques, telles que la précision de la superposition. une compréhension simple est l'erreur provoquée par l'exposition entre les différentes couches de la puce.

à l'heure actuelle, la fenêtre de contrôle pour la précision de superposition d'une exposition unique est d'environ 20 à 25 % de la résolution, de sorte que les produits avec une résolution de 65 nm nécessitent une précision de superposition d'au moins 13 nm. la précision de superposition des équipements domestiques est de 8 nm, ce qui répond à cette norme. .

cependant, il convient de noter que 8 nm est la norme d'usine et est le résultat de feuilles de lumière standard. en raison d'erreurs causées par divers processus lors du traitement des plaquettes, la ligne de production sera bien inférieure à la norme d'usine sur laquelle asml ou nikon sont tous deux d'accord. ça. en d’autres termes, l’indice standard de 8 nm des équipements domestiques tombe à environ 11-12 nm sur les produits réels.

pour une double exposition, la précision de superposition doit être réduite de moitié, de 13 nm à 6,5 nm, sur la base d'une résolution de 20 % à 25 %. l'indice de précision de superposition actuel de 8 nm ne peut théoriquement pas répondre aux exigences.

il est donc nécessaire d'améliorer la résolution grâce à des expositions multiples sur cet équipement domestique. dans les itérations futures, la précision de la superposition devra être encore améliorée.