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l'autrice leslie wu, ex esperta di costruzioni favolose di tsmc

redattore su yang

un documento del ministero dell'industria e dell'informatica ha riportato all'attenzione del pubblico la ricerca e lo sviluppo di macchine litografiche domestiche.

il 9 settembre, l'account "wechat news dell'industria e dell'informazione" del ministero dell'industria e dell'informazione ha pubblicato il documento di avviso emesso dal ministero dell'industria e dell'informazione il 2 settembre sull'emissione del "catalogo di orientamento per la promozione e l'applicazione del primo (set) di attrezzatura tecnica principale (edizione 2024)" (come mostrato di seguito)).

la prima voce di "attrezzature speciali elettroniche" nel documento di notifica è "apparecchiature per la produzione di circuiti integrati", che menziona chiaramente gli indicatori tecnici delle macchine per litografia al fluoruro di kripton (krf) e alle macchine per la litografia al fluoruro di argon (arf), in particolaremacchina per litografia al fluoruro di argon, il documento indica che la sua lunghezza d'onda è 193 nm, risoluzione ≤ 65 nm e sovrapposizione ≤ 8 nm, questo è considerato anche dal mondo esterno come un importante passo avanti per le macchine litografiche duv domestiche, e ci sono persino voci secondo cui le macchine litografiche duv domestiche hanno superato il processo a 8 nm.

allora, cosa rappresentano effettivamente gli indicatori tecnici delle macchine litografiche domestiche menzionati in questa comunicazione del ministero dell'industria e dell'informazione?

01 ricomprendere la macchina litografica

per motivi speciali come il controllo delle esportazioni, le macchine per la litografia sono state menzionate frequentemente negli ultimi due anni e il pubblico scientifico e tecnologico ha una certa comprensione delle macchine per la litografia.

in una frase, la macchina per fotolitografia utilizza un processo speciale per restringere il disegno, proiettarlo sul wafer di silicio e incidere il circuito del transistor, ottenendo così la produzione del chip.

le macchine litografiche possono essere suddivise in tre tipologie: uv, duv ed euv in base alle diverse sorgenti luminose.

ogni tipo di sorgente luminosa si distingue anche in base al modo in cui genera la luce. fare riferimento alla tabella seguente per la lunghezza d'onda delle varie sorgenti luminose:

le due apparecchiature menzionate nella nota del ministero dell'industria e dell'informazione corrispondono a due tipi di macchine litografiche duv, krf e arf dry, che utilizzano luce ultravioletta profonda. tuttavia, i documenti ufficiali sono contrassegnati con i caratteri cinesi fluoruro di krypton e fluoruro di argon.

diverse sorgenti luminose di macchine litografiche avranno lunghezze d'onda diverse. quanto più corta è la lunghezza d'onda, tanto maggiore è la risoluzione che può essere ottenuta.ad esempio, la macchina per litografia al fluoruro di kripton utilizza una sorgente luminosa da 248 nm per supportare la produzione di chip con risoluzione di 0,11 μm-0,8 μm, mentre l'utilizzo della macchina per litografia a secco con fluoruro di argon da 193 nm può ottenere una risoluzione più elevata di 65 nm-0,11 μm.

un'altra chiave è l'apertura numerica (na) del sistema di lenti dell'obiettivo. il motivo per cui questi due indicatori sono critici deriva dalla formula molto nota: il criterio di rayleigh, cioè cd =k1*λ/na.

cd è la larghezza della linea, ovvero la dimensione minima della caratteristica che può essere ottenuta. λ è la lunghezza d'onda della sorgente luminosa utilizzata dalla macchina litografica. na rappresenta l'apertura numerica della lente dell'obiettivo della macchina litografica, ovvero la gamma angolare della lente che raccoglie la luce k1 è un coefficiente che dipende dal chip.

secondo la formula, se la produzione di chip vuole ottenere una larghezza di linea minore, cioè minore il valore cd, è principalmente attraversoutilizzare una sorgente luminosa con lunghezza d'onda più corta、obiettivi con apertura numerica maggiore (na)e trovare modi per farlok1 inferiore。

ad esempio, l'attuale macchina per litografia ultravioletta estrema euv ha una lunghezza d'onda della sorgente luminosa di soli 13,5 nm. allo stesso tempo, asml lancia costantemente macchine per litografia euv con aperture numeriche più elevate per la produzione di chip di processo da 7 nm o superiori. ma fai attenzione,il chip da 3 nm ha circa centinaia di strati dal basso verso l'alto e anche i requisiti di risoluzione vanno dall'alto al basso. la macchina per litografia euv è responsabile solo dei 20 strati inferiori e il resto è coordinato dalla macchina per litografia duv.

02 camminare su due gambe: alta apertura numerica, litografia ad immersione

secondo quanto sappiamo dal settore, la macchina per fotolitografia menzionata nella comunicazione del ministero dell'industria e dell'informazione può raggiungere un valore k1 di 0,25. secondo il criterio di rayleigh, 65=0,25×193/na, si deduce che l'apertura numerica della macchina litografica domestica è 0,75.

l'apertura numerica è relativamente bassa, il che è accettabile per la prima generazione di prodotti. dopotutto, in futuro ci saranno una seconda e una terza generazione.

tuttavia, anche dentroiterare l'apertura numerica sulla macchina litografica della sorgente luminosa arf esistente, da 0,75 fino al livello di 0,93, la risoluzione è solo migliorata dagli attuali 65 nm ai futuri 52 nm, che è molto inferiore alla cosiddetta "macchina litografica da 28 nm".

pertanto, iterare sul percorso dell'apertura numericai vantaggi ci sono, ma non sono sufficienti. dobbiamo anche sperimentare ulteriori innovazioni nelle macchine di litografia a immersione per riuscire a camminare su due gambe.

l'essenza della sorgente luminosa arf ad immersione non è cambiata, è ancora 193 nm (la potenza della sorgente luminosa è il nucleo della macchina di produzione di massa), ma tra la lente dell'obiettivo della macchina fotolitografica e il wafer viene aggiunta acqua ultrapura, e il l'indice di rifrazione è aumentato a 1,44, che è una forma mascherata. la lunghezza d'onda di 193 nm viene ridotta in modo equivalente a 134 nm, migliorando così la risoluzione della macchina litografica.

perché sta succedendo questo?

come accennato prima, criterio di rayleighquesto è cd =k1*λ/na.a causa dell'aggiunta della rifrazione dell'acqua, possiamo apportarvi una modifica,cd =k1*λ/nsinθ, dove n è l'indice di rifrazione dell'acqua, sinθ è il seno dell'angolo tra la lente della macchina litografica e la superficie dell'immagine e nsinθ è uguale all'apertura numerica na.

l'asml 2100i menzionata nella tabella 2 è una macchina per litografia a immersione, quindi n è 1,44, il valore sinθ della lente dell'obiettivo è 0,93 e il valore k1 di questa apparecchiatura è 0,28.

secondo la formula deformata, il cd della macchina per litografia 2100i = (0,28×193)/(1,44×0,93) = 54,04/1,3392≈40nm questa è la risoluzione della “macchina per litografia a 28 nm” che tutti abitualmente chiamano.

le macchine litografiche domestiche vengono aggiornate direttamente alle macchine ad immersione. come funziona senza migliorare l'apertura numerica?

continuando ad applicare la formula, il suo cd=(0,25×193)/(1,44×0,75)=48,25/1,08=44nm, che ancora non può soddisfare i requisiti di risoluzione della "macchina litografica da 28 nm".

quindi, tornando a quanto detto prima, noinon solo dobbiamo investire nella ricerca e nello sviluppo di macchine per la litografia a immersione, ma dobbiamo anche fare passi avanti nelle lenti per aumentare il valore sinθ della lente dell’obiettivo e aumentare l’apertura numerica.

la buona notizia è questaesistono già aziende che lavorano su sistemi di obiettivi ad immersione con un'apertura numerica di 0,85.. se la ricerca avrà successo, si prevede che la risoluzione della nostra macchina per litografia raggiungerà i 39,41 nm, superando davvero la risoluzione di 40 nm richiesta dal "processo a 28 nm".

in questo documento del ministero dell'industria e dell'informazione non è stata rivelata l'apertura numerica relativa alla lente dell'obiettivo, il che merita ulteriore attenzione.

devi sapere che la prima generazione di macchine per litografia a immersione deve evolversi dal tipo a secco se l'apertura numerica della lente dell'obiettivo della macchina per litografia a secco non raggiunge il livello di prima classe, anche la macchina per litografia a immersione non sarà in grado di farlo. nulla.

come accennato in precedenza, il principio della macchina litografica ad immersione è quello di posizionare acqua ultrapura tra il fondo della lente e il wafer. in teoria è facile ma molto problematico da implementare.

il primo è eliminare completamente le bolle d'aria nell'acqua ultrapura. in secondo luogo, è necessario eliminare il problema della superficie irregolare del liquido causata dalla differenza di temperatura tra l'area di trasmissione della luce e l'area di schermatura. il modo per risolvere questo problema è far scorrere rapidamente l'acqua ultrapura, ma ciò produrrà anche vortici. è un problema di ingegneria difficile ottenere un flusso rapido di acqua ultrapura senza generare vortici. è necessario e necessario.

solo per il sistema di immersione, lin benjian e il suo team hanno impiegato 2 anni e 7-8 revisioni per ottenere una svolta nell’area della fabbrica di tsmc nanke dedicata all’asml.

nella fase beta, dopo il completamento della macchina alpha, è necessario organizzare un'enorme forza lavoro per sprecare innumerevoli wafer nella fabbrica di wafer per ridurre le migliaia di difetti originali a centinaia, dozzine e infine a zero. questo è un processo arduo.

03 non esiste una soluzione alle esposizioni multiple

se la risoluzione è di soli 65 nm, ci sono altri modi per migliorarla ulteriormente? avere.

il criterio ruili è stato menzionato prima,cd =k1*λ/na oltre ai due indicatori di lunghezza d'onda e apertura numerica na, la risoluzione può anche essere migliorata riducendo continuamente k1.

la riduzione di k1 è la massima priorità degli ingegneri dei processi litografici nelle fabbriche di wafer. gli ingegneri hanno creato molte tecnologie straordinarie per ridurre k1, tra cui maschere di sfasamento, correzione dell'effetto di prossimità ottica del modello, sovraincisione e litografia a inversione, ecc.

secondo l'introduzione di lin benjian nella conferenza "optical microcosm ic one million times", per ridurre k1, dobbiamo prima "anti-vibrazione", proprio come l'anti-shake quando si scattano foto con un telefono cellulare, cercare di ridurre la vibrazione relativa tra il wafer e la maschera durante l'esposizione, in modo da rendere il modello di esposizione più preciso, ripristinando la risoluzione persa a causa delle vibrazioni. il passo successivo è ridurre il "riflesso inutile" sulla superficie del liquido durante l'esposizione.

migliorando i due elementi precedenti, k1 può essere sostanzialmente ridotto al livello di 0,65.

per abbassare k1 e migliorare la risoluzione, è anche possibile utilizzare metodi di imaging a doppio raggio, tra cui l'esposizione fuori asse e le maschere di sfasamento.

l'esposizione fuori asse consiste nel regolare l'angolo di incidenza della sorgente luminosa in modo che la luce entri nella maschera obliquamente. regolando l'angolo, le due luci interferiscono tra loro per formare un'immagine, aumentando la risoluzione e aumentando la profondità di campo. la maschera di sfasamento utilizza alcuni trucchi sulla maschera per creare una differenza di fase di 180 gradi nella luce che passa attraverso aree di trasmissione della luce adiacenti.

entrambi i metodi possono ridurre il k1 della metà e non possono essere utilizzati in combinazione.

ridurre k1 a 0,28 è quasi il limite di ciò che tutte le tecnologie di cui sopra possono ottenere. se si desidera ridurlo ulteriormente, è necessario utilizzare più di due maschere durante l'esposizione, che è la familiare esposizione multipla (come mostrato di seguito).

nei termini più popolari, divide i modelli densi in due o più maschere con modelli più larghi, che vengono esposti a turno sul wafer per ottenere un miglioramento della risoluzione.

tuttavia, poiché il numero di esposizioni viene raddoppiato, l'efficienza di produttività dei wafer viene ridotta della metà mentre il wph (produzione di wafer all'ora) rimane invariato, e anche un'ulteriore esposizione comporterà una riduzione della resa.

attraverso la doppia esposizione, k1 può essere ridotto da 0,28 a 0,14, o anche 0,07 con quadrupla esposizione.

prendiamo come esempio la macchina per litografia 2100i. dopo che tutti i buff sono stati impilati, il suo cd teorico=(0,07×193)/(1,44×0,93)=13,51/1,3392≈10nm corrispondente è un processo a 2 nm. nelle parole della gente, "la macchina per fotolitografia a 28 nm produce 2 nm".

poiché l'esposizione multipla è così facile da usare, è possibile migliorare la risoluzione della macchina litografica arf domestica da 65 nm attraverso l'esposizione multipla? non ancora.

l'esposizione multipla è un mezzo tecnico che deve soddisfare molte condizioni ingegneristiche, come la precisione della sovrapposizione. una comprensione semplice è l'errore causato dall'esposizione tra diversi strati del chip.

al momento, la finestra di controllo per la precisione di sovrapposizione a esposizione singola è circa il 20%-25% della risoluzione, quindi i prodotti con risoluzione 65 nm richiedono una precisione di sovrapposizione di almeno 13 nm. la precisione di sovrapposizione delle apparecchiature domestiche è di 8 nm, che soddisfa questo standard .

tuttavia, va notato che 8 nm è lo standard di fabbrica ed è il risultato di fogli leggeri standard. a causa di errori causati da vari processi durante la lavorazione dei wafer, la linea di produzione sarà molto inferiore allo standard di fabbrica concordato da asml o nikon questo. in altre parole, l'indice standard di 8 nm delle apparecchiature domestiche scende a circa 11-12 nm sui prodotti reali.

per la doppia esposizione, la precisione della sovrapposizione deve essere ridotta della metà, da 13 nm a 6,5 ​​nm, sulla base di una risoluzione del 20%-25%. l'attuale indice di precisione della sovrapposizione di 8 nm teoricamente non può soddisfare i requisiti.

pertanto, al fine di migliorare la risoluzione attraverso esposizioni multiple su questa apparecchiatura domestica, la precisione della sovrapposizione dovrà essere ulteriormente migliorata nelle iterazioni future.