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著者丨レスリー・ウー (公的アカウント: zihao tanxin)

工業情報化省の文書により、国産リソグラフィー装置の研究開発が再び注目を集めた。

9月9日、工業情報化部傘下の「産業情報wechatニュース」アカウントは、9月2日に工業情報化部が発行した「第一次産業技術普及・応用指導目録」に関する通知文書を公開した。主要な技術機器の（セット）（2024 年版）」（以下を参照）。

告示文書の「電子特殊装置」の第一項目は「集積回路製造装置」であり、フッ化クリプトン（krf）露光装置とフッ化アルゴン（arf）露光装置の技術指標が明記されている。特にフッ化ア​​ルゴンリソグラフィー装置については、その波長が 193nm、解像度 ≤ 65nm、オーバーレイ ≤ 8nm であることが文書に示されています。これは海外からも国産duv露光装置の大きなブレークスルーとして受け止められており、国産duv露光装置が8nmプロセスを突破したという噂もある。

では、この工業情報化部の通知に記載されている国内露光装置の技術指標は、実際には何を表しているのでしょうか？

輸出規制などの特殊な理由により、ここ 2 年間、露光装置の話題が頻繁に取り上げられるようになり、科学技術関係者は露光装置に対して一定の理解を持っています。

一言で言えば、フォトリソグラフィー装置は特殊なプロセスを使用してパターンを縮小し、シリコンウェハー上に投影し、トランジスタ回路をエッチングすることでチップの製造を実現します。

リソグラフィー装置は、光源の違いにより、uv、duv、euv の 3 つのタイプに分類できます。

各光源の種類は、光の生成方法によっても区別されます。さまざまな光源の波長については、次の表を参照してください。

*表 1、さまざまな光源タイプのリソグラフィー装置に対応するコア技術指標

工業情報化部の通知に記載されている2つの装置は、深紫外光を使用するkrfとarf dryの2種類のduv露光装置に相当するが、公式文書にはフッ化クリプトンとフッ化アルゴンという漢字が表記されている。

リソグラフィー装置の光源が異なれば、波長も異なります。波長が短いほど、達成できる解像度は高くなります。 たとえば、フッ化クリプトンリソグラフィー装置は 248nm の光源を使用し、解像度 0.11μm ～ 0.8μm のチップの製造をサポートしますが、193nm フッ化アルゴンドライリソグラフィー装置を使用すると、65nm ～ 0.11μm のより高い解像度を達成できます。

もう 1 つの鍵は、対物レンズ システムの開口数 (na) です。これら 2 つの指標が鍵となる理由は、非常によく知られた公式レイリー基準、つまり cd=k1*λ/na によるものです。

cd は線幅であり、実現可能な最小形状サイズです。 λ はリソグラフィー装置で使用される光源の波長であり、na はリソグラフィー装置の対物レンズの開口数、つまり角度範囲を表します。 k1 は、チップの製造プロセスに関係する係数です。

式によると、チップ製造でより小さい線幅を達成したい場合、つまり cd 値が小さいほど、主に、より短い波長の光源、より大きな開口数 (na) を備えた対物レンズを使用し、k1 を低減する方法を見つけることによって行われます。

たとえば、現在の euv 極紫外リソグラフィー装置の光源波長はわずか 13.5nm ですが、同時に asml は 7nm 以上のプロセスチップの製造に向けて、より高い開口数を備えた euv リソグラフィー装置を継続的に発売しています。でも気をつけてください、3nm チップには下から上まで約数百の層があり、解像度要件も高から低まであります。euv リソグラフィー マシンは下位の 20 層のみを担当し、残りは duv リソグラフィー マシンによって調整されます。

業界から得た情報によると、工業情報化省の通知に記載されているフォトリソグラフィー装置は、k1 値 0.25 を達成できます。レイリー基準、６５＝０．２５×１９３／ｎａによれば、家庭用露光装置の開口数は０．７５であると推定できる。

*表 2、さまざまな光源を備えた asml リソグラフィー装置の主な技術指標、

データ出典：半導体研究所

開口数は比較的低く、第 1 世代の製品としては許容範囲内ですが、将来的には第 2 世代、第 3 世代が登場することになります。

しかし、それでも既存のarf光源露光機で開口数を繰り返し、0.75から0.93のレベルまで、解像度は現在の65nmから将来の52nmまで向上するだけで、いわゆる「28nmリソグラフィー機」よりもはるかに低いです。

したがって、開口数の経路を繰り返すことには利点がありますが、二足歩行を実現するには液浸リソグラフィー装置のさらなるブレークスルーを試みる必要もあります。

液浸arf光源の本質は変わらず193nm（光源パワーが量産機の核心）ですが、露光機の対物レンズとウエハの間に超純水を加え、屈折率は 1.44 に増加しますが、これは偽装された形であり、193nm の波長は等価的に 134nm に減少し、それによってリソグラフィー装置の解像度が向上します。

なぜこのようなことが起こっているのでしょうか?

前述したように、レイリー基準は次のとおりです。cd=k1*λ/na。水の屈折が追加されるため、それに修正を加えることができます。ｃｄ＝ｋ１＊λ／ｎｓｉｎθ、ここで、ｎは水の屈折率、ｓｉｎθはリソグラフィー装置のレンズと結像面との間の角度の正弦、ｎｓｉｎθは開口数ｎａに等しい。

*図 2: レンズシステムを通した光の集束と結像の概略図、

nは媒質の屈折率、θはレンズの焦点角です

表 2 に記載の asml 2100i は液浸露光装置であるため、n は 1.44、対物レンズの sinθ 値は 0.93、この装置の k1 値は 0.28 です。

変形式より、2100i露光機のcd = (0.28×193)/(1.44×0.93) = 54.04/1.3392≒40nm これが、皆さんが普段呼んでいる「28nm露光機」の解像度です。

国産のリソグラフィー装置はそのまま液浸装置にアップグレードされますが、開口数を向上させずにどのような性能を発揮するのでしょうか。

引き続き式を適用すると、cd=(0.25×193)/(1.44×0.75)=48.25/1.08=44nmとなり、依然として「28nmリソグラフィー装置」の解像度要件を満たしていません。

それで、先ほどの話に戻りますが、液浸リソグラフィー装置の研究開発に投資するだけでなく、レンズのブレークスルーを実現し、対物レンズのsinθ値を改善し、開口数を増やす必要もあります。

良いニュースは、開口数0.85の液浸対物レンズシステムに取り組んでいる企業はすでに存在します。研究が成功すれば、当社のリソグラフィー装置の解像度は39.41nmに達すると予想され、まさに28nmを突破することになります。

この工業情報化省の文書では、対物レンズに関連する開口数が開示されておらず、今後の注目に値します。

第一世代の液浸露光装置は乾式から進化する必要があり、乾式露光装置の対物レンズの開口数が一流のレベルに達していなければ、液浸露光装置も使用できないことを知っておく必要があります。何でも。

前述したように、液浸リソグラフィー装置の原理は、レンズの底部とウェーハの間に超純水を配置することです。理論的には簡単ですが、実装するのは非常に面倒です。

1つ目は、超純水中の気泡を完全に除去することです。 次に、透光部と遮光部の温度差による液面の凹凸の問題を解決する必要がありますが、これを解決するには超純水を速く流す必要がありますが、これも渦を発生させます。渦を発生させずに超純水を素早く流すことは、工学的には難しい問題であり、必要なことでもあります。

図 3: lin benjian が開発した液浸リソグラフィー装置のレンズ システムのデモンストレーション

液浸システムだけでも、tsmc nanke の asml 専用工場エリアで画期的な進歩を遂げるまでに、lin benjian 氏と彼のチームは 2 年と 7 ～ 8 回の修正を要しました。

アルファマシンが完成した後のベータ段階では、ウェーハ工場で無数のウェーハを廃棄し、当初数千あった欠陥を数百、数十に減らし、最終的にはゼロにするという大変な作業が必要となります。

解像度が 65nm しかない場合、それをさらに向上させる他の方法はありますか?持っている。

ruili 基準については前述しましたが、cd=k1*λ/na 波長と na 開口数の 2 つの指標に加えて、k1 を継続的に縮小することによっても解像度を向上させることができます。

k1 を削減することは、ウェーハ製造工場のリソグラフィ プロセス エンジニアの最優先事項であり、エンジニアは、位相シフト マスク、モデル光近接効果補正、オーバーエッチング、反転リソグラフィなどを含む、k1 を削減するための多くの素晴らしいテクノロジを開発してきました。

「光微小宇宙 ic 100 万回」の講義での林本建氏の紹介によると、k1 を低減するには、まず「防振」する必要があり、携帯電話で写真を撮るときの手ぶれ補正と同じように、相互間の相対振動を低減するように努める必要があります。露光中にウェハとマスクを調整し、露光パターンをより正確にし、振動によって失われた解像度を回復します。次のステップは、露光中の液体表面の「無駄な反射」を減らすことです。

上記2項目を改善することで、基本的にはk1を0.65レベルまで下げることが可能です。

k1 を下げて解像度を向上させるには、軸外露光や位相シフト マスクなどのデュアル ビーム イメージング手法を使用することもできます。

オフアクシス露光とは、マスクに対して光が斜めに入射するように光源の入射角を調整することです。角度を調整することで 2 つの光が干渉して像を形成し、解像度が向上し、被写界深度が深くなります。位相シフト マスクは、マスクにいくつかのトリックを使用して、隣接する光透過領域を通過する光に 180 度の位相差を作り出します。

どちらの方法も k1 を半分に減らすことができますが、組み合わせて使用​​することはできません。

k1 を 0.28 に下げるのは、上記のすべてのテクノロジーが達成できるほぼ限界です。さらに軽減したい場合は、露光中に 2 枚以上のマスクを使用する必要があります。これがよく知られている多重露光です (下図を参照)。

図 4: ウェーハのフォトレジスト上の白い穴を通して光が射す

黄色の点として表示され、2 つのマスクを使用して 2 回露光します。

解像度の向上を実現するために

最も一般的な用語では、密なパターンを疎なパターンを持つ 2 つ以上のマスクに分割し、それらのマスクを順番にウェハ上に露光して解像度の向上を実現します。

しかし、露光回数が2倍になるため、wph（時間当たりのウエハ生産量）は変わらないもののウエハ生産効率は半減し、さらに露光回数が1回増えると歩留まりも低下します。

二重露光により、k1 を 0.28 から 0.14 に、さらには 4 重露光では 0.07 に減らすことができます。

2100i リソグラフィー装置を例に挙げてみましょう。 あらゆる種類のバフを積み重ねた後、理論上の cd=(0.07×193)/(1.44×0.93)=13.51/1.3392≈10nm は解像度を指し、みんなの言葉で言えば 2nm プロセスに相当します。 「28nm露光機が2nmを生み出す」。

多重露光がとても簡単なので、国産の65nm arf露光機の解像度を多重露光で向上させることはできるのでしょうか？まだ。

多重露光は、オーバーレイ精度などの多くの工学条件を満たす必要がある技術的手段です。簡単に理解すると、チップの異なる層間の露光によって生じる誤差が生じます。

現在、単一露光オーバーレイ精度の制御ウィンドウは解像度の約 20% ～ 25% であるため、65nm 解像度の製品には少なくとも 13nm のオーバーレイ精度が必要です。国内の装置のオーバーレイ精度は 8nm であり、この基準を満たしています。 。

ただし、8nm は工場標準であり、標準的なライトシートの結果であることに注意してください。ウェーハ処理中のさまざまなプロセスによって生じる誤差により、生産ラインは asml とニコンの両方が同意する工場標準よりも大幅に低くなります。これも同じ。つまり、国内機器の8nm標準指数は、実製品では11～12nm程度に相当する。

二重露光の場合、20% ～ 25% の解像度に基づいて、オーバーレイ精度を 13nm から 6.5nm に半分に下げる必要があります。現在の 8nm オーバーレイ精度指数では、理論的には要件を満たすことができません。

したがって、この国産の装置で多重露光により解像度を向上させるには、今後の繰り返しで重ね合わせ精度をさらに向上させる必要があります。