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autor leslie wu, ex-especialista em construção de fábricas da tsmc

editor su yang

um documento do ministério da indústria e tecnologia da informação trouxe mais uma vez aos olhos do público a pesquisa e o desenvolvimento de máquinas de litografia domésticas.

no dia 9 de setembro, a conta “indústria e informação wechat news” do ministério da indústria e tecnologia da informação divulgou o documento de aviso emitido pelo ministério da indústria e tecnologia da informação em 2 de setembro sobre a emissão do “catálogo de orientações para a promoção e aplicação do primeiro (conjunto) de equipamentos técnicos importantes (edição de 2024)" (conforme mostrado abaixo).

o primeiro item de "equipamento eletrônico especial" no documento de notificação é "equipamento de produção de circuito integrado", que menciona claramente os indicadores técnicos de máquinas de litografia com fluoreto de criptônio (krf) e máquinas de litografia com fluoreto de argônio (arf), especialmentemáquina de litografia com fluoreto de argônio, o documento indica que seu comprimento de onda é 193nm, resolução ≤65nm e sobreposição ≤8nm, isso também é entendido pelo mundo exterior como um grande avanço para as máquinas domésticas de litografia duv, e há até rumores de que as máquinas domésticas de litografia duv romperam o processo de 8 nm.

então, o que realmente representam os indicadores técnicos das máquinas de litografia nacionais mencionados neste edital do ministério da indústria e tecnologia da informação?

01 re-entender a máquina de litografia

devido a razões especiais, como controle de exportação, as máquinas de litografia têm sido mencionadas com frequência nos últimos dois anos, e a multidão científica e tecnológica tem uma certa compreensão das máquinas de litografia.

em uma frase, a máquina de fotolitografia usa um processo especial para encolher o padrão, projetá-lo no wafer de silício e gravar o circuito do transistor, conseguindo assim a fabricação do chip.

as máquinas de litografia podem ser divididas em três tipos: uv, duv e euv de acordo com as diferentes fontes de luz.

cada tipo de fonte de luz também é diferenciado de acordo com a forma como gera luz. consulte a tabela a seguir para obter o comprimento de onda de várias fontes de luz:

os dois equipamentos mencionados no edital do ministério da indústria e tecnologia da informação correspondem a dois tipos de máquinas de litografia duv, krf e arf dry, que utilizam luz ultravioleta profunda. no entanto, os documentos oficiais são marcados com os caracteres chineses fluoreto de criptônio e fluoreto de argônio.

diferentes fontes de luz de máquinas de litografia terão comprimentos de onda diferentes. quanto menor o comprimento de onda, maior a resolução que pode ser alcançada.por exemplo, a máquina de litografia com fluoreto de criptônio usa fonte de luz de 248 nm para suportar a produção de chips de resolução de 0,11 μm-0,8 μm, enquanto o uso da máquina de litografia seca com fluoreto de argônio de 193 nm pode atingir uma resolução mais alta de 65 nm-0,11 μm.

outra chave é a abertura numérica (na) do sistema de lentes objetivas. a razão pela qual esses dois indicadores são críticos vem da fórmula muito conhecida - o critério de rayleigh, ou seja, cd =k1*λ/na.

cd é a largura da linha, que é o tamanho mínimo do recurso que pode ser alcançado. λ é o comprimento de onda da fonte de luz usada pela máquina de litografia. na representa a abertura numérica da lente objetiva da máquina de litografia, que é a faixa angular. da lente que coleta a luz é um coeficiente que depende de muitos fatores relacionados ao processo de fabricação.

pela fórmula, se a fabricação de chips deseja atingir uma largura de linha menor, ou seja, quanto menor o valor do cd, é principalmente atravésuse uma fonte de luz de comprimento de onda mais curto、lentes objetivas com maior abertura numérica (na)e encontrar maneiras deinferior k1。

por exemplo, a atual máquina de litografia ultravioleta extrema euv tem um comprimento de onda de fonte de luz de apenas 13,5 nm. ao mesmo tempo, a asml está constantemente lançando máquinas de litografia euv com aberturas numéricas mais altas para a fabricação de chips de processo de 7 nm ou superiores. mas tenha cuidado,o chip de 3nm tem cerca de centenas de camadas de baixo para cima, e os requisitos de resolução também são de alto a baixo. a máquina de litografia euv é responsável apenas pelas 20 camadas inferiores, e o restante é coordenado pela máquina de litografia duv.

02 andar sobre duas pernas: alta abertura numérica, litografia de imersão

pelo que sabemos da indústria, a máquina de fotolitografia mencionada no edital do ministério da indústria e tecnologia da informação pode atingir um valor k1 de 0,25. de acordo com o critério de rayleigh, 65 = 0,25 × 193/na, pode-se deduzir que a abertura numérica da máquina de litografia doméstica é de 0,75.

a abertura numérica é relativamente baixa, o que é aceitável para a primeira geração de produtos. afinal, haverá segunda e terceira gerações no futuro.

contudo, mesmo emiterar a abertura numérica na máquina de litografia de fonte de luz arf existente, de 0,75 até o nível de 0,93, a resolução só melhorou dos atuais 65 nm para os futuros 52 nm, o que é muito menor do que a chamada "máquina de litografia de 28 nm".

portanto, itere no caminho da abertura numéricahá benefícios, mas não é suficiente. também precisamos tentar mais avanços nas máquinas de litografia de imersão para conseguir andar sobre duas pernas.

a essência da fonte de luz arf de imersão não mudou, ainda é 193 nm (a potência da fonte de luz é o núcleo da máquina de produção em massa), mas água ultrapura é adicionada entre a lente objetiva da máquina de fotolitografia e o wafer, e o o índice de refração é aumentado para 1,44, que é uma forma disfarçada. o comprimento de onda de 193 nm é equivalentemente reduzido para 134 nm, melhorando assim a resolução da máquina de litografia.

por que isso está acontecendo?

como mencionado antes, o critério de rayleighisso é cd =k1*λ/na.devido à adição da refração da água, podemos fazer uma modificação nela,cd =k1*λ/nsinθ, onde n é o índice de refração da água, sinθ é o seno do ângulo entre a lente da máquina de litografia e a superfície de imagem, e nsinθ é igual à abertura numérica na.

o asml 2100i mencionado na tabela 2 é uma máquina de litografia de imersão, então n é 1,44, o valor sinθ da lente objetiva é 0,93 e o valor k1 deste equipamento é 0,28.

de acordo com a fórmula deformada, o cd da máquina de litografia 2100i = (0,28×193)/(1,44×0,93) = 54,04/1,3392≈40nm esta é a resolução da “máquina de litografia de 28 nm” que todos costumam chamar.

as máquinas de litografia domésticas são atualizadas diretamente para máquinas de imersão. como funciona sem melhorar a abertura numérica?

continuando a aplicar a fórmula, seu cd = (0,25 × 193) / (1,44 × 0,75) = 48,25 / 1,08 = 44 nm, que ainda não atende aos requisitos de resolução da "máquina de litografia de 28 nm".

então, voltando ao que dissemos anteriormente,não precisamos apenas investir na pesquisa e desenvolvimento de máquinas de litografia de imersão, mas também precisamos fazer avanços em lentes para aumentar o valor senθ da lente objetiva e aumentar a abertura numérica.

a boa notícia é quejá existem empresas trabalhando em sistemas de lentes objetivas de imersão com abertura numérica de 0,85.. se a pesquisa for bem-sucedida, espera-se que a resolução de nossa máquina de litografia atinja 39,41 nm, rompendo verdadeiramente a resolução de 40 nm exigida pelo "processo de 28 nm".

neste documento do ministério da indústria e tecnologia da informação, a abertura numérica relativa à lente objetiva não foi divulgada, o que merece atenção adicional.

você deve saber que a primeira geração de máquinas de litografia por imersão precisa evoluir do tipo seco. se a abertura numérica da lente objetiva da máquina de litografia a seco não atingir o nível de primeira classe, a máquina de litografia por imersão também não será capaz de fazer isso. qualquer coisa.

como mencionado anteriormente, o princípio da máquina de litografia por imersão é colocar água ultrapura entre a parte inferior da lente e o wafer. é fácil em teoria, mas muito difícil de implementar.

a primeira é eliminar completamente as bolhas de ar na água ultrapura. em segundo lugar, é necessário eliminar o problema da superfície líquida irregular causada pela diferença de temperatura entre a área de transmissão de luz e a área de proteção. a maneira de resolver este problema é fazer com que a água ultrapura flua rapidamente, mas isso também produzirá vórtices. é um problema de engenharia difícil fazer com que a água ultrapura flua rapidamente sem gerar vórtices. é necessário e necessário.

somente para o sistema de imersão, lin benjian e sua equipe levaram 2 anos e 7 a 8 revisões para alcançar um avanço na área de fábrica da tsmc nanke dedicada à asml.

no estágio beta, após a conclusão da máquina alpha, uma enorme mão de obra deve ser organizada para desperdiçar incontáveis ​​​​wafers na fábrica para reduzir os milhares de defeitos originais a centenas, dezenas e, finalmente, a zero.

03 não há solução para múltiplas exposições

se a resolução for de apenas 65 nm, existem outras maneiras de melhorá-la ainda mais? ter.

o critério ruili foi mencionado anteriormente,cd =k1*λ/na além dos dois indicadores de comprimento de onda e abertura numérica na, a resolução também pode ser melhorada diminuindo continuamente k1.

reduzir k1 é a principal prioridade dos engenheiros de processo de litografia em fábricas de wafer. os engenheiros criaram muitas tecnologias incríveis para reduzir k1, incluindo máscaras de mudança de fase, correção de efeito de proximidade óptica de modelo, gravação excessiva e litografia de inversão, etc.

de acordo com a introdução de lin benjian na palestra "optical microcosm ic one million times", para reduzir k1, devemos primeiro "anti-vibração", assim como o anti-vibração ao tirar fotos em um telefone celular, tentar reduzir a vibração relativa entre o wafer e a máscara durante a exposição, de modo a tornar o padrão de exposição mais preciso, restaurando a resolução perdida devido à vibração. o próximo passo é reduzir o “reflexo inútil” na superfície do líquido durante a exposição.

ao melhorar os dois itens acima, k1 pode ser basicamente reduzido para o nível de 0,65.

para diminuir o k1 e melhorar a resolução, você também pode usar métodos de imagem de feixe duplo, incluindo exposição fora do eixo e máscaras de mudança de fase.

a exposição fora do eixo serve para ajustar o ângulo de incidência da fonte de luz para que a luz entre na máscara obliquamente. ao ajustar o ângulo, as duas luzes interferem entre si para formar uma imagem, aumentando a resolução e aumentando a profundidade de campo. a máscara de mudança de fase usa alguns truques na máscara para criar uma diferença de fase de 180 graus na luz que passa pelas áreas adjacentes de transmissão de luz.

ambos os métodos podem reduzir k1 pela metade e não podem ser usados ​​em combinação.

reduzir k1 para 0,28 é quase o limite do que todas as tecnologias acima podem alcançar. se quiser reduzi-lo ainda mais, você precisará usar mais de duas máscaras durante a exposição, que é a conhecida exposição múltipla (conforme mostrado abaixo).

nos termos mais populares, ele divide os padrões densos em duas ou mais máscaras com padrões mais soltos, que são expostos no wafer para obter uma melhoria na resolução.

no entanto, como o número de exposições é duplicado, a eficiência do rendimento do wafer é reduzida pela metade, enquanto o wph (rendimento do wafer por hora) permanece inalterado, e mais uma exposição também levará a uma redução no rendimento.

através da dupla exposição, o k1 pode ser reduzido de 0,28 para 0,14, ou mesmo 0,07 com exposição quádrupla.

tomemos como exemplo a máquina de litografia 2100i. depois que todos os buffs estiverem empilhados, seu cd teórico=(0,07×193)/(1,44×0,93)=13,51/1,3392≈10nm. correspondente é um processo de 2 nm. nas palavras das pessoas, “a máquina de fotolitografia de 28 nm produz 2 nm”.

como a exposição múltipla é tão fácil de usar, a resolução da máquina de litografia arf doméstica de 65 nm pode ser melhorada por meio de exposição múltipla? ainda não.

a exposição múltipla é um meio técnico que precisa atender a muitas condições de engenharia, como a precisão da sobreposição. um entendimento simples é o erro causado pela exposição entre as diferentes camadas do chip.

atualmente, a janela de controle para precisão de sobreposição de exposição única é de cerca de 20% a 25% da resolução, portanto, produtos com resolução de 65 nm exigem uma precisão de sobreposição de pelo menos 13 nm. a precisão de sobreposição de equipamentos domésticos é de 8 nm, o que atende a esse padrão. .

no entanto, deve-se notar que 8nm é o padrão de fábrica e é o resultado de folhas de luz padrão. devido a erros causados ​​por vários processos durante o processamento do wafer, a linha de produção será muito inferior ao padrão de fábrica que asml ou nikon concordam. isso. em outras palavras, o índice padrão de 8 nm dos equipamentos domésticos cai para cerca de 11-12 nm nos produtos reais.

para dupla exposição, a precisão da sobreposição deve ser reduzida pela metade, de 13 nm para 6,5 ​​nm, com base em uma resolução de 20% a 25%. o atual índice de precisão de sobreposição de 8 nm não pode, teoricamente, atender aos requisitos.

portanto, a fim de melhorar a resolução através de múltiplas exposições neste equipamento doméstico, a precisão da sobreposição deve ser melhorada em futuras iterações.