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autor丨leslie wu (conta pública: zihao tanxin)

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 o “catálogo de orientações para a promoção e aplicação do primeiro (conjunto) de equipamentos técnicos principais (edição 2024)" (conforme mostrado abaixo).

o primeiro item de "equipamento eletrônico especial" no documento de notificação é "equipamento de produção de circuitos integrados", que menciona claramente os indicadores técnicos das máquinas de litografia com fluoreto de criptônio (krf) e das máquinas de litografia com fluoreto de argônio (arf).especialmente para a máquina de litografia com fluoreto de argônio, o documento indica que seu comprimento de onda é 193 nm, resolução ≤65 nm e sobreposição ≤8 nm.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?

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:

*tabela 1, principais indicadores técnicos correspondentes a máquinas de litografia de diferentes tipos de 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 e suporta a produção de chips de resolução de 0,11 μm-0,8 μm, enquanto a máquina de litografia seca com fluoreto de argônio de 193 nm pode atingir resoluções mais altas 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 fundamentais é devido à conhecida fórmula do 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.

de acordo com a fórmula, se a fabricação de chips deseja atingir uma largura de linha menor, ou seja, quanto menor o valor do cd,principalmente usando uma fonte de luz de comprimento de onda mais curto, uma lente objetiva com maior abertura numérica (na) e encontrando maneiras de reduzir 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.

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.

*tabela 2, principais indicadores técnicos de máquinas de litografia asml com diferentes fontes de luz,

fonte de dados: instituto de pesquisa de semicondutores

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, que é muito menor do que a chamada "máquina de litografia de 28 nm".

portanto, há benefícios em iterar no caminho da abertura numérica, mas também não é suficiente tentar mais avanços em 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 anteriormente, o critério de rayleigh écd=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.

*figura 2: diagrama esquemático de foco de luz e imagem através do sistema de lentes,

n é o índice de refração do meio, θ é o ângulo de foco da lente

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 eu disse anteriormente,não precisamos apenas investir na pesquisa e desenvolvimento de máquinas de litografia de imersão, mas também fazer avanços em lentes, melhorar 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 da nossa máquina de litografia atinja 39,41 nm, ultrapassando verdadeiramente os 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.

figura 3: demonstração do sistema de lentes de máquina de litografia de imersão desenvolvido por lin benjian

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.

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).

figura 4: a luz brilha através do buraco branco no fotorresistente do wafer

aparecendo como pontos amarelos, use 2 máscaras para expor duas vezes.

para alcançar melhoria de resolução

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 de saída do wafer é reduzida pela metade, enquanto o wph (saída 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 tipos de buffs são empilhados, o cd teórico=(0,07×193)/(1,44×0,93)=13,51/1,3392≈10nm observe que 10nm se refere à resolução, que corresponde ao processo de 2nm. "máquina de litografia de 28 nm cria 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.