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autor leslie wu, ex experta en construcción de fábricas de tsmc

editor su yang

un documento del ministerio de industria y tecnología de la información ha vuelto a sacar a la luz pública la investigación y el desarrollo de máquinas de litografía domésticas.

el 9 de septiembre, la cuenta "industry and information wechat news" del ministerio de industria y tecnología de la información dio a conocer el documento de aviso emitido por el ministerio de industria y tecnología de la información el 2 de septiembre sobre la emisión del "catálogo de orientación para la promoción y aplicación". del primer (conjunto) de equipos técnicos importantes (edición 2024)" (como se muestra a continuación).

el primer elemento de "equipo electrónico especial" en el documento de notificación es "equipo de producción de circuitos integrados", que menciona claramente los indicadores técnicos de las máquinas de litografía de fluoruro de criptón (krf) y de las máquinas de litografía de fluoruro de argón (arf), especialmentemáquina de litografía con fluoruro de argón, el documento indica que su longitud de onda es de 193 nm, resolución ≤65 nm y superposición ≤8 nm.el mundo exterior también entiende esto como un gran avance para las máquinas de litografía duv nacionales, e incluso hay rumores de que las máquinas de litografía duv nacionales han superado el proceso de 8 nm.

entonces, ¿qué representan realmente los indicadores técnicos de las máquinas de litografía domésticas mencionadas en este aviso del ministerio de industria y tecnología de la información?

01 re-entender la máquina de litografía

debido a razones especiales como el control de exportaciones, las máquinas de litografía se han mencionado con frecuencia en los últimos dos años, y el grupo científico y tecnológico tiene cierta comprensión de las máquinas de litografía.

en una frase, la máquina de fotolitografía utiliza un proceso especial para encoger el patrón, proyectarlo sobre la oblea de silicio y grabar el circuito del transistor, logrando así la fabricación del chip.

las máquinas de litografía se pueden dividir en tres tipos: uv, duv y euv según las diferentes fuentes de luz.

cada tipo de fuente de luz también se distingue según la forma en que genera luz. consulte la siguiente tabla para conocer la longitud de onda de varias fuentes de luz:

los dos equipos mencionados en el aviso del ministerio de industria y tecnología de la información corresponden a dos tipos de máquinas de litografía duv, krf y arf dry, que utilizan luz ultravioleta profunda. sin embargo, los documentos oficiales están marcados con los caracteres chinos fluoruro de criptón y fluoruro de argón.

las diferentes fuentes de luz de las máquinas de litografía tendrán diferentes longitudes de onda. cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la resolución que se puede lograr.por ejemplo, la máquina de litografía con fluoruro de criptón utiliza una fuente de luz de 248 nm para respaldar la producción de chips con una resolución de 0,11 μm a 0,8 μm, mientras que la máquina de litografía seca con fluoruro de argón de 193 nm puede lograr una resolución más alta de 65 nm a 0,11 μm.

otra clave es la apertura numérica (na) del sistema de lentes del objetivo. la razón por la que estos dos indicadores son críticos proviene de la muy conocida fórmula: el criterio de rayleigh, es decir, cd =k1*λ/na.

cd es el ancho de línea, que es el tamaño mínimo de característica que se puede lograr. λ es la longitud de onda de la fuente de luz utilizada por la máquina de litografía. na representa la apertura numérica de la lente del objetivo de la máquina de litografía, que es el rango angular. de la lente que recoge la luz k1 es un coeficiente que depende del chip. muchos factores relacionados con el proceso de fabricación.

según la fórmula, si la fabricación de chips quiere lograr un ancho de línea menor, es decir, cuanto menor sea el valor del cd, es principalmente a través deutilice una fuente de luz de longitud de onda más corta、lentes objetivas con mayor apertura numérica (na)y encontrar formas debajar k1。

por ejemplo, la actual máquina de litografía ultravioleta extrema euv tiene una longitud de onda de fuente de luz de solo 13,5 nm. al mismo tiempo, asml lanza constantemente máquinas de litografía euv con aperturas numéricas más altas para la fabricación de chips de proceso de 7 nm o más. pero ten cuidado,el chip de 3 nm tiene alrededor de cientos de capas de abajo hacia arriba, y los requisitos de resolución también son de mayor a menor. la máquina de litografía euv solo es responsable de las 20 capas inferiores, y el resto está coordinado por la máquina de litografía duv.

02 caminar sobre dos piernas: alta apertura numérica, litografía de inmersión

según lo que sabemos por la industria, la máquina de fotolitografía mencionada en el aviso del ministerio de industria y tecnología de la información puede alcanzar un valor k1 de 0,25. según el criterio de rayleigh, 65=0,25 ×193/na, se puede deducir que la apertura numérica de la máquina de litografía doméstica es 0,75.

la apertura numérica es relativamente baja, lo que es aceptable para la primera generación de productos. después de todo, habrá segunda y tercera generación en el futuro.

sin embargo, incluso eniterar la apertura numérica en la máquina de litografía con fuente de luz arf existentedesde 0,75 hasta el nivel de 0,93, la resolución solo mejora desde los 65 nm actuales hasta los 52 nm futuros, que es mucho menos que la llamada "máquina de litografía de 28 nm".

por lo tanto, itere en el camino de la apertura numérica.hay beneficios, pero no son suficientes. también necesitamos probar más avances en las máquinas de litografía por inmersión para lograr caminar sobre dos piernas.

la esencia de la fuente de luz arf de inmersión no ha cambiado, sigue siendo de 193 nm (la potencia de la fuente de luz es el núcleo de la máquina de producción en masa), pero se agrega agua ultrapura entre la lente objetivo de la máquina de fotolitografía y la oblea, y la el índice de refracción se incrementa a 1,44, que es una forma disfrazada. la longitud de onda de 193 nm se reduce equivalentemente a 134 nm, mejorando así la resolución de la máquina de litografía.

¿por qué sucede esto?

como se mencionó anteriormente, el criterio de rayleigheso es cd =k1*λ/na.debido a la adición de refracción del agua, podemos hacerle una modificación,cd =k1*λ/nsinθ, donde n es el índice de refracción del agua, sinθ es el seno del ángulo entre la lente de la máquina de litografía y la superficie de imagen, y nsinθ es igual a la apertura numérica na.

el asml 2100i mencionado en la tabla 2 es una máquina de litografía por inmersión, por lo que n es 1,44, el valor sinθ de la lente del objetivo es 0,93 y el valor k1 de este equipo es 0,28.

según la fórmula deformada, el cd de la máquina de litografía 2100i = (0,28 × 193)/(1,44 × 0,93) = 54,04/1,3392≈40 nm. esta es la resolución de la “máquina de litografía de 28 nm” que todo el mundo suele llamar.

las máquinas de litografía domésticas se actualizan directamente a máquinas de inmersión. ¿cómo funciona sin mejorar la apertura numérica?

continuando con la aplicación de la fórmula, su cd = (0,25 × 193) / (1,44 × 0,75) = 48,25 / 1,08 = 44 nm, que aún no puede cumplir con los requisitos de resolución de la "máquina de litografía de 28 nm".

entonces, volviendo a lo que dijimos antes,no solo necesitamos invertir en la investigación y el desarrollo de máquinas de litografía por inmersión, sino que también debemos lograr avances en lentes para aumentar el valor sinθ de la lente del objetivo y aumentar la apertura numérica.

la buena noticia es queya hay empresas trabajando en sistemas de lentes de objetivo de inmersión con una apertura numérica de 0,85.. si la investigación tiene éxito, se espera que la resolución de nuestra máquina de litografía alcance los 39,41 nm, superando verdaderamente la resolución de 40 nm requerida por el "proceso de 28 nm".

en este documento del ministerio de industria y tecnología de la información no se revela la apertura numérica relacionada con la lente del objetivo, lo que merece atención de seguimiento.

debe saber que la primera generación de máquinas de litografía por inmersión debe evolucionar a partir del tipo seco. si la apertura numérica de la lente objetivo de la máquina de litografía seca no alcanza el nivel de primera clase, la máquina de litografía por inmersión tampoco podrá hacerlo. cualquier cosa.

como se mencionó anteriormente, el principio de la máquina de litografía por inmersión es colocar agua ultrapura entre la parte inferior de la lente y la oblea. en teoría, es fácil pero muy problemático de implementar.

la primera es eliminar por completo las burbujas de aire en el agua ultrapura. en segundo lugar, es necesario eliminar el problema de la superficie líquida desigual causada por la diferencia de temperatura entre el área de transmisión de luz y el área de protección. la forma de resolver este problema es hacer que el agua ultrapura fluya rápidamente, pero esto también producirá vórtices. es un problema de ingeniería difícil lograr que el agua ultrapura fluya rápidamente sin generar vórtices. es a la vez necesario y necesario.

solo para el sistema de inmersión, lin benjian y su equipo necesitaron 2 años y 7-8 revisiones para lograr un gran avance en el área de fábrica de tsmc nanke dedicada a asml.

en la etapa beta, una vez completada la máquina alpha, se debe organizar una gran cantidad de mano de obra para desperdiciar innumerables obleas en la fábrica de obleas para reducir los miles de defectos originales a cientos, docenas y finalmente a cero.

03 no hay solución para las exposiciones múltiples

si la resolución es de sólo 65 nm, ¿hay otras formas de mejorarla aún más? tener.

el criterio de ruili fue mencionado anteriormente,cd =k1*λ/na además de los dos indicadores de longitud de onda y apertura numérica na, la resolución también se puede mejorar reduciendo continuamente k1.

reducir k1 es la principal prioridad de los ingenieros de procesos de litografía en las fábricas de obleas. los ingenieros han creado muchas tecnologías sorprendentes para reducir k1, incluidas máscaras de cambio de fase, corrección del efecto de proximidad óptica del modelo, sobregrabado y litografía de inversión, etc.

según la introducción de lin benjian en la conferencia "microcosmos óptico ic un millón de veces", para reducir k1, primero debemos "antivibración", al igual que el antivibración al tomar fotografías con un teléfono móvil, intentar reducir la vibración relativa entre la oblea y la máscara durante la exposición, para hacer el patrón de exposición más preciso, restaurando la resolución perdida debido a la vibración. el siguiente paso es reducir el "reflejo inútil" en la superficie del líquido durante la exposición.

al mejorar los dos elementos anteriores, k1 básicamente se puede reducir al nivel de 0,65.

para reducir k1 y mejorar la resolución, también puede utilizar métodos de imágenes de doble haz, incluida la exposición fuera del eje y las máscaras de cambio de fase.

la exposición fuera del eje consiste en ajustar el ángulo de incidencia de la fuente de luz para que la luz entre en la máscara de forma oblicua. al ajustar el ángulo, las dos luces interfieren entre sí para formar una imagen, aumentando la resolución y aumentando la profundidad de campo. la máscara de cambio de fase utiliza algunos trucos en la máscara para crear una diferencia de fase de 180 grados en la luz que pasa a través de áreas adyacentes de transmisión de luz.

ambos métodos pueden reducir k1 a la mitad y no pueden usarse en combinación.

reducir k1 a 0,28 es casi el límite de lo que pueden lograr todas las tecnologías anteriores. si desea reducirlo aún más, debe usar más de dos máscaras durante la exposición, que es la conocida exposición múltiple (como se muestra a continuación).

en los términos más populares, divide los patrones densos en dos o más máscaras con patrones más sueltos, que se exponen a su vez en la oblea para lograr una mejora de la resolución.

sin embargo, debido a que el número de exposiciones se duplica, la eficiencia del rendimiento de la oblea se reduce a la mitad mientras que el wph (rendimiento de la oblea por hora) permanece sin cambios, y una exposición más también conducirá a una reducción en el rendimiento.

mediante una doble exposición, k1 se puede reducir de 0,28 a 0,14, o incluso 0,07 con una exposición cuádruple.

tomemos como ejemplo la máquina de litografía 2100i. después de apilar todas las mejoras, su cd teórico = (0,07 × 193) / (1,44 × 0,93) = 13,51 / 1,3392 ≈ 10 nm. correspondiente es un proceso de 2 nm. en palabras de la gente, "la máquina de fotolitografía de 28 nm produce 2 nm".

dado que la exposición múltiple es tan fácil de usar, ¿se puede mejorar la resolución de la máquina de litografía arf doméstica de 65 nm mediante la exposición múltiple? aún no.

la exposición múltiple es un medio técnico que debe cumplir con muchas condiciones de ingeniería, como la precisión de superposición. una comprensión simple es el error causado por la exposición entre diferentes capas del chip.

en la actualidad, la ventana de control para la precisión de superposición de exposición única es aproximadamente del 20% al 25% de la resolución, por lo que los productos con una resolución de 65 nm requieren una precisión de superposición de al menos 13 nm. la precisión de superposición de los equipos domésticos es de 8 nm, que cumple con este estándar. .

sin embargo, cabe señalar que 8 nm es el estándar de fábrica y es el resultado de láminas de luz estándar. debido a errores causados ​​por varios procesos durante el procesamiento de obleas, la línea de producción será mucho más baja que el estándar de fábrica acordado por asml y nikon. esto.lo mismo. en otras palabras, el índice estándar de 8 nm de los equipos domésticos cae entre 11 y 12 nm en los productos reales.

para la doble exposición, la precisión de la superposición debe reducirse a la mitad, de 13 nm a 6,5 ​​nm, sobre la base de una resolución del 20 % al 25 %. el índice actual de precisión de superposición de 8 nm no puede cumplir los requisitos en teoría.

por lo tanto, para mejorar la resolución mediante exposiciones múltiples en este equipo doméstico, la precisión de la superposición debe mejorarse aún más en futuras iteraciones.