国产光刻机突破28nm了吗？

梓豪谈芯09-18

作者丨Leslie Wu(公众号：梓豪谈芯)工信部的一份文件，再次将国产光刻机研发推入公众视线。9月9日，工信部旗下账号“工信微报”披露了工信部于9月2日签发的关于引发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》的通知文件（如下图）。通知文件的“电子专用装备”的第一项即“集成电路生产装备”，其中明确提到氟化氪（KrF）光刻机和氟化氩（ArF）光刻机的技术指标，尤其是氟化氩光刻机，文件...

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Wu(公众号：梓豪谈芯)工信部的一份文件，再次将国产光刻机研发推入公众视线。9月9日，工信部旗下账号“工信微报”披露了工信部于9月2日签发的关于引发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》的通知文件（如下图）。通知文件的“电子专用装备”的第一项即“集成电路生产装备”，其中明确提到氟化氪（KrF）光刻机和氟化氩（ArF）光刻机的技术指标，尤其是氟化氩光刻机，文件标明其波长为193nm、分辨率≤65nm、套刻≤8nm，这也被外界理解为国产DUV光刻机取得重大突破，甚至传出了国产DUV光刻机突破8nm工艺的说法。那么，工信部的这份通知，提及的国产光刻机技术指标到底代表什么？由于出口管制等特殊原因，这两年光刻机频繁被提及，科技人群或多或少对光刻机有一定了解。一句话总结，光刻机就是通过特殊的工艺，将图案微缩之后，投影在硅晶圆上并刻蚀晶体管电路，进而实现芯片制造。光刻机依照光源不同，可以分为UV，DUV以及EUV三大类型。每个光源类型依照产生光的方式不同也有所区分，各种光源波长可参照下表：*表1，不同光源类型的光刻机对应的核心技术指标工信部的通知提到的两款设备，对应的就是采用深紫外光的KrF和ArF Dry两个类型的DUV光刻机，只是官方文件用了中文氟化氪、氟化氩来标记。光刻机光源不同，波长对应会有差异，波长越短，可以实现的分辨率就越高， 比如氟化氪光刻机，采用248nm光源，支持0.11μm-0.8μm分辨率芯片的生产，而采用193nm的氟化氩干式光刻机，则可以实现65nm-0.11μm这样更高的分辨率。另外一个关键就是物镜系统的数值孔径(NA)，这两个指标之所以关键，这源于非常知名的公式——瑞利判据，即CD=k1*λ/NA。CD是线宽，即可实现的最小特征尺寸，λ是光刻机使用光源的波长，NA代表光刻机物镜的数值孔径，也就是镜头收集光的角度范围，K1是一个系数，取决于芯片制造工艺有关的众多因素。按照公式，如果芯片制造要实现更小的线宽，即CD值越小，主要就是透过使用波长更短的光源、更大数值孔径（NA）的物镜，以及想办法降低K1。比如现在的EUV极紫外光刻机，光源波长只有13.5nm，同时ASML也在不断地推出更高数值孔径的EUV光刻机，以用于7nm甚至更高工艺制程芯片的制造。但要注意，3nm芯片自下而上大概上百层，对分辨率的要求也自高到低，EUV光刻机只是负责最下面的20多层，其余则由DUV光刻机来配合。据我们从产业内了解的消息，工信部通知提及的光刻机，可以实现0.25的K1值。按照瑞利判据，65=0.25×193/NA，可以反推出国产光刻机的数值孔径为0.75。*表2，ASML不同光源光刻机的主要技术指标，数据来源：半导体综研数值孔径相对较低，对第一代产品来说可以接受，毕竟未来还有第二代、第三代。不过，即便是在现有的ArF光源光刻机上对数值孔径进行迭代，从0.75一路拉倒0.93的水平，分辨率也不过是从现在的65nm，提升到将来的52nm，远不及所谓的“28nm光刻机”。所以，在数值孔径这个路径上去做迭代有收益，但还不够，我们也需要在浸没式光刻机上面尝试更多的突破，实现两条腿走路。浸没式ArF光源本质上没有变化，还是193nm（光源功率才是量产机核心），只不过是在光刻机物镜和晶圆之间加入了超纯水，折射率提升到了1.44，变相的将193nm波长，等效缩小为134nm，进而提升了光刻机的分辨率。为什么会这样？前面说了，瑞利判据即CD=k1*λ/NA。由于加入了水的折射，我们可以对其做个变型，CD=k1*λ/nsinθ，其中n就是水的折射率，sinθ为光刻机镜头与成像面的夹角正弦值，nsinθ等于数值孔径NA。*图2：光线通过透镜系统聚焦成像示意图，n为介质折射率，θ为镜头的聚光角度表2里提到的ASML 2100i，因为是浸没式光刻机，n即1.44，物镜的sinθ值为0.93，而这台设备的K1值为0.28。按照变形后的公式，2100i光刻机的CD=（0.28×193）/（1.44×0.93）=54.04/1.3392≈40nm，这是大家平时口中说的“28nm光刻机”的分辨率。国产光刻机直接升级成浸没式，在数值孔径没有提升的情况下，表现如何？继续套用公式，其CD=（0.25×193）/（1.44×0.75）=48.25/1.08=44nm，仍然到不了“28nm光刻机”的分辨率要求。所以，回到前面说的，我们不仅要投入浸润式光刻机研发，也需要在镜头上去突破，提升物镜的sinθ值，提升数值孔径。一个好消息是，已经有公司在攻关0.85数值孔径的浸没式物镜系统。如果攻关成功，我们的光刻机分辨率有望达到39.41nm，真正突破28nm。这次工信部的文件中，物镜相关的数值孔径没有披露，值得后续关注。要知道，第一代浸没式光刻机都需要从干式演变进化，如果干式光刻机物镜的数值孔径没有达到一流水平，浸没式光刻机也同样没办法。前面提到过，浸没式光刻机的原理就是超纯水放置在镜头底部和晶圆之间，理论上容易但工程落地相当麻烦。首先是要完全消除超纯水中的气泡。 其次，要消除由于透光区和遮蔽区的温差带来的液体表面不均匀的问题，解决这个问题的路径是让超纯水快速流动，但这也会产生旋涡。要超纯水快速流动，还不能产生旋涡，属于既要又要，是个很难的工程问题。图3，林本坚研发的浸没式光刻机镜头系统演示单单浸液系统，在台积电南科专门给ASML的厂区，与林本坚团队耗时2年，修改了7-8回才实现突破。Alpha机完成后的Beta阶段，还得组织庞大的人力在晶圆厂里面浪费无数晶圆，将原本上千个缺陷，降到几百个、几十个，最后降为零，这是一个艰苦的过程。如果分辨率只有65nm，还有其他办法可以进一步提升吗？有。前面提到瑞丽判据，CD=k1*λ/NA，除了波长、NA数值孔径这两个指标外，K1不断地缩小也能实现分辨率提升。降低K1，是晶圆厂光刻工艺工程师们工作的重中之重，工程师们创造了许多令人赞叹的技术来降低K1，包括相移光罩、模型光学临近效应修正、过蚀刻、反演光刻等。按照林本坚《光学微影缩IC百万倍》讲座中的介绍，降低k1首先要“防震动”，就好像手机拍照防抖，在曝光时设法减少晶圆和光罩相对的震动，使曝光图形更加精准，恢复因震动损失的分辨率。再来是减少曝光时液体表面的“无用反射”。改良上述两项，K1基本可以降低到0.65的水平。降低K1提高分辨率，还可以使用双光束成像的方法，包括偏轴式曝光及移相光罩。偏轴式曝光是调整光源入射角度，让光线斜射进入光罩。透过角度的调整，让这两道光相互干涉来成像，使分辨率增加，并增加景深。移相光罩则是在光罩上动些手脚，让穿过相邻透光区的光产生180度的相位差。两种做法都可以让K1减少一半，不能叠加使用。将K1降到0.28，几乎是上述所有技术所能做到的极限了。如果还要进一步降低，就需要在曝光时用两个以上光罩，也就是大家耳熟能详的多重曝光(如下图)。图4：光透过白色孔照射在晶圆的光刻胶上呈现黄色圆点， 借助2个光罩分两次曝光，以实现分辨率的提升用最通俗的话来说，它将密集的图案分工给两个以上图案较宽松的光罩，轮流曝光在晶圆上，实现分辨率的提升。不过，因为曝光次数加倍，在WPH（每小时晶圆产量）不变的情况下，晶圆产出效率降低了一半，而多一次曝光也将导致良率的降低。透过双重曝光，可以将K1从0.28降到0.14，甚至四重曝光的0.07。还是以2100i光刻机为例， 各种Buff叠满之后，其理论的CD=（0.07×193）/（1.44×0.93）=13.51/1.3392≈10nm，注意是10nm指的是分辨率，对应的是2nm工艺，用大家的话说，“28nm光刻机造2nm”。既然多重曝光这么好用，国产65nm ArF光刻机的分辨率，能否通过多重曝光的方式提高分辨率？暂时不能。多重曝光是一个技术手段，需要满足很多工程条件，比如套刻精度，简单理解就是芯片不同层次之间曝光形成的误差。目前，单次曝光套刻精度的控制窗口大概是分辨率的20%-25%，所以65nm分辨率的产品，需要至少13nm的套刻精度，国产设备的套刻精度是8nm，符合这个标准。但需要注意，8nm是出厂标准，是在标准光片上的结果，在晶圆加工过程中由于各种工序带来的误差，上产线后会比出厂标准低不少，这一点ASML或尼康都一样。也就是说，国产设备的8nm标准指标，落在现实产品上也就差不多11-12nm。而要做双重曝光，套刻精度必须在分辨率20%-25%的基础上，再降一半，从13nm下降到6.5nm，当前8nm套刻精度这个指标理论上已经无法满足要求。所以要在这台国产设备上通过多重曝光提高分辨率，未来的迭代，套刻精度就得再更进一步。","kind":null,"is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"1","news_tag":"Product Release","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":0},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko; compatible; ClaudeBot/1.0; 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