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微观尽头——光刻技术简介(终)


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Zyx 2024-02-10 909

EUV和EUV光刻机

什么是EUV?承认一个很难堪的事实,大家都知道EUV光刻机好,但是恐怕有三分之一的人,不知道EUV是什么东西

EUV(极紫外光,extreme ultra violet),是指电磁波谱中波长从121nm到10nm的电磁辐射,太阳和人造的等离子都可以产生EUV。

介绍完EUV,那什么是EUV光刻机呢?

EUV光刻机是指使用波长为13.5nm的极紫外光完成曝光的光刻机。目前能量产光刻机的供应商仅有ASML一家(Nikon并未量产,原型机叫EUV1)

为什么要用EUV光刻机?DUV不能用吗?

这个问题问的非常有水平,DUV光刻机用了这么多年,为啥得要用EUV光刻机呢?答案很简单,随着集成电路器件尺寸的不断缩小,DUV的分辨率已经无法满足我们的需求。

根据瑞利判据:
resolution=k₁·λ/NA

k₁ :工艺因子,是一个常数。与光照条件、掩模的设计以及光刻胶的工艺等多种因素有关。批量生产一般要求k₁>0.30,k₁绝不能<0.25!

λ:光的波长,高中物理、大学物理都讲过

NA:光刻机的数值孔径,与镜子尺寸成正相关

要想缩小特征尺寸,要么减小波长,要么提高数值孔径。在EUV量产之前,DUV光源的波长从365nm到248nm,再到193nm,再到193nm浸润式(增加折射率,提高NA),配合双重光刻技术,一直将logic的器件尺寸推进到10nm级(例如Intel 10nm,台积电7nm,SMIC N+2)

但是在这之后,就需要用到EUV光刻机了。13.5nm只有193nm的十几分之一,可以极大提高光刻机的分辨率。换言之,同样的图形用EUV去曝光,工艺因子k₁要比DUV的大。而k₁越大,生产就越容易。

说个冷知识,上世纪80年代,EUV光刻技术就已投入研发,最初打算在130nm工艺用到它。但就和GTA6一样,EUV光刻机一直跳票。一直到2019年(麒麟990 5G,台积电N7+工艺),才姗姗来迟,时间已经过去了三十多年。

EUV光刻机的反射镜

由于绝大部分的光学材料对于13.5nm波长的极紫外光都有很强的吸收作用,所以EUV光刻机是别想着用透镜系统了,只能用反射镜。光源产生的光经过反射镜多次反射,投射在掩模上(EUV掩模也是反射式的),再被反射到晶圆表面。

EUV反射镜表面镀有Mo/Si多层膜结构,在Mo/Si最外层还有一层Ru,起到保护作用。Mo与Si的厚度不同,主要是考虑到这两种材料的反射系数不同。通过一定的厚度设计,可以实现光的相长干涉,从而达到最大的反射率。

实验结果证明,反射率最大值大约为70%。图示的光学系统由6个反射镜组成,因此透光率就只有0.7的6次方,大概是11.76%。增加反射镜的数目,可以提高光刻机的NA;但是相应的,透光率也要大打折扣。

为了满足0.5NA和0.75NA EUV光刻机的需求(现在的NA为0.33),ASML势必要在光源上下功夫,提升光源的输出功率。

光刻机的镜头和我们用的手机镜头或者相机镜头一样,需要定期擦一擦,保证良好的状态。虽然说光刻机的镜头是在真空环境下工作,但是光刻机内部不可能是绝对的真空,可能残留有水分和碳氢化合物。水能氧化Mo/Si膜,碳氢化合物会沉积在镜头表面形成碳膜。会导致反射率大幅降低,严重威胁到光刻机的使用寿命。

不过光刻机的镜组,可不能用袖子或者擦镜布去清洁。要用化学方法清洗。比如说浓硫与双氧水的混合液(SPM),含有臭氧的水或者含有臭氧的双氧水溶液。

EUV光刻机的光源

目前EUV的光源主要有两种,分别是用放电产生的等离子体发射EUV(discharge-produced plasma,DPP)和用激光激发的等离子体来发射EUV(laser-produced plasma,LPP)

以LPP为例,使用激光照射材(Xe或者Sn)料激发等离子体,产生EUV。

Xe的缺点是转换效率低,只有1%左右。也就是说输入的能量只有1%产生13.5nm的EUV,其余的能量不是产生其他的波长的光(杂波),就是变成热能。

(转换效率,conversion efficiency,CE,定义为在13.5nm附近2%带宽内输出的能量与总能量的比值)

Xe效率低,且发热大,不能满足量产需求。因此目前的EUV多采用Sn作为工作材料。当然Li或许也能产生EUV,详情见论文如下。

谈谈清华SSMB

最近一段时间,大家对于半导体行业的关注度可以说是史无前例的高。为麒麟回归摇旗呐喊者有之,盯着股票涨跌死死不放者有之,认为我们弯道超车超美赶荷指日可待者亦有之。

先亮明态度,我非常支持清华大学建设SSMB试验装置,任何涉及到基础科学的试验装置,我都无条件支持。
我本人也比较关注大科学装置,阅读过权威机构组织编写的科普书籍。我推荐大家也去阅读这几本书,看完之后受益匪浅。

但是一个加速器光源,就能用来生产3nm芯片了么?

网传的几张截图,内容是否属实?
清华的SSMB,是否就是光刻工厂?
SSMB科学装置,是否能够分出不同光束,来生产3/5/7/14/28nm的芯片?

咱别看微博吹的怎么震天响,咱来看看学术论坛的视频,或者直接上论文。很遗憾,论文全篇没有找到光刻厂三个字。(废话,一个光源与光刻厂中间差了不知道多少)

SSMB,稳态微聚束。SSMB光源的原理,是储存环中的聚束系统,即微波射频腔,用激光调制系统取代。让激光对电子束产生与射频腔中的微波类似的能量调制,从而实现传统射频腔对电子束的纵向聚焦(聚束)功能。

SSMB光源最大的优点在于功率极大,可以做到kW级。然后是转换效率高,杂波相对于LPP而言更少。

在论文的结尾,作者也没有说SSMB能吊打ASML。只是说“有望实现跨越式发展,可用于物理、化学、能源、环境等学科的前沿基础研究与应用基础研究。

而且光刻机除了光源,还有镜组,控制系统,温控系统,双工件台。

有的人说我们搞的光刻机和国外的不一样,可再怎么不一样,光刻也不是有光就行的。好比德国汽车很强,我们造电动车。哪怕电动车与燃油车结构千差万别,电动车也不是只包含高能电池,它依然需要其他的配套系统。

从毛笔换到钢笔,墨水也得换啊,这么简单的道理对吧?

那光刻之后呢,还有许多刻蚀设备,缺陷检测设备,封装测试设备等等等等。光刻机后面那么长的流程,全都是与当前光刻机适配的;如果把光刻机大改,后面的机器能不能兼容是个问题。就好像我们学校配的是新的显示器,但是依旧用着VGA连接电脑一样,有种吕布骑狗的感觉。

至于另一些截图里面,光刻厂分出不同的光,用于不同的工艺;甚至说我们无法在5米内达到精度,那么就让光多跑几千米,总能达到所要求的精确度。还有说我们是换道超车,功率大,大大不了就是损耗快一点而已

首先说第一点,分出不同的光这一点就很不现实。EUV光刻机里一束光+六片镜子都玩不明白,还打算同时分出几十上百束不同波长的光???

而且SSMB产生的是13.5nm波长的光啊!!!从哪分出那么多光的?就算把13.5nm波长分成几束,拿EUV去做28/14nm,难道不是浪费吗?人家1000台机器,1000束光,全部拿来生产5/3nm;你一台机器,1000束光,一部分拿来产3nm,一部分拿来产7nm ,还有的拿来产14/28nm。经济效益远不如人的,毕竟5nm的报价比14nm高多了。而半导体行业和原子弹不一样,需要成本合适且良率高。

第二点,5米内要求精度达到几nm,我们做不到;难道让光多跑5000米,再达到几纳米更简单么???

第三点,我非常讨厌弯道超车、换道超车这种说法。哪有捷径可走?唯有博观约取,厚积薄发。无数人的努力,无数个日日夜夜,不能被弯道超车这几个字所带过。

更何况大功率的EUV光源是未来的发展方向呀,怎么能说是换道超车呢?应该说是我们提前布局未来。ASML未来也要提高光源功率的,还是一条赛道。

按照某些截图的说法,我们造不出国外那种EUV,所以就换道超车。这就好像我国在新能源领域遥遥领先,假设某国无法超越,所以选择做核聚变技术。然后他们的媒体就开始宣传:我们造不出电动车,所以我们造核能车,我们换赛道了;我们不做核电站跟光伏,我们做核聚变电站,遥遥领先!

到底现实不现实,各位读者自行把关。

还有那句“不就是损耗快一点”,ASML为啥要费大力气研发反射镜清洗系统,就是避免换镜头啊!一个镜头多少钱?这可不是单反镜头,是直径40,长一米多的镜头!老是换元器件,最后的成本就会反馈在芯片的价格上。

我的想法

大家关心芯片,关心光刻机是好事。我希望这不是一阵风,而是长久的氛围,能够让全民参与科普知识的学习,是一件好事。

但是现在网络环境浮躁,少有人能静下心来看看书。可是短视频平台的科普,质量良莠不齐……有时候真的好无奈。

就拿SSMB来说,明明是布局未来的一项大科学装置,在小作文里被传播成了换赛道的光刻工厂;明明SSMB光源可以用于物理、化学、材料、环境多领域的研究,可是有些人就盯着光刻芯片这个点不放……

我相当支持清华建设SSMB项目,我也很看好它,但是我不认为短期内SSMB能够商用。远水解不了近渴,希望大家明白这一点。
可控核聚变是好,但是现阶段还是要老老实实做核电与太阳能。SSMB就像可控核聚变,现阶段的光刻机就像核能与太阳能等新能源。道理很简单,稍微思考一下即可。

可能等到SSMB EUV商用,国外的hyperNA EUV也交货了。到时候逐鹿群雄,才是看热闹的时候,不能现在开香槟。(想想前些年高通、德州仪器、Nvidia、猎户座轮番登场的时候,是不是很有意思)

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