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光刻机的几个关键部件介绍,怎样分析光刻机性能

五度易链 2019-04-16 3160 0

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​光刻机的发展限制了现在的芯片发展,现在国内的光刻机发展和国外的差距非常大,那么光刻机的技术包括哪些方面呢?


光刻机的发展限制了现在的芯片发展,现在国内的光刻机发展和国外的差距非常大,那么光刻机的技术包括哪些方面呢?

光刻机就是放大的单反,光刻机就是将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上,形成图形。最核心的就是镜头,这个不是一般的镜头,可以达到高2米直径1米,甚至更大。

光源

光源是光刻机核心之一,光刻机的工艺能力首先取决于其光源的波长。最早光刻机的光源是采用汞灯产生的紫外光源(UV: Ultraviolet Light),从g-line一直发展到i-line,波长缩小到365nm,实际对应的分辨率大约在200nm以上。随后,业界采用了准分子激光的深紫外光源(DUV: Deep Ultraviolet Light)。将波长进一步缩小到ArF的193nm。不过原本接下来打算采用的157nm的F2准分子激光上遇到了一系列技术障碍以后,ArF加浸入技术(Immersion Technology)成为了主流。

所谓浸入技术,就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1,使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44,所以ArF加浸入技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。从而实现更高的分辨率。F2准分子激光之所以没有得以发展的一个重大原因是,157nm波长的光线不能穿透纯净水,无法和浸入技术结合。所以,准分子激光光源只发展到了ArF。

这之后,业界开始采用极紫外光源(EUV: Extreme Ultraviolet Light)来进一步提供更短波长的光源。目前主要采用的办法是将准分子激光照射在锡等靶材上,激发出13.5nm的光子,作为光刻机光源。目前,各大Foundry厂在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机,其中三星在7nm节点上就已经采用了。而目前只有荷兰ASML一家能够提供可供量产用的EUV光刻机。

分辨率

光刻机的分辨率(Resolution)表示光刻机能清晰投影最小图像的能力,是光刻机最重要的技术指标之一,决定了光刻机能够被应用于的工艺节点水平。但必须注意的是,虽然分辨率和光源波长有着密切关系,但两者并非是完全对应。具体而言二者关系公式是:

公式中R代表分辨率;λ代表光源波长;k1是工艺相关参数,一般多在0.25到0.4之间;NA(Numerical Aperture)被称作数值孔径,是光学镜头的一个重要指标,一般光刻机设备都会明确标注该指标的数值。

所以我们在研究和了解光刻机性能的时候,一定要确认该值。在光源波长不变的情况下,NA的大小直接决定和光刻机的实际分辨率,也等于决定了光刻机能够达到的最高的工艺节点。

套刻精度

套刻精度(Overlay Accuracy)的基本含义时指前后两道光刻工序之间彼此图形的对准精度(3σ),如果对准的偏差过大,就会直接影响产品的良率。对于高阶的光刻机,一般设备供应商就套刻精度会提供两个数值,一种是单机自身的两次套刻误差,另一种是两台设备(不同设备)间的套刻误差。

工艺节点

工艺节点(nodes)是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。传统上(在28nm节点以前),节点的数值一般指MOS管栅极的最小长度(gate length),也有用第二层金属层(M2)走线的最小间距(pitch)作为节点指标的。

节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系,每一个节点基本上是前一个节点的0.7倍。这样以来,由于0.7X0.7=0.49,所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半,也就是说单位面积上的晶体管数量翻了一番。这也是著名的摩尔定律(Moore's Law)的基础所在。一般而言,大约18~24个月,工艺节点就会发展一代。

芯片制造核心工艺介绍

光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现, 光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产中需要进行 20-30 次的光刻,耗时占到 IC 生产环节的 50%左右,占芯片生产成本的 1/3。

光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶,再用光线(一般是紫外光、深紫外光、极紫外光)透过掩模照射在硅片表面,被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶, 就实现了电路图从掩模到硅片的转移。光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀,最后洗去剩余光刻胶, 就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。

光刻分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺,区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解,并会硬化,不会被溶剂洗掉,从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉,负性光刻光刻胶上的图形与掩模版图形相反。

光刻机的技术十分复杂,现有技术也是经历了漫长的研究,国内企业在光刻机的技术研究需要从关键技术出发,逐步提升自我研究的水平。


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