一、光刻机工件台
突破“光刻机”技术,还得看清华大学。
清华作为中国一流学府,吸纳着中国大量的优秀人才,同样也培养了大量的人才。当然,树大必招风,这些年对于清华的负面消息也不少。
中国科研取得的成绩,的确是众多高校和科研院所努力的结果,但是清华的科研能力还是值得肯定的。
二、光刻机工件台的作用
euv光刻机原理是接近或接触式光刻通过无限靠近,复制掩模板上的图案;直写式光刻是将光束聚焦为一点,通过运动工件台或镜头扫描实现任意图形加工。
投影式光刻因其高效率、无损伤的优点,是集成电路主流光刻技术。
三、光刻机工件台技术
光刻机中的双工作台的核心部件是电机。
华卓精科的双工件台样机,通过了国家科技重大项目的验收,中国也成为继荷兰之后第二个掌握光刻机双工件台技术的国家。华卓精科的双工件台运用磁悬浮平面电机方案,可以利用磁悬浮电机驱动超精密的乘片台,最高能实现纳米级分辨率的套刻精度。1.7纳米的华卓精科工件台结合28纳米沉浸式光刻机,在理论上可以经过多重曝光实现7纳米芯片的制造。
四、光刻机工件台陶瓷
1.EDA软件(电子设计自动化) 国产龙头:华大九天(301269)
2.存储芯片 国产龙头:兆易创新(603986)、北京君正(300233)
3.CPU-中央处理器 国产龙头:龙芯中科(688047)
4.GPU-图形处理器 国产龙头:景嘉微(300474) GPU被国外三巨头垄断,分别是英特尔(63%)、英伟达(18%)、AMD(19%)
5.MCU-微控制器 国产龙头:兆易创新(603986)
6.FPGA-半定制电路芯片 国产龙头:紫光国微(002049)、复旦微电(688385)7.DSP-数字信号处理器国产龙头:国睿科技(600562)、四创电子(600990)
8.触控与指纹识别芯片 国产龙头:汇顶科技(603160)
9.射频前端芯片 国产龙头:卓胜微(300782)
10.模拟芯片 国产龙头:圣邦股份(300661) 11.LED 国产龙头:三安光电(600703) 12.miniLED 国产龙头:京东方A(000725)、TCL科技(000100)
13.IGBT 国产龙头:斯达半导(603290) 14.MOSFET 国产龙头:华润微(688396) 15.功率二极管 国产龙头:扬杰科技(300373)
16.晶闸管 国产龙头:捷捷微电(300623) 17.晶振 国产龙头:泰晶科技(603738) 18.MLCC-片式多层陶瓷电容 国产龙头:风华高科(000636)
19.MEMS-传感器 国产龙头:敏芯股份(688286)
20.代工制造 国产龙头:中芯国际(688981)
21.封装测试 国产龙头:长电科技(600584)
22.硅片 国产龙头:沪硅产业(688126)、立昂微(605358)
23.光刻胶 国产龙头:南大光电(300346) 24.电子特气 国产龙头:华特气体(688268)
25.湿电子化学品 国产龙头:江化微(603078)
26.靶材 国产龙头:有研新材(600206)、江丰电子(300666)
27.CMP抛光材料 国产龙头:安集科技(688019)(抛光液)、鼎龙股份(300054)(抛光垫)
28.氮化镓GaN 国产龙头:英诺赛科(未上市)
29.碳化硅SiC 国产龙头:露笑科技(002617)
30.光刻机 国产龙头:上海微电子(未上市)
五、光刻机工件台厂商
中国目前最先进的光刻机是上海微电子的SSA600系列。
SSX600系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术,以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术,可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求。
六、光刻机工件台移动方式
光刻需要仪器,叫光刻机!
光源系统、物镜系统、EDA工程、双工件台系统是构成光刻机的四大核心部件。先前我们在双工件台系统、光源系统中已经有所突破,决定逻辑芯片前期技术开发的EDA工程软件系统也被芯和半导体攻破。决定光刻机制程精度,光刻机最核心的物镜系统
七、光刻机工件台定位平台结构设计
虽然通过浸没式技术和多重光刻技术等,采用ArF光源的光刻机可以满足7nm节点工艺要求,但是在实际应用中仍然面临巨大挑战,首先就是光刻机使用的超纯水中可能含有影响晶圆表面而形成缺陷的颗粒物,同时水泡会分散曝光所用的光,歪曲空中的影像而在晶圆的光阻层中形成气泡缺陷。同时为了满足先进工艺要求,浸没式光刻机采用了双重光刻技术、多重光刻技术和自对准双重成像技术等技术,这样的结果是工艺成本上升和良率的下降,而这对晶圆厂、设计公司都是不利的。
EUV光刻机的优点及核心技术
EUV光刻机的引入让总体工艺成本降低了12%,工艺过程的简化促进良率提升9%,同时更好的成像性能导致集成电路性能比采用浸没式光刻机的更加优异。当然目前EUV光刻机的产出率要低于浸没式光刻机,ASML的NXE3300B、3400B的产出率为125片/小时,而浸没式光刻机NXT2000i和NXT2050i的产出率为275片/小时和295片/小时,差距仍然明显。
EUV光刻机主要有物镜、掩模台、工件台、光源、照明等组成,相比193nm的ArF光,几乎所有的光学材料对13.5nm的极紫外光都有很强的吸收,就连空气都能吸收EUV,到达光刻胶时光能量损失超过95%,因此EUV光刻机的光学系统采用全反射式曝光系统,这也是EUV光刻机的核心技术:
当然EUV光刻机还涉及其他关键技术。在架构设计方面,要做到与光学光刻机共用平台,针对真空腔与全反射式曝光系统开展系统设计;在高真空环境下还要研究密封性设计,材料方面还要考虑抑制释放气体以及相应的污染控制。
EUV的反射镜表面镀有Mo/Si多层膜,其中Mo层厚度为2.8nm,Si层厚度为4.1nm,一个Mo/Si的厚度为6.9nm,在多层膜表面镀有一层2-3nm的Ru保护膜。在Mo/Si膜的表面镀一层Ru膜的目的是可以有效延缓Mo/Si的氧化,降低C在表面沉积的速率。
实际上在EUV光学系统环境中水分子和碳氢化合物是导致反射镜表面反射率降低的主要原因。这些水分子和碳氢化合物可能来源是材料表明的放气、泄漏和真空系统自身。在高能量EUV光照下水分子会氧化Mo/Si,碳氢化合物会分解,在反射镜表面沉积一层碳膜。数据显示反射镜表面沉积0.3nm的氧化层便会导致约1%的反射率损失。
当然目前业界也在研究其他多层膜以便进一步提高反射率,比如在Mo/Si层中加入Rh、Sr等材料;对每一层材料厚度做优化以及使用B4C作为保护层等。
EUV光刻机的光路设计及曝光系统
EUV光刻机的曝光系统设计成一系列反射镜,光路的路径如下:光源发出的13.5nm的光被收集后通过几个反射镜形成所需要的光照方式并照射在掩模上。掩模同样设计成反射式的,从掩模反射出的光包含了掩模上的图形信息,这些带有信息的光通过另一组反射镜投影在晶圆上实现曝光:
在EUV光刻机中通过使用6个反射镜实现了0.33 的数值孔径,但若要提升数值孔径就需要增加更多的反射镜,比如将反射镜增加到8个便可将数值孔径提升到0.5。另外通过增加非球面度可进一步提高成像质量,减少波前误差;通过降低面型粗糙度可降低杂散光,提高对比度等:
ASML第二代EUV光刻机有望将数值孔径提升到0.5以上,该机型计划于2024年量产。
不过有一个新的问题是由于使用的反射镜中心有孔,这样带来的问题是曝光视场的缩小,导致达不到26mm*33mm的曝光区域,而目前26mm*33mm在深紫外和极紫外为统一的视场标准。
EUV光源的结构及输出功率
目前EUV光刻机的光源有两种:用放电产生的等离子体发射EUV光子的DPP技术以及用激光激发的等离子体来发射EUV光子的LPP技术,这两个技术的共同点是先激发产生20-50eV的等离子体,等离子体再辐射出EUV光子。不过LPP因为比较容易实现输出功率的提升,虽然结构复杂,造价较高,但仍然成为主要的光源收集方式。
EUV的LPP光源系统的结构,由驱动激光器、光束传递系统和EUV腔系统三部分组成。驱动激光系统包含CO2激光器和预脉冲激光器,其中CO2激光器是一套主振功率放大(MOPA)系统,该主振荡器包含多个量子级联激光器,一套再生放大器,和一套基于射频放电激发、平板波导和多程放大器的后置放大系统:
预脉冲激光和CO2激光束在光束传输系统中被混合起来,并通过EUV腔系统中的对焦单元导入到等离子体态的锡液滴上。锡等离子体产生的EUV光束被收集镜收集起来,并导入到曝光系统中。超导磁场系统位于EUV腔外部,并能在EUV腔内产生高强度的磁场,从而保护收集器镜面不受锡等离子体产生的高速锡离子的影响。此外,该系统配备有若干套射击控制回路,如液滴定位控制、激光光束轴、定时控制器,以确保液滴和激光器间能拥有μm至nm量级的射击精度。
在DPP技术中注入的材料如Sn或Xe在电场作用下生成等离子体,然后磁场对其进一步压缩使之达到高温、高密度并产生EUV辐射。当然在LPP技术中是用激光激发方式产生EUV辐射。
目前光刻机主要用Sn来激发EUV光子,主要的原因是Xe的转换效率不到1%,绝大多数输入能量变成热能,因此效率太低,而且光源散热不容易解决。
衡量EUV光源的重要性能指标为转换效率和输出功率,其中转换效率为13.5nm附近2%带宽内输出的能量占总输入能量的百分比;输出功率则是在中间汇聚点测得的功率:
光刻机光源输出功率和光刻胶敏感度是决定光刻机产能的主要因素,曝光功率越大、光刻胶越敏感,晶圆曝光所需要的时间就越短,产出率越高。
目前提高EUV光源输出功率的方法主要在四个方面:第一是增加激光器的激发功率,包括增加激光器功率放大的能力和提高脉冲频率;第二是提高转换效率;第三是提高对发光的控制,包括提高激光与Sn滴之间的稳定性和Sn滴的动量;第四是提高收集系统使用寿命。