一文看懂光刻機

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半導體晶片生產主要分為 IC 設計、 IC 製造、 IC 封測三大環節。 IC 設計主要根據晶片的設計目的進行邏輯設計和規則制定,並根據設計圖製作掩模以供後續光刻步驟使用。 IC 製造實現晶片電路圖從掩模上轉移至矽片上,並實現預定的晶片功能,包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學機械研磨等步驟。 IC 封測完成對晶片的封裝和性能、功能測試,是產品交付前的最後工序。

晶片製造核心工藝主要設備全景圖

光刻是半導體晶片生產流程中最複雜、最關鍵的工藝步驟,耗時長、成本高。半導體晶片生產的難點和關鍵點在於將電路圖從掩模上轉移至矽片上,這一過程通過光刻來實現, 光刻的工藝水平直接決定晶片的製程水平和性能水平。晶片在生產中需要進行 20-30 次的光刻,耗時占到 IC 生產環節的 50%左右,占晶片生產成本的 1/3。

光刻工藝流程詳解

光刻的原理是在矽片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠,再用光線(一般是紫外光、深紫外光、極紫外光)透過掩模照射在矽片表面,被光線照射到的光刻膠會發生反應。此後用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠, 就實現了電路圖從掩模到矽片的轉移。

光刻完成後對沒有光刻膠保護的矽片部分進行刻蝕,最後洗去剩餘光刻膠, 就實現了半導體器件在矽片表面的構建過程。

光刻分為正性光刻和負性光刻兩種基本工藝,區別在於兩者使用的光刻膠的類型不同。負性光刻使用的光刻膠在曝光後會因為交聯而變得不可溶解,並會硬化,不會被溶劑洗掉,從而該部分矽片不會在後續流程中被腐蝕掉,負性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

在矽片表面構建半導體器件的過程

正性光刻與負性光刻相反,曝光部分的光刻膠會被破壞從而被溶劑洗掉,該部分的矽片沒有光刻膠保護會被腐蝕掉,正性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。

正性光刻與負性光刻對比

1)氣相成底膜

矽片在清洗、烘培後首先通過浸泡、噴霧或化學氣相沉積(CVD)等工藝用六甲基二胺烷成底膜,底膜使矽片表面疏離水分子,同時增強對光刻膠的結合力。底膜的本質是作為矽片和光刻膠的連接劑,與這些材料具有化學相容性。

2)旋轉塗膠

旋轉塗膠步驟

形成底膜後,要在矽片表面均勻覆蓋光刻膠。此時矽片被放置在真空吸盤上,吸盤底部與轉動電機相連。當矽片靜止或旋轉的非常緩慢時,光刻膠被分滴在矽片上。隨後加速矽片旋轉到一定的轉速,光刻膠藉助離心作用伸展到整個矽片表面,並持續旋轉甩去多餘的光刻膠,在矽片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層,旋轉一直到溶劑揮發,光刻膠膜幾乎乾燥後停止。

塗膠設備

3)軟烘

塗完光刻膠後,需對矽片進行軟烘,除去光刻膠中殘餘的溶劑,提高光刻膠的粘附性和均勻性。未經軟烘的光刻膠易發粘並受顆粒污染,粘附力會不足,還會因溶劑含量過高導致顯影時存在溶解差異,難以區分曝光和未曝光的光刻膠。

4)曝光

曝光過程是在矽片表面和石英掩模對準並聚焦後,使用紫外光照射,未受掩模遮擋部分的光刻膠發生曝光反應,實現電路圖從掩模到矽片上的轉移。

5)顯影

光刻原理圖

使用化學顯影液溶解由曝光造成的光刻膠可溶解區域, 使可見圖形出現在矽片上,並區分需要刻蝕的區域和受光刻膠保護的區域。顯影完成後通過旋轉甩掉多餘顯影液,並用高純水清洗後甩干。

顯影過程示意圖

6)堅膜

顯影后的熱烘叫做堅膜烘培,溫度比軟烘更高,目的是蒸發掉剩餘的溶劑使光刻膠變硬,提高光刻膠對矽片表面的粘附性,這一步對光刻膠的穩固,對後續的刻蝕等過程非常關鍵。

7)檢測

對矽片的顯影結果進行檢測,合格的矽片進入後續的刻蝕等流程,不合格的矽片在清洗後進入最初流程。

8)刻蝕

刻蝕是通過化學或物理的方法有選擇地從矽片表面除去不需要材料的過程,通過刻蝕能在矽片上構建預想的電子器件。

干法(物理)、濕法(化學)刻蝕原理示意圖

刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩種。干法刻蝕是將矽片表面暴露在惰性氣體中,通過氣體產生的等離子體轟擊光刻膠開出的窗口,與矽片發生反應去掉暴露的表面材料,是亞微米尺寸下刻蝕器件的最主要方法。濕法刻蝕使用液態化學劑(酸、鹼、有機溶劑等)用化學方式去

除矽片表面的材料,一般只用於尺寸較大的情況。

9)去膠

刻蝕完成後,通過特定溶劑,洗去矽片表面殘餘的光刻膠。

光刻機: 半導體製造業皇冠上的明珠

光刻機根據應用工序不同,可以分為用於生產晶片的光刻機,以及用於封裝的光刻機,其中封裝光刻機對於光刻精度和控制精度的要求都比製造用光刻機低很多,價值量也相對較低,本文主要討論用於晶片製造領域的光刻機。

光刻機是晶片製造中光刻環節的核心設備, 技術含量、價值含量極高。 光刻機涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備,因此也具備極高的單台價值量,目前世界上最先進的 ASML EUV光刻機單價達到近一億歐元,可滿足 7nm 製程晶片的生產。

光刻機工作原理:光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段,將光束透射過畫著線路圖的掩模,經物鏡補償各種光學誤差,將線路圖成比例縮小後映射到矽片上,然後使用化學方法顯影,得到刻在矽片上的電路圖。 不同光刻機的成像比例不同,有 5:1,也有 4:1。 光刻機內部結構圖如圖 9 所示。

光刻機工作原理圖

光刻機的內部組件如下:

雷射器:光源,光刻機核心設備之一。

光束矯正器:矯正光束入射方向,讓雷射束儘量平行。

能量控制器:控制最終照射到矽片上的能量,曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設置:設置光束為圓型、環型等不同形狀,不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器:在不需要曝光的時候,阻止光束照射到矽片。

能量探測器:檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求,並反饋給能量控制器進行調整。

掩模版:一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板,貴的要數十萬美元。

掩膜台:承載掩模版運動的設備,運動控制精度達到納米級。

物鏡:物鏡由 20 多塊鏡片組成,主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小,再被雷射映射的矽片上,並且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在於物鏡的設計難度大,精度的要求高。

量台、曝光台: 承載矽片的工作檯, 一般的光刻機需要先測量,再曝光,只需一個工作檯,ASML 的雙工作檯光刻機則可以實現一片矽片曝光同時另一片矽片進行測量和對準工作,能有效提升工作效率。

內部封閉框架、減振器:將工作檯與外部環境隔離,保持水平,減少外界振動干擾,並維持穩定的溫度、壓力。

光刻機的發展,本質上是為了滿足更高性能、更低成本晶片的生產需求。

半導體晶片具有不同的製程,即不同的技術節點,經常看到的45nm、 28nm、 10nm 等字樣即是對不同製程的描述,那麼不同的製程該如何理解,不同製程的晶片又有何差異呢?

這要從集成電路的最基本單元——電晶體說起,用半導體製造電晶體是利用其特殊的導電能力來傳遞 0 或 1 的數位訊號。

電晶體的內部結構圖如下圖所示,在柵區不通電的情況下,源區信號很難穿過不導電的 P 型襯底到達漏區,即表示電路關閉(數位訊號 0),如果在柵區和襯底間加上電壓,襯底中的電荷就會在異性相吸的作用下在絕緣氧化層下大量聚集,形成一條細窄的導電區,使得源區和漏區導通,電流就可以順利從源區傳遞到漏區(信號 1),這就是電晶體最基本的工作原理。 而柵極下方兩個 N—阱間的距離,即導電溝道的長度,被定義為電晶體的尺寸。

電晶體的內部結構

在現代電晶體中,電子的速度是有限的,且一般以飽和速度運行,因此信息傳遞的速度就由導電溝道的長度來決定, 溝道越短,信息傳遞速度越快

晶片的製程可以近似理解為內部電晶體導電溝道的長度,製程小的晶片具有兩大優勢:

  • 處理速度快。小製程晶片內部電晶體導電溝道短,信號傳遞速度快,單位時間內晶片能處理更多的信息,時鐘頻率更高。單位面積性能提升,成本降低。更小的電晶體尺寸意味著單位面積晶片可以製造更多的電晶體,晶片集成度得到提升,即增加了晶片的功能,又使單位晶片的成本得到降低。光刻工藝水平決定了電晶體尺寸的大小,因此晶片製程的不斷縮小必然伴隨著光刻機產品的不斷升級和創新,從本質上說,正是半導體產業對更高性能、更低成本晶片的不斷追求推動了光刻機設備的不斷創新與發展。

  • 光刻機是延續摩爾定律的關鍵。摩爾定律提出, 當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔 18-24 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。半導體行業最初三十年的發展能夠基本滿足摩爾定律, 關鍵就在於光刻機能不斷實現更小的解析度水平。近十年來摩爾定律的時間間隔已經延長至 3-4 年,原因就在於光刻機的發展低於行業的預期

光刻機發展史:光源改進+工藝創新推動光刻機更新換代

光刻機的最小解析度、生產效率、良率均在不斷發展。 光刻機的最小解析度由公示 R=kλ/NA,其中 R 代表可分辨的最小尺寸,對於光刻技術來說, R 越小越好; k 是工藝常數; λ 是光刻機所用光源的波長; NA 代表物鏡數值孔徑,與光傳播介質的折射率相關,折射率越大, NA 越大。光刻機製程工藝水平的發展均遵循以上公式。此外,光刻機的內部構造和工作模式也在發展,不斷提升晶片的生產效率和良率。

根據所使用的光源的改進,光刻機經歷了 5 代產品的發展,每次光源的改進都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。此外雙工作檯、沉浸式光刻等新型光刻技術的創新與發展也在不斷提升光刻機的工藝製程水平,以及生產的效率和良率。

按所用光源,光刻機經歷了五代產品的發展

最初的兩代光刻機採用汞燈產生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源,可以滿足0.8-0.35 微米製程晶片的生產。最早的光刻機採用接觸式光刻,即掩模貼在矽片上進行光刻,容易產生污染,且掩模壽命較短。此後的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良, 通過氣墊在掩模和矽片間產生細小空隙,掩模與矽片不再直接接觸,但受氣墊影響,成像的精度不高。

第三代光刻機採用 248nm 的 KrF(氟化氪)準分子雷射作為光源,將最小工藝節點提升至350-180nm 水平,在光刻工藝上也採用了掃描投影式光刻,即現在光刻機通用的,光源通過掩模, 經光學鏡頭調整和補償後, 以掃描的方式在矽片上實現曝光。

第四代 ArF 光刻機:最具代表性的光刻機產品。第四代光刻機的光源採用了 193nm 的 ArF(氟化氬)準分子雷射,將最小製程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機,也是最具有代表性的一代光刻機。由於能夠取代 ArF 實現更低製程的光刻機遲遲無法研發成功,光刻機生產商在 ArF 光刻機上進行了大量的工藝創新,來滿足更小製程和更高效率的生產需要。

創新一:實現步進式掃描投影。 此前的掃描投影式光刻機在光刻時矽片處於靜止狀態,通過掩模的移動實現矽片不同區域的曝光。 1986 年 ASML 首先推出步進式掃描投影光刻機,實現了光刻過程中,掩模和矽片的同步移動, 並且採用了縮小投影鏡頭,縮小比例達到 5: 1, 有效提升了掩模的使用效率和曝光精度,將晶片的製程和生產效率提升了一個台階。

步進式投影示意圖

創新二:雙工作檯光刻機。矽片在進入光刻流程前要先進行測量和對準,過去光刻機只有一個工作檯,測量、對準、光刻等所有流程都在這一個工作檯上完成。 2001 年 ASML 推出了雙工作檯系統(TWINSCAN system),雙工作檯系統使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下,當一個工作檯在進行曝光工作的同時,另外一個工作檯可以同時進行曝光之前的預對準工作,使得光刻機的生產效率提升大約 35%。

雖然從結果上來看,僅僅是增加了一個工作檯,但其中的技術難度卻不容小覷,雙工作檯系統對於換台的速度和精度有極高的要求, 如果換台速度慢,則影響光刻機工作效率;如果換台精度不夠, 則可能影響後續掃描光刻等步驟的正常開展。

雙工作檯光刻機系統樣機

創新三: 浸沒式光刻系統。到了 45nm 製程節點時, ArF 光刻機也遇到了解析度不足的問題,此時業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線圖。一是開發波長更低的 157nmF2準分子雷射做為光源, 二是由 2002 年台積電林本堅提出的浸沒式光刻。此前的光刻機都是乾式機台,曝光顯影都是在無塵室中,以空氣為媒介進行。由於最小解析度公式中的 NA 與折射率成正相關,如果用折射率大於 1 的水做為媒介進行光刻,最小解析度將得到提升,這就是浸沒式光刻系統的原理。

ASML 率先推出浸沒式光刻機,奠定自身市場地位。林本堅提出浸沒式光刻設想後, ASML開始與台積電合作開發浸沒式光刻機,並在 2007年成功推出第一台浸沒式光刻機TWINSCANXT:1900i,該設備採用折射率達到 1.44 的去離子水做為媒介,實現了 45nm 的製程工藝,並一舉壟斷市場。當時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源乾式光刻機被市場拋棄,不僅損失了巨大的人力物力,也在產品線上顯著落後於 ASML,這也是尼康、佳能由盛轉衰,ASML 一家獨大的重要轉折點。

浸沒式光刻機原理

通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝,第四代 ArF 光刻機最高可以實現 22nm 製程的晶片生產,但是在摩爾定律的推動下,半導體產業對於晶片製程的需求已經發展到 14nm、 10nm、甚至7nm, ArF 光刻機已無法滿足這一需求,半導體產業將希望寄予第五代 EUV 光刻機。

第五代 EUV 光刻機,千呼萬喚始出來。 1-4 代光刻機使用的光源都屬於深紫外光, 第五代 EUV光刻機使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。

早在上世紀九十年代,極紫外光刻機的概念就已經被提出, ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機的研發工作,原計劃在 2004 年推出產品。但直到 2010 年 ASML 才研發出第一台 EUV 原型機, 2016 年才實現下遊客戶的供貨,比預計時間晚了十幾年。三星、台積電、英特爾共同入股 ASML 推動 EUV 光刻機研發。

EUV 光刻機面市時間表的不斷延後主要有兩大方面的原因,一是所需的光源功率遲遲無法達到 250 瓦的工作功率需求,二是光學透鏡、反射鏡系統對於光學精度的要求極高,生產難度極大。這兩大原因使得 ASML及其合作夥伴難以支撐龐大的研發費用。 2012 年 ASML 黨的三大客戶三星、台積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元,用於支持 EUV 光刻機的研發。此後 ASML 收購了全球領先的準分子雷射器供應商 Cymer,並以 10 億歐元現金入股光學系統供應商卡爾蔡司,加速EUV 光源和光學系統的研發進程,這兩次併購也是 EUV 光刻機能研發成功的重要原因。

現在的半導體產業邁進了一個新時代。

ASMLTWINSCAN NXE:3350B 型號 EUV 光刻機


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