اصل و تجهیزات دستگاه لیتوگرافی

بر اساس اصل فرآیند لیتوگرافی، می توانیم توسعه عکس های فیلم را تصور کنیم، صفحه ماسک معادل فیلم است و دستگاه لیتوگرافی جدول توسعه است، مدار تراشه روی صفحه ماسک را یک به یک به فیلم مقاوم در برابر نور کپی می کند و سپس مدار از طریق فناوری اچینگ روی ویفر نقاشی می شود.

البته، فرآیند واقعی مطمئناً چندان ساده نیست، دستگاه لیتوگرافی اسکن مرحله ای غوطه ور معمولی ASML به عنوان نمونه ای برای مشاهده نحوه عملکرد دستگاه لیتوگرافی - اول از همه، نور لیزر، پس از اصلاح، کنترل کننده انرژی، دستگاه تشکیل پرتو و غیره. ، داخل میز عکس ماسک، ماسک عکس شرکت طراحی را قرار دهید و سپس از طریق لنز شیئی به میز نوردهی پرتاب کنید. بنابراین چیزی که در اینجا دارید یک ویفر 8 یا 12 اینچی است که با یک مقاوم به نور پوشیده شده است که حساس به نور است و نور ماوراء بنفش مدارهای روی ویفر را حک می کند.

لیزر مسئول تولید منبع نور است و منبع نور تأثیر تعیین کننده ای بر روند فرآیند دارد، با بهبود مستمر گره صنعت نیمه هادی، طول موج لیزر لیتوگرافی نیز به طور مداوم در حال کاهش است، از 436 نانومتر، 365 نانومتر نزدیک به ماوراء بنفش. لیزر (NUV) به لیزر 246 نانومتر، 193 نانومتر فرابنفش عمیق (DUV)، در حال حاضر، دستگاه لیتوگرافی DUV تعداد زیادی کاربرد دستگاه لیتوگرافی است، طول موج 193 نانومتر است، منبع نور لیزر اگزایمر ArF (آرگون فلوراید)، از 45 نانومتر است. تا فرآیند 10/7 نانومتری می‌توان از این دستگاه لیتوگرافی استفاده کرد، اما گره 7 نانومتری دارای محدودیت لیتوگرافی DUV است، بنابراین اینتل، سامسونگ و TSMC فناوری لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) را در گره 7 نانومتری معرفی خواهند کرد و GlobalFoundries نیز EUV 7 نانومتری را مورد مطالعه قرار داد. روند، اما اکنون آن را رها کرده است. دستگاه لیتوگرافی که از نور فرابنفش شدید (EUV) به عنوان منبع نور استفاده می کند، یک دستگاه لیتوگرافی EUV است، البته، این کار قطعاً به سادگی تغییر منبع نور نیست.

چرا لیتوگرافی EUV مورد نیاز است؟

یکی از مزایای EUV کاهش مراحل پردازش تراشه است و استفاده از EUV به جای فناوری سنتی نوردهی چندگانه، مراحل رسوب گذاری، اچینگ و اندازه گیری را بسیار کاهش می دهد. در حال حاضر، فناوری EUV عمدتاً در فرآیندهای فرآیند منطقی استفاده می شود که منجر به افزایش حجم سفارش/تقاضا در سال 2019 شده است.

منبع نور 193 نانومتری DUV که امروزه استفاده می شود در واقع از دهه 2000 مورد استفاده قرار گرفته است، اما در فناوری منابع نوری با طول موج کوتاه گیر کرده است و فناوری لیتوگرافی با طول موج 157 نانومتر در واقع در سال 2003 یک دستگاه لیتوگرافی داشته است، اما پیشرفت در مقایسه با تا طول موج 193 نانومتر تنها 25 درصد است. با این حال، از آنجایی که موج نور 157 نانومتری توسط لنز 193 نانومتری جذب می‌شود، لنز و مقاومت نوری باید دوباره توسعه یابند، و فناوری ارزان‌تر غوطه‌وری 193 نانومتری در آن زمان در دسترس بود، بنابراین لیتوگرافی 193 نانومتری DUV در حال حاضر استفاده شده است.

البته باید بدانیم که چرا می‌توان منبع نوری مشابهی را از گره‌های فرآیندی مختلف استخراج کرد، مثلاً اینتل را در سال 2000 از 180 نانومتر استفاده می‌کردند و اکنون 10 نانومتر است، در واقع دستگاه لیتوگرافی تعیین می‌کند. فرآیند فرآیند نیمه هادی، دقت دستگاه لیتوگرافی به طول موج منبع نور و دیافراگم عددی لنز شیئی مربوط می شود. فرمول هایی برای محاسبه وجود دارد:

(فرآیند ∝1/)وضوح دستگاه لیتوگرافی =k1*λ/NA(k1 یک دستگاه لیتوگرافی ثابت است، k1 متفاوت است، λ به طول موج منبع نور اشاره دارد، NA دیافراگم عددی عدسی شیئی است، بنابراین وضوح دستگاه لیتوگرافی به طول موج منبع نور و دیافراگم عددی لنز شیئی، هرچه طول موج کوتاهتر باشد، NA بزرگتر، بهتر است، بنابراین هرچه وضوح دستگاه لیتوگرافی بالاتر باشد، فناوری فرآیند پیشرفته تر است.)(توجه: قسمت آبی فرمول طبق توضیحات فرمول بالا اضافه می شود، بنابراین منطقی است)

لیتوگرافی غوطه وری اصلی برای اضافه کردن آب با ضخامت 1 میلی متر روی مقاومت ویفر بسیار ساده است، آب می تواند طول موج نور 193 نانومتری را به 134 نانومتر تبدیل کند. بعدها، بهبود مستمر لنزهای NA بالا، فناوری چند نوری، FinFET، Pitch-split و band Suzuki photoresist، تنها از 7 نانومتر/10 نانومتر فعلی استفاده کرد، اما این محدودیت دستگاه لیتوگرافی 193 نانومتری است. در شرایط فنی موجود، دیافراگم عددی NA به راحتی قابل بهبود نیست، مقدار NA لنز مورد استفاده در حال حاضر 0.33 است، ممکن است به یاد داشته باشید که قبلاً خبری بود، یعنی ASML 2 میلیارد دلار در کارل زایس سرمایه گذاری کرد. دو طرف برای توسعه یک دستگاه لیتوگرافی EUV جدید همکاری خواهند کرد، بسیاری از مردم نمی دانند دستگاه لیتوگرافی EUV چه رابطه ای با زایس دارد. اکنون باید درک کرد که همکاری ASML و Zeiss برای توسعه لنزهای نوری NA 0.5 است که کلید بهبود بیشتر وضوح دستگاه لیتوگرافی EUV در آینده است، اما دستگاه لیتوگرافی NA EUV بالا حداقل 2025-2030 است. هنوز دور است و پیشرفت لنزهای نوری بسیار دشوارتر از محصولات الکترونیکی است. مقدار NA را نمی توان برای مدتی بهبود بخشید، بنابراین دستگاه لیتوگرافی تغییر منبع نور را انتخاب کرد و منبع نور 193 نانومتری DUV را با طول موج 13.5 نانومتری EUV جایگزین کرد، که همچنین می تواند وضوح دستگاه لیتوگرافی را تا حد زیادی بهبود بخشد.

در نیمه دوم دهه 1990، همه به دنبال فناوری جایگزینی منبع نور لیتوگرافی 193 نانومتری بودند و از جمله منبع نور 157 نانومتری، طرح پرتو الکترونی، طرح ریزی یونی، اشعه ایکس و EUV، و از نتایج کنونی، تنها EUV را پیشنهاد کردند. موفق است. در ابتدا به رهبری اینتل و وزارت انرژی ایالات متحده، مجموعه MOTOROLA، AMD و سایر شرکت ها و سه آزمایشگاه ملی در ایالات متحده EUV LLC را تشکیل دادند و ASML نیز برای عضویت در EUV LLC دعوت شد. بین سال‌های 1997 و 2003، صدها دانشمند در EUV LLC مقالات متعددی را منتشر کردند که امکان‌سنجی لیتوگرافی EUV را نشان می‌داد و سپس EUV LLC منحل شد.

اولین نمونه اولیه دستگاه لیتوگرافی EUV در جهان در سال 2006

بعدی ASML نمونه اولیه دستگاه لیتوگرافی EUV را در سال 2006 راه اندازی کرد، یک استودیوی تمیز به مساحت 10000 متر مربع در سال 2007 ساخت، اولین نمونه اولیه تحقیق و توسعه NXE3100 را در سال 2010 ایجاد کرد و در نهایت یک نمونه اولیه تولید انبوه را در سال 2015 ایجاد کرد و در این تحقیق و فرآیند توسعه، اینتل، سامسونگ، TSMC، این تولید کنندگان نیمه هادی انتقال خون کاملاً زیاد است.

ASML به عنوان تنها تولید کننده در جهان که قادر به لیتوگرافی EUV است، طبیعتاً تعداد زیادی سفارش دریافت کرده است، از سه ماهه دوم سال 2019، تعداد نصب دستگاه لیتوگرافی NEX: 3400B EUV ASML به 38 دستگاه رسیده است و در نیمه دوم سال آنها دستگاه لیتوگرافی کارآمد NEX:3400C را راه اندازی کردند. در کل سال 2019، در مجموع 26 مجموعه دستگاه لیتوگرافی EUV تحویل داده شد که درآمدی معادل 2.789 میلیارد یورو برای آنها به ارمغان آورد که 31 درصد از درآمد سالانه را به خود اختصاص داد و دستگاه لیتوگرافی فرابنفش دور ArFi که 82 دستگاه فروخت. در کل سال 4.767 میلیارد یورو به دست آورده است که نشان می دهد مجموعه دستگاه لیتوگرافی EUV چقدر پول است. NEX:3400C جدید ظرفیت تولید خود را از 125 ویفر در ساعت به 170 ویفر در ساعت افزایش داده و فروش آن نیز افزایش چشمگیری داشته است.

اگرچه دستگاه لیتوگرافی EUV بسیار گران است، نزدیک به 120 میلیون دلار در هر قطعه، اما تولید کنندگان نیمه هادی مایل به سرمایه گذاری هستند، زیرا فرآیندهای 7 نانومتری و بالاتر نیاز به دستگاه لیتوگرافی EUV دارند، زمانی که همان فرآیند 7 نانومتری، استفاده از فناوری لیتوگرافی EUV پس از ترانزیستور با توجه به داده‌های TSMC، چگالی و عملکرد بهتر است، در مقایسه با فرآیند اصلی 7 نانومتری، EUV 7 نانومتری (N7+) می‌تواند افزایش 1.2 برابری در چگالی، افزایش 10 درصدی عملکرد برای همان سطح مصرف انرژی یا 15 را ارائه دهد. درصد صرفه جویی در مصرف انرژی برای عملکرد یکسان.

اکنون سامسونگ و TSMC از فرآیند 7 نانومتری EUV برای شروع تولید تراشه‌ها استفاده کرده‌اند، نسل چهارم پردازنده Rydragon معماری AMD Zen 3 که قرار است امسال عرضه شود، فرآیند TSMC 7 نانومتری EUV است، فرآیند 10 نانومتری فعلی اینتل هنوز از فناوری EUV استفاده نکرده است، اما قرار است از لیتوگرافی EUV در دوره فرآیند 7 نانومتری استفاده شود. SMIC داخلی نیز یک دستگاه لیتوگرافی EUV را از ASML سفارش داده است، اما به دلیل مشکلات مختلف، زمان تحویل هنوز مشخص نیست.

Fountyl Technologies PTE Ltd، بر صنعت تولید نیمه هادی تمرکز دارد، محصولات اصلی عبارتند از: پین چاک، چاک سرامیکی متخلخل، افکتور انتهایی سرامیکی، پرتو مربع سرامیکی، دوک سرامیکی، خوش آمدید به تماس و مذاکره!