Prinzip und Ausstattung der Lithographiemaschine

Nach dem Prinzip des Lithografieprozesses können wir uns die Entwicklung von Filmfotos vorstellen, die Maskenplatte entspricht dem Film und die Lithografiemaschine ist der Entwicklungstisch, sie kopiert die Chipschaltung auf der Maskenplatte nacheinander auf den Fotolackfilm und Anschließend wird der Schaltkreis durch Ätztechnik auf den Wafer „gemalt“.

Natürlich ist der eigentliche Prozess sicherlich nicht so einfach. Die typische immersive Step-Scan-Lithographiemaschine von ASML dient als Beispiel, um zu sehen, wie die Lithographiemaschine funktioniert – zunächst Laserlicht, nach der Korrektur, Energieregler, Strahlformungsgerät usw. , in den Fotomaskentisch, auf die Fotomaske des Designunternehmens aufgesetzt und dann durch das Objektiv auf den Belichtungstisch projiziert. Was Sie hier also haben, ist ein 8-Zoll- oder 12-Zoll-Wafer, der mit einem fotoempfindlichen Fotolack beschichtet ist und auf dem mit ultraviolettem Licht Schaltkreise geätzt werden.

Der Laser ist für die Erzeugung der Lichtquelle verantwortlich, und die Lichtquelle hat einen entscheidenden Einfluss auf den Prozessprozess. Mit der kontinuierlichen Verbesserung des Knotenpunkts der Halbleiterindustrie schrumpft auch die Wellenlänge des lithografischen Lasers ständig von 436 nm auf 365 nm im nahen Ultraviolett (NUV)-Laser in 246-nm-Laser, 193-nm-Tief-Ultraviolett-(DUV)-Laser. Derzeit ist die DUV-Lithographiemaschine eine große Anzahl von Anwendungen der Lithographiemaschine, die Wellenlänge beträgt 193 nm, die Lichtquelle ist ein ArF-Excimerlaser (Argonfluorid) mit einer Wellenlänge von 45 nm Bis zum 10/7-nm-Prozess kann diese Lithographiemaschine verwendet werden, aber der 7-nm-Knoten hat die Grenze der DUV-Lithographie. Daher werden Intel, Samsung und TSMC die Lithographietechnologie für extremes Ultraviolett (EUV) am 7-nm-Knoten einführen, und GlobalFoundries untersuchte auch den 7-nm-EUV Prozess, hat ihn aber inzwischen aufgegeben. Bei der Lithografiemaschine, die extrem ultraviolettes Licht (EUV) als Lichtquelle verwendet, handelt es sich um eine EUV-Lithografiemaschine. Natürlich ist es nicht so einfach, einfach die Lichtquelle zu wechseln.

Warum wird EUV-Lithographie benötigt?

Einer der Vorteile von EUV ist die Reduzierung der Chip-Verarbeitungsschritte, und die Verwendung von EUV anstelle der herkömmlichen Mehrfachbelichtungstechnologie wird die Schritte der Abscheidung, des Ätzens und der Messung erheblich reduzieren. Derzeit wird die EUV-Technologie hauptsächlich in logischen Prozessabläufen eingesetzt, was zu einem Anstieg des Auftragsvolumens/der Nachfrage im Jahr 2019 geführt hat.

Die heute verwendete 193-nm-Lichtquelle DUV wird tatsächlich seit den 2000er Jahren verwendet, steckt jedoch in der Technologie kurzwelligerer Lichtquellen fest, und die Lithographietechnologie mit 157-nm-Wellenlänge hatte im Jahr 2003 tatsächlich eine Lithographiemaschine, aber der Fortschritt war vergleichbar zur Wellenlänge von 193 nm beträgt nur 25 %. Da jedoch die 157-nm-Lichtwelle von der 193-nm-Linse absorbiert wird, müssen die Linse und der Fotolack neu entwickelt werden, und zu diesem Zeitpunkt war die billigere Immersions-193-nm-Technologie verfügbar, sodass jetzt die 193-nm-DUV-Lithographie verwendet wird.

Natürlich müssen wir wissen wollen, warum dieselbe Lichtquelle von so vielen verschiedenen Prozessknoten abgeleitet werden kann. Am Beispiel von Intel wurden im Jahr 2000 180 nm verwendet, und jetzt sind es 10 nm. Tatsächlich wird dies von der Lithographiemaschine bestimmt Im Halbleiterprozess hängt die Genauigkeit der Lithographiemaschine von der Wellenlänge der Lichtquelle und der numerischen Apertur der Objektivlinse ab. Es gibt Formeln zur Berechnung:

(Prozess ∝1/)Auflösung der Lithographiemaschine = k1*λ/NA(k1 ist eine Konstante, unterschiedliche Lithographiemaschinen k1 sind unterschiedlich, λ bezieht sich auf die Wellenlänge der Lichtquelle, NA ist die numerische Apertur der Objektivlinse, daher hängt die Auflösung der Lithographiemaschine von der Wellenlänge der Lichtquelle und dem ab Numerische Apertur der Objektivlinse: Je kürzer die Wellenlänge, desto größer die NA, desto besser. Je höher also die Auflösung der Lithographiemaschine, desto fortschrittlicher ist die Prozesstechnologie.)(Hinweis: Der blaue Teil der Formel wird gemäß der obigen Formelbeschreibung hinzugefügt, daher ist es logisch)

Bei der ursprünglichen Immersionslithographie wird sehr einfach 1 mm dickes Wasser auf den Wafer-Resist aufgetragen. Wasser kann die Lichtwellenlänge von 193 nm in 134 nm brechen. Später wurde die High-NA-Linsen-, Multi-Light-, FinFET-, Pitch-Split- und Band-Suzuki-Fotolacktechnologie kontinuierlich verbessert. Man verwendete nur die aktuellen 7 nm/10 nm, aber dies ist die Grenze der 193-nm-Lithographiemaschine. Unter den bestehenden technischen Bedingungen ist es nicht einfach, die numerische NA-Apertur zu verbessern. Der NA-Wert des derzeit verwendeten Objektivs beträgt 0,33. Sie erinnern sich vielleicht daran, dass es zuvor eine Neuigkeit gab, nämlich dass ASML 2 Milliarden US-Dollar in Carl Zeiss investiert hat Obwohl beide Seiten zusammenarbeiten werden, um eine neue EUV-Lithographiemaschine zu entwickeln, wissen viele Menschen nicht, welche Beziehung die EUV-Lithographiemaschine zu Zeiss hat. Nun sollte klar sein, dass die Zusammenarbeit zwischen ASML und Zeiss darin besteht, optische NA 0,5-Linsen zu entwickeln, was der Schlüssel zur weiteren Verbesserung der Auflösung von EUV-Lithographiemaschinen in der Zukunft ist, aber die EUV-Lithographiemaschinen mit hoher NA werden mindestens 2025-2030 sein ist noch weit entfernt, und der Fortschritt optischer Linsen ist viel schwieriger als der elektronischer Produkte. Da der NA-Wert eine Zeit lang nicht verbessert werden kann, entschied sich das Lithografiegerät für einen Wechsel der Lichtquelle und ersetzte die 193-nm-DUV-Lichtquelle durch EUV mit einer Wellenlänge von 13,5 nm, was auch die Auflösung des Lithografiegeräts erheblich verbessern kann.

In der zweiten Hälfte der 1990er Jahre suchte jeder nach einer Technologie, um die 193-nm-Lithographielichtquelle zu ersetzen, und schlug vor, 157-nm-Lichtquelle, Elektronenstrahlprojektion, Ionenprojektion, Röntgenstrahlung und EUV einzuschließen, und nach den aktuellen Ergebnissen nur EUV ist erfolgreich. Zu Beginn gründeten unter der Leitung von Intel und dem US-Energieministerium die Vereinigung von MOTOROLA, AMD und anderen Unternehmen sowie die drei nationalen Laboratorien in den Vereinigten Staaten EUV LLC, und ASML wurde ebenfalls eingeladen, Mitglied von EUV LLC zu werden. Zwischen 1997 und 2003 veröffentlichten mehrere hundert Wissenschaftler bei EUV LLC zahlreiche Arbeiten, die die Machbarkeit der EUV-Lithographie demonstrierten, bevor EUV LLC aufgelöst wurde.

Der weltweit erste Prototyp einer EUV-Lithographiemaschine im Jahr 2006

Next ASML brachte 2006 den Prototyp der EUV-Lithographiemaschine auf den Markt, baute 2007 ein 10.000 Quadratmeter großes Reinraumstudio, erstellte 2010 den ersten Forschungs- und Entwicklungsprototyp NXE3100 und erstellte schließlich 2015 einen massenproduzierten Prototyp, und zwar in dieser Forschung und Entwicklungsprozess, Intel, Samsung, TSMC, diese Halbleiterhersteller, Bluttransfusionen sind absolut eine Menge.

Als weltweit einziger Hersteller, der zur EUV-Lithografie fähig ist, erhielt ASML natürlich eine große Anzahl an Aufträgen. Seit dem zweiten Quartal 2019 hat die installierte EUV-Lithografiemaschine NEX:3400B von ASML 38 erreicht, und zwar in der zweiten Jahreshälfte Sie brachten die effizientere Lithografiemaschine NEX:3400C auf den Markt. Im gesamten Jahr 2019 wurden insgesamt 26 Sätze EUV-Lithografiemaschinen ausgeliefert, was einem Umsatz von 2,789 Milliarden Euro entspricht, was 31 % des Jahresumsatzes entspricht, und von der Far-Ultraviolett-Lithografiemaschine ArFi wurden 82 Einheiten verkauft Im gesamten Jahr wurden 4,767 Milliarden Euro verdient, was zeigt, wie viel Geld ein Satz EUV-Lithographiemaschine kostet. Die neue NEX:3400C hat ihre Produktionskapazität von 125 Wafern pro Stunde auf 170 Wafer pro Stunde erhöht und den Umsatz deutlich gesteigert.

Obwohl die EUV-Lithographiemaschine ziemlich teuer ist, fast 120 Millionen US-Dollar pro Stück, sind Halbleiterhersteller bereit zu investieren, da 7-nm-Prozesse und höher eine EUV-Lithographiemaschine erfordern, wenn der gleiche 7-nm-Prozess die EUV-Lithographietechnologie nach dem Transistor verwendet Dichte und Leistung sind laut TSMC-Daten im Vergleich zum ursprünglichen 7-nm-Prozess besser. Das 7-nm-EUV (N7+) kann eine 1,2-fache Steigerung der Dichte, eine Leistungssteigerung um 10 % bei gleichem Stromverbrauch oder eine Steigerung um das 15-fache ermöglichen % Stromeinsparung bei gleicher Leistung.

Jetzt haben Samsung und TSMC den 7-nm-EUV-Prozess verwendet, um mit der Produktion von Chips zu beginnen. Der Rydragon-Prozessor der vierten Generation mit AMD Zen 3-Architektur, der dieses Jahr auf den Markt kommen soll, ist der 7-nm-EUV-Prozess von TSMC. Intels aktueller 10-nm-Prozess verwendet noch keine EUV-Technologie, aber Es ist geplant, EUV-Lithographie im 7-nm-Prozesszeitraum zu verwenden. Das inländische SMIC bestellte ebenfalls eine EUV-Lithographiemaschine bei ASML, der Lieferzeitpunkt ist jedoch aufgrund verschiedener Probleme noch nicht klar.

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