為什么28nm光刻機(jī)哪怕上多曝也做不到7nm？

半導(dǎo)體行業(yè)綜研|Semiconductor industry|

2023-09-23 15:21:11 808

上一篇科普文章《多重曝光過程如何超越光刻機(jī)的極限分辨率》獲得了不錯(cuò)的反響，但也有人表示不明白其中的一些專業(yè)知識(shí)。例如，仍然沒有完整的邏輯來解釋：為什么28nm光刻機(jī)不能通過多重曝光工藝實(shí)現(xiàn)14nm甚至7nm光刻工藝？

因此再來一篇，把上次沒講清楚的問題徹底解決掉。因此今天的科普的知識(shí)點(diǎn)，接上一次的長(zhǎng)文。

今天討論的主題是：28nm光刻機(jī)為什么不能通過多曝工藝實(shí)現(xiàn)14nm，甚至7nm的曝光工藝？

在了解這個(gè)復(fù)雜的半導(dǎo)體知識(shí)之前，還得先學(xué)習(xí)前置的知識(shí)點(diǎn)。今天知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容包括：*、所謂28nm光刻機(jī)是什么？如何定義？第二，決定光刻機(jī)的最小精度有哪些因素？什么叫套刻精度？第三、晶體管的實(shí)際參數(shù)和定義；第四，多曝工藝/SAQP四曝工藝的詳細(xì)圖解。

字?jǐn)?shù)原因分兩段，今天講*和第二點(diǎn)，第三第四下一次。

全文5100多字。

一、28nm光刻機(jī)是如何定義的

首先業(yè)內(nèi)并沒有28光刻機(jī)這樣的叫法，這個(gè)說法只存在民間，但是既然是科普，那還得按普通人的視角來解釋。

所以所謂的28光刻機(jī)，應(yīng)該到底怎么來定義？

按一般意義上的理解，最小精度能滿足28nm線寬的顯然就能算28光刻機(jī)？那么問題又來了，28nm的實(shí)際線寬是多少呢？

上篇講過了，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實(shí)類似高樓大廈，最底下的晶體管間距最小，上面的金屬互聯(lián)層間距相對(duì)較大，所謂的28nm光刻機(jī)應(yīng)該是指滿足最M0/M1層的小晶體管特征尺寸的光刻機(jī)。

28nm的實(shí)際特征尺寸是多大呢？

上次介紹了28nm有兩版經(jīng)典的工藝分別是28HKMG（高K金屬柵極）和28Poly（多晶硅氮氧柵極），實(shí)際上不僅僅是這2個(gè)版本，TSMC當(dāng)年在28nm平臺(tái)上有延伸出LP，HPM，HPC，HPC+等多個(gè)版本，主要是為了針對(duì)不同的客戶需求，有些客戶追求頻率和性能，有些客戶則追求更低功耗比，因此盡管都是28nm工藝，但是在各個(gè)工藝版本略微有區(qū)別。

之所以要搞這么多工藝版本，主要原因是這些工藝的變化，會(huì)帶來設(shè)計(jì)規(guī)則的變化，更加靈活的設(shè)計(jì)規(guī)則一方面是能減少并改善光刻步驟，第二是不同的工藝能夠明顯改進(jìn)柵極間距，目的是改善性能或者漏電。

根據(jù)業(yè)內(nèi)大佬的介紹，28HPC/HPC+和28LP/HP/HPL/HPM略有區(qū)別，柵極長(zhǎng)度分別是HPC版本的40nm/35nm/30nm和LP版本的38nm/35nm/31nm。

從這點(diǎn)上大家就發(fā)現(xiàn)了，28nm工藝的實(shí)際柵極長(zhǎng)度，并不是28nm，最大的有40nm，而最小的則是31nm，實(shí)際上一共有6種規(guī)格，甚至22nm都能算28nm的一個(gè)變種。

這就是我在上一次長(zhǎng)文說中，從40-28nm工藝開始，工藝節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱和實(shí)際柵極長(zhǎng)度已經(jīng)不是一一對(duì)應(yīng)，而是相對(duì)等效關(guān)系的原因。

因此要滿足28nm工藝，在不考慮其他工藝因素的情況下，光刻機(jī)的極限分辨率應(yīng)該至少能滿足40nm最小曝光線寬，由于40nm的不是主力量產(chǎn)制程，實(shí)際情況應(yīng)該至少滿足CD=35nm左右的才是主力制程光刻機(jī)，也就是普通人通常意義上理解的28nm光刻機(jī)。

我查閱了ASML光刻機(jī)的各個(gè)型號(hào)的參數(shù)，從理論上講，NXT 1950的精度就可以試試看，咨詢了河哥之后也確實(shí)得到了肯定的答案，國(guó)外FAB研發(fā)工程師們最早就是嘗試使用1950進(jìn)行28nm的工藝研發(fā)。

但是由于1950問題比較多，很快就被放棄，而且隨著工藝演進(jìn)，國(guó)外FAB的28量產(chǎn)主力光刻機(jī)變成NXT 1960B和NXT 1970C。

其中1970C最好用，但是國(guó)內(nèi)情況不一樣，國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)28nm進(jìn)度落后國(guó)外先進(jìn)水平大約4-5年，等真的要上量的時(shí)候，1970已經(jīng)沒了，所以國(guó)內(nèi)的28nm量產(chǎn)版本其實(shí)用的是NXT 1980D，這里僅做實(shí)際情況的說明。

實(shí)際上1980去做28nm工藝相當(dāng)于大炮打蚊子，因?yàn)?980比1970貴好多，但是沒辦法，沒有舊的大炮，只能上新的大炮。

因此結(jié)合實(shí)際情況，到這里我們可以做出一個(gè)結(jié)論：所謂的28nm光刻機(jī)實(shí)際應(yīng)該特指NXT 1970Ci這個(gè)型號(hào)。

最后插入兩個(gè)小故事，*、是某位大佬說HKMG工藝是英特爾把全*帶到坑里，走了很多歪路，原因據(jù)說這個(gè)HK是鋁。

第二，從上面的細(xì)節(jié)各位也可以看到，哪怕同一個(gè)公司，同一個(gè)工藝平臺(tái)，不同版本的工藝，設(shè)計(jì)規(guī)則也是不同的。也就是說，如果今天有個(gè)芯片設(shè)計(jì)公司想要換掉原來的流片工藝，這等于后端設(shè)計(jì)和仿真工作幾乎全部推倒重來，成本是非常高昂的，越是高端的換工藝成本就越高，IC設(shè)計(jì)的大公司有錢無所謂，小公司真的要好好思考一下，要不要換廠，要不要換工藝這個(gè)問題，不是說話就換的。

所以不要覺得設(shè)計(jì)公司換個(gè)FAB廠流片是件很簡(jiǎn)單的事，這不是你下樓買菜，這家不好就換一家，這里面可復(fù)雜了，半導(dǎo)體領(lǐng)域就從來沒有簡(jiǎn)單的事，不要用日常思維去理解半導(dǎo)體里面的事，實(shí)際上根本不是一個(gè)概念。

以后有空敲一篇吐槽一下網(wǎng)上哪個(gè)項(xiàng)XX啥都不懂的專家，天天喊TSMC南京廠擴(kuò)產(chǎn)會(huì)*光國(guó)內(nèi)FAB生意，臥槽，你以為換一家FAB流片是說換就換的？生意說*就*？

第二，決定光刻機(jī)的最小精度有哪些因素？什么叫套刻精度？

光刻機(jī)是一個(gè)非常龐大的光學(xué)系統(tǒng)，任何內(nèi)部或者外部微小的差錯(cuò)都會(huì)影響最終效果，光的*里，錯(cuò)了就是錯(cuò)了，有誤差就是有誤差。

如果從瑞利判據(jù)公式上看：CD=K1*λ/NA。顯然影響最小CD的因素太多，如果拋開外部影響因素這個(gè)K1，K1代表了光刻膠的聚合度，分子量，顆粒度，感光劑，以及硅片的平整度，光的入射角度，雜質(zhì)/灰塵的影響量這些因素。

那么如果是同平臺(tái)，同光源波長(zhǎng)放一起做比較，那么影響精度最主要的原因，則是在線量測(cè)精度和雙工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度。

雙工件臺(tái)，也就是ASML的獨(dú)門絕技 “TWINSCAN”平臺(tái)技術(shù)，讓ASML保持競(jìng)爭(zhēng)力的最大秘訣！

插入一個(gè)ASML和尼康的小故事，我曾經(jīng)叫它尼康棺材板上的三顆釘子，這是第二顆。

在《光刻巨人》那本書上也提到過，盡管當(dāng)年在8英寸工藝上，ASML的PAS 5500也通過了IBM/英特爾們的認(rèn)證，但是實(shí)際采購(gòu)上英特爾基本沒怎么正眼看過ASML，產(chǎn)線上實(shí)際大量采購(gòu)的還是尼康的S-204/205。

大量采購(gòu)PAS 5500光刻機(jī)，反而是TSMC，三星，Micron這樣的代工和存儲(chǔ)客戶。

實(shí)際上在設(shè)備產(chǎn)能這項(xiàng)指標(biāo)上，PAS 5500是強(qiáng)于S205的，為什么英特爾們就不用呢？

原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?duì)于壟斷CPU市場(chǎng)的英特爾而言，市場(chǎng)蛋糕足夠大，完全可以躺賺，生產(chǎn)快一點(diǎn)還是慢一點(diǎn)根本無關(guān)痛癢，因此從未要求高產(chǎn)能。一度英特爾的產(chǎn)能利用率只有60%，甚至晚上都不開工，慢慢悠悠絲毫不慌，因此這也是哪怕PAS 5500對(duì)比尼康的S205有產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，但是在前期英特爾也對(duì)ASML沒有興趣的原因。

但是臺(tái)積電們不一樣，產(chǎn)能就是生命線，60%的產(chǎn)能利用率？晚上就停工不生產(chǎn)？這還不虧炸啊？對(duì)于臺(tái)積電這類晶圓代工企業(yè)而言，必須在成本、效率、產(chǎn)能上有優(yōu)勢(shì)，才能殺出這個(gè)激烈的戰(zhàn)場(chǎng)，才能在競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。所以競(jìng)爭(zhēng)使人進(jìn)步，壟斷使人慵懶，ASML使用高產(chǎn)能的光刻機(jī)來牢牢抓住臺(tái)積電們的心，同理存儲(chǔ)廠也是，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，哪像英特爾那樣能躺著賺錢啊！

不過話說回來，F(xiàn)AB廠的工作，殘酷是真的殘酷，也只有東亞文化圈培養(yǎng)出來的隱忍，*服從工程師才能適應(yīng)。

以前TSMC流傳個(gè)段子：你在TSMC工作會(huì)很有錢，因?yàn)槟愀緵]有花錢的時(shí)間。

殘酷度可見一斑，什么996在FAB面前都弱爆了！

FAB的活和制度簡(jiǎn)直不是人干的！最近網(wǎng)上有個(gè)特許出來的哥們，在長(zhǎng)篇連載當(dāng)年他在新加坡特許的工作經(jīng)理故事叫《一名芯片老兵的回顧》，各位可以去看一下，非常現(xiàn)實(shí)。

也許看完以后，你就知道，灑家為什么敢放出豪言，“如果臺(tái)積電的亞利桑州新廠做的好，我就去科羅拉多河里倒立洗頭的誓言”。因?yàn)槲矣X得美國(guó)這幫人，就不可能把這項(xiàng)工作做好。要不去灣灣那邊搞人過來，但是各位都懂，想去美國(guó)的都是為了拿綠卡的潤(rùn)人，心懷鬼胎的那種，能做的好是真的有鬼了。

關(guān)老師：你去科羅拉多河里洗頭就算了，下次直播間給你用開水洗頭！

我：？？？！！！…………………………

回到主題上，那ASML是如何提高產(chǎn)能呢？它拿出了什么樣的絕活？

回顧起來，解決方案其實(shí)很簡(jiǎn)單。圖案在被曝光到晶圓前，必須對(duì)晶圓進(jìn)行*量測(cè)。量測(cè)和曝光都需要時(shí)間，為了減少每個(gè)過程需要的時(shí)間提升效率，為什么不在曝光一個(gè)晶圓的同時(shí)，對(duì)后一個(gè)晶圓開始進(jìn)行量測(cè)和對(duì)準(zhǔn)工作呢？就這樣，TWINSCAN系統(tǒng)誕生了

TWINSCAN系統(tǒng)：一個(gè)負(fù)責(zé)前期對(duì)準(zhǔn)量測(cè)，另外一個(gè)負(fù)責(zé)曝光

TWINSCAN是*個(gè)也是*一個(gè)具有雙晶圓工作平臺(tái)的光刻系統(tǒng)。晶圓被交替地裝載到TWINSCAN平臺(tái)上，當(dāng)一個(gè)平臺(tái)上的晶圓正在曝光時(shí)，另一個(gè)晶圓被裝到二號(hào)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量，然后兩個(gè)平臺(tái)交換位置，原來在二號(hào)平臺(tái)的晶圓進(jìn)行曝光，而一號(hào)平臺(tái)的晶圓完成卸載。然后，新的晶圓被裝載，進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量工作。

這種量測(cè)對(duì)準(zhǔn)和曝光同時(shí)進(jìn)行的并行方案能極大提高光刻機(jī)單位小時(shí)內(nèi)的產(chǎn)能，這幫助臺(tái)積電們極大提高生產(chǎn)效率，提升最終效益。

2001年，*采用這種革命性技術(shù)的TWINSCAN雙晶圓平臺(tái)系統(tǒng)出貨了——TWINSCAN AT:750T型光刻機(jī)。

750T型光刻機(jī)使用的是波長(zhǎng)為248nm的KrF光源系統(tǒng)，支持130nm工藝的生產(chǎn)。不久，ASML的i線光刻機(jī)也引入了雙晶圓平臺(tái)，即TWINSCAN AT:400T；隨后這項(xiàng)技術(shù)又引入到更高端的193nm的ArF光刻機(jī)上，即TWINSCAN AT:1100。因此從i線到KrF線，TWINSCAN系統(tǒng)跨越ASML各個(gè)平臺(tái)型號(hào)的光刻機(jī)，擴(kuò)大了技術(shù)范圍，讓所有芯片層都能在新平臺(tái)上曝光。

ASML的持續(xù)創(chuàng)新能力為TWINSCAN平臺(tái)的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率提供了漸進(jìn)式的改進(jìn)——以平臺(tái)升級(jí)、新系統(tǒng)升級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)等不同方式，總之客戶怎么舒服怎么來。

因此雙工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度在某種程度上，是光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)精度的關(guān)鍵中的關(guān)鍵！

了解雙工件臺(tái)的工作過程也讓人感覺到不可思議，這就是科技的力量。

它們每時(shí)每刻都在高速運(yùn)動(dòng)，靜止的狀態(tài)瞬間急加速然后瞬間急停下達(dá)到的它應(yīng)該停的位置上，精確度令人嘆為觀止。

如果按照瞬間的加速度算，已經(jīng)超過火箭發(fā)射升空的速度，下一刻*的停在位置上，不能出現(xiàn)任何差錯(cuò)，因?yàn)檫@種速度下任何差錯(cuò)都沒辦法彌補(bǔ)。錯(cuò)了雖然不至于整片晶圓報(bào)廢只能重來，但是這樣差錯(cuò)多幾次，趕緊跑路吧，工程師直接提著40米大刀來砍人了。雙工件臺(tái)就這樣加速-急停-加速-急停，不斷重復(fù)這一過程，同時(shí)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

因此雙工件臺(tái)這套系統(tǒng)某種意義上講，決定了光刻機(jī)最大產(chǎn)能，以及它的精度，在光刻機(jī)的*里這個(gè)叫Overlay——套刻精度。

以NXT 1980Di為例，官方給的參數(shù)是DCO≤1.6nm，MMO≤2.5nm。

除了這兩個(gè)機(jī)器參數(shù)之外，實(shí)際工藝參數(shù)叫OPO，這個(gè)大概是3nm。

重點(diǎn)來了！科普一個(gè)99%都不知道的知識(shí)。

OPO是On Product Overlay的意思，產(chǎn)品上的套刻精度，因?yàn)樾酒圃旃に囉悬c(diǎn)類似蓋樓的過程，相當(dāng)于上次曝光和現(xiàn)在的對(duì)齊精度，這個(gè)精度是3nm以內(nèi)，這個(gè)OPO和使用者水平有關(guān)系。

DCO是Dedicate Chuck Overlay的縮寫，相當(dāng)于同一臺(tái)設(shè)備自己套自己的精度，這個(gè)是1.6nm以內(nèi)。

MMO是Mix-and-Match Overlay的縮寫，相當(dāng)于不同設(shè)備之間的套刻精度，這個(gè)可以做到小于2.5nm。

還記得多曝工藝嗎？多曝工藝其中有很重要的一步，就是把原本一塊掩膜板圖形，拆分兩塊分兩次曝光，以此來得到更小的圖形。

顯然，不管是OPO還是DCO，還是MMO，這幾個(gè)參數(shù)共同決定了你能不能用多曝工藝，以及量產(chǎn)之后的曝光圖形的一致性，和上下層最終的對(duì)準(zhǔn)精度。

如果不管是哪個(gè)參數(shù)不夠看，那么多次曝光做出來的圖形，一定是歪歪扭扭，慘不忍睹，一塌糊涂，別說良率了，估計(jì)整個(gè)晶圓都得報(bào)廢。

這里列出ASML官方數(shù)據(jù)1970和1980的參數(shù)對(duì)比。

很明顯，1970和1980在很多技術(shù)指標(biāo)上是有明顯的差別的。

今天網(wǎng)上有傳這個(gè)圖。

只能說上面錯(cuò)誤百出，什么NXE 3400 寫成NXT，什么NXT 2000早停產(chǎn)了，也根本賣進(jìn)過國(guó)內(nèi)，還什么國(guó)內(nèi)好幾臺(tái)，什么2050能做到5nm，不說了錯(cuò)太多了。

回到主題。

之所以，為什么1970只能干到28nm，14nm都很吃力，7nm就更別提了，原因就在這里，1970的Overlay和1980相比，差一截啊！

Overlay的性能不夠看，臣妾做不到啊！

所以雙工件臺(tái)，從某種程度上來講，是除了光源，物鏡系統(tǒng)之外，最重要的關(guān)鍵部件。

它的穩(wěn)定性，對(duì)準(zhǔn)精度，平均無故障運(yùn)行時(shí)間直接影響著光刻機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，甚至影響整個(gè)FAB的工藝水平和產(chǎn)能。

因此一片晶圓上需要曝光多達(dá)數(shù)百個(gè)單元（Field），而先進(jìn)的光刻機(jī)一個(gè)小時(shí)能曝光超過300片硅晶圓，同時(shí)保證每一次曝光量都是相同的。假設(shè)一片12英寸晶圓上有300個(gè)單元面積需要曝光，那么相當(dāng)于一天曝光2160000次，一年788400000次，雙工件臺(tái)以及整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性和效果一致性是個(gè)巨大的考驗(yàn)，

也許這些數(shù)字并不能讓你覺得什么，但是細(xì)想之后這些數(shù)字的所代表技術(shù)含量確實(shí)令人震撼。以前有人曾形象比喻，相當(dāng)于兩架高速飛行的飛機(jī)，其中一人拿出刀在另外一架飛機(jī)米粒大小的面積上刻字。

這種精密動(dòng)作到令人發(fā)指的機(jī)器想要保持7*24小時(shí)穩(wěn)定工作，是工程學(xué)上最困難的挑戰(zhàn)，有無數(shù)技術(shù)*需要跨越。之前國(guó)內(nèi)號(hào)稱某某實(shí)驗(yàn)室能做到幾納米，一大堆人吹捧超越ASML指日可待，要知道實(shí)驗(yàn)室設(shè)備刻兩條直線到商用設(shè)備全天候穩(wěn)定運(yùn)行曝光復(fù)雜圖形之間可謂是天塹之別。

免責(zé)聲明：本文采摘自“半導(dǎo)體綜研”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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