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光刻机的背景技术和工作原理及专利分析的详细

近两年,中国芯片财产受到了严重袭击,痛定思痛之余也让国人意识到芯片自立研发的紧张性。从2008年以来,十年间,芯片都是我国第一大年夜宗入口商品,入口额远超于排名第二的煤油。2018年我国入口集成电路数量为4175.7亿个,集成电路入口额为3120.58亿美元,这组数据清晰的反应出我国中高端芯片技巧能力的缺掉及对外依附的严重程度。

我国临盆芯片的技巧水平与国外先辈企业比拟存在较大年夜的差距,且临盆芯片的对象及工艺也被国外几个公司垄断。此中光刻机,被誉为人类20世纪的发现事业之一,是集成电路财产皇冠上的明珠,研发的技巧门槛和资金门槛异常高。当今能够制造出光刻机的国家仅有荷兰、美国、日本等少数几个国家,荷兰的ASML是该领域绝对的龙头老大年夜,它的光刻机盘踞举世市场的80%阁下。

光刻机用途广泛,除了前端光刻机之外,还有用于LED制造领域投影光刻机和用于芯片封装的后道光刻机,在此只先容前端光刻机。

1.背景技巧及事情道理

光刻(lithography)设备是一种投影曝光系统,由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导系统体例作历程中,光刻设备会投射光束,穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片,将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽,然后再进行沉积、蚀刻、掺杂,架构出不合材质的线路。

此工艺历程被频频重复,将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上,形成一样平常所称的集成电路。

光刻工艺在全部芯片制造历程中至关紧张,其抉择了半导体线路纳米级的加工度,对付光刻机的技巧要求十分苛刻,对偏差及稳定性的要求型极高,相关部件必要集成材料、光学、机电等领域最尖真个技巧。因而光刻机的分辨率、精度也成为其机能的评价指数,直接影响到芯片的工艺精度以及芯片功耗、机能水平。

是以光刻机是集成电路制造中最宏大年夜、最周详繁杂、难度最大年夜、价格最昂贵的设备。

光刻机的分辨率抉择了IC的最小线宽。想要前进光刻机的成像分辨率,平日采纳缩短曝光光源波长和增大年夜投影物镜数值孔径两种措施。

根据所述光源的改进,光刻机经历了第一代是436nm g-line;第二代是365nm i-line;第三代是248nm KrF;第四代193nm ArF;最新的是13.5nm EUV

此中,193nm ArF也被称为深紫外光源。应用193nmArF光源的干法光刻机,其光刻工艺节点可达45/40nm,因为当韶光源波长难以进一步冲破,是以业界采纳了浸没技巧等效缩小光源波长(193nm变更为134nm)的同时在液体中镜头的数值孔径得以前进(0.50-0.93变更为0.85-1.35)、且利用光学左近效应纠正(OPC)等技巧后,193nm ARF干法光刻极限工艺节点可达28nm。

到了28nm工艺节点之后,单次曝光图形间距已经无法进一步提升,业界开始采纳Multiple patterning(多次曝光和刻蚀)的技巧来前进图形密度但由此引入的掩膜使得临盆工序增添,导致资源大年夜幅上升,且良率问题也如影随行。

据悉,业内巨子台积电及英特尔的7nm工艺仍旧在应用浸入式ArF的光刻设备,但沉浸式光刻终于7nm之后的下一代工艺节点,难以再次成长,EUV成为了办理这一问题的关键,今朝EUV光刻机光源主要采纳的法子是将准分子激光照射在锡等靶材上,引发出13.5nm的光子,作为光刻机光源。

各大年夜Foundry厂在7nm以下的最高端工艺上都邑采纳EUV光刻机,此中三星在7nm节点上就已经采纳了。而今朝只有荷兰ASML一家能够供给可供量产用的EUV光刻机,海内的光刻机技巧从20世纪70年代开始就先后有清华大年夜学周详仪器系、中科学院光电技巧钻研所、中电科45所投入研制,今朝海内厂商只有上海微电子(SMEE)及中国电科(CETC)旗下的电科设置设备摆设,此中SMEE今朝量产的机能最好的为90nm(193 ArF)光刻机与国际水平相差较大年夜。

另一方面投影物镜是光刻机中最昂贵最繁杂的部件之一,前进光刻机分辨率的关键是增大年夜投影物镜的数值孔径。跟着光刻分辨率和套刻精度的前进,投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越凸起。浸没式物镜的轴向像差,如球差和场曲较干式物镜增大年夜了n倍,在引入偏振光照明后,投影物镜的偏振节制机能变得加倍紧张。在数值孔径赓续增大年夜的环境,若何维持视场大年夜小及偏振节制机能,并严格节制像差和杂散光,是设计投影物镜面临的难题。

传统光刻机的投影物镜多采纳全折射式设计规划,即物镜整个由扭转对准装校的透射光学元件组成。其优点是布局相对简单,易于加工与装校,局部杂散光较少。然而,大年夜数值孔径全折射式物镜的设计异常艰苦。

为了校对场曲,必须应用大年夜尺寸的正透镜和小尺寸的负透镜以满意佩茨瓦尔前提,即投影物镜各光学外面的佩茨瓦尔数为零。透镜尺寸的增添将耗损更多的透镜材料,大年夜大年夜前进物镜的资源;而小尺寸的负透镜使节制像差艰苦重重。

为了实现更大年夜的数值孔径,近年来设计者普遍采纳折反式设计规划。折反式投影物镜由透镜和反射镜组成。反射镜的佩茨瓦尔数为负,不再寄托增添正透镜的尺寸来满意佩茨瓦尔前提,使投影物镜在必然尺寸范围内得到更大年夜的数值孔径成为可能。

数值孔径是光学镜头的一个紧张指标财产化的光刻物镜事情波长经历了436nmG线,365nm线,248nmKRF,193nmArF和13.5nm极紫外,响应的物镜设计也在赓续的前进数值孔径。

以现在世界主流的光刻机深紫外浸入式光刻机紫外毫光来说要想达到22纳米的水平,那么物镜的数值口径要达到1.35以上,要达到这个口径很难,由于要加工亚纳米精度的大年夜口径的镜片,用到的最大年夜口径的镜片达到了400毫米。今朝只有德国的光学公司可以达到,别的日本尼康经由过程购买德国的技巧也可以达到。

虽然今朝海内国防科大年夜周详工程团队自立研制的磁流变和离子束两种超精抛光设置设备摆设,实现了光学零件加工的纳米精度,但浸没式光刻物镜非常繁杂,涵盖了光学、机器谋略机、电子学等多个学科领域最前沿,二十余枚镜片的初始布局设计难度极大年夜——不仅要节制物镜波像差,更要周全节制物镜系统的偏振像差。是以,在现阶段海内物镜也无法完全替代入口产品。

2.专利阐发

从国内外市场格局来看,ASML盘踞了举世主要的市场份额,而日本尼康其先辈光刻机因为机能问题并未受到半导系统体例造商的青睐,今朝主要经营为面板光刻机;佳能保留低端半导体i-line和Kr-F光刻机,退出了高端光刻机的竞赛,从2019年ASML和尼康的财报可以进一步看出。

根据ASML的2019年第一季度财报,虽然其较2018年第四时度收益有所下降,但仍旧有16.89亿欧元的营收,此中ArF Dry盘踞4%,KrF盘踞9%;i-line盘踞2%;Metrology&inspection盘踞3%;EUV盘踞22%;ArF Immersion盘踞60%。而尼康2019年财报,半导体光刻营业临时利润为15亿日元,约为9105万人夷易近币,与ASML相距甚远。

海内光刻机虽与ASML相距甚远,但在曝光系统及双事情台系统也取得了一些成绩:如2017年中科院院长春景春色周详机器与物理钻研所牵头研发“极紫外光刻关键技巧”经由过程验收;北京华卓荆轲科技株式会社成功突破了ASML在事情台上的技巧垄断。

经由过程incopat对象对光刻机相关专利进行检索阐发,获得该领域2000年至今的年申请趋势图,重点申请人申请数量排名,EUV光刻机重点申请人申请数量排名。

图1光刻机举世申请量趋势

数据滥觞:incopat,2000-2018年

从图1可以看出,2000-2004年迎来了光刻机专利申请的第一次快速增长,这一时期IntelVIA及IBM等企业设计的半导体芯片机能快速提升,对半导系统体例程提出了越来越高的要求,光刻机技巧赓续提升,使得申请量也随之攀升。

而在光刻机研发到193nm时碰到瓶颈,ASML联手多家芯片巨子将193浸润式光科技树延伸至15nm,在此时代专利申请量下滑,但沉浸式光刻在7nm之后难以成长,EUV光刻机成为了办理这一问题的关键,是以近些年光刻机的相关技巧专利申请出现在此增长的趋势。

图2光刻机专利申请地域散播图

数据滥觞:incopat,2000-2018年

从地域散播来看,在光刻机领域,日本的专利申请量最多,日本企业除了在本国大年夜量结构之外,对照注重在美国、韩国、中国台湾和中国大年夜陆的专利结构,阐嫡本作为传统的光刻机领头羊,在中低端光刻机的研发投入了大年夜量精力,结构了大年夜量相关专利,其在中低端光刻技巧上的实力雄厚。但在高端光刻机领域,日本技巧仍有待提升。与之比拟,中国相关专利申请量较少,阐明光刻机技巧门槛高,且海内没有过多的技巧积累,成长较慢。

图3左图为光刻机重点申请人申请量排名;右图为EUV重点申请人申请量排名

数据滥觞:incopat,2008-2018年

图3为近几年终于EUV专利重点申请人排名与光刻机重点申请人申请排名对照,此中关于EUV光刻机重点申请人申请数量,ASML位列第二名,排名第一的光学仪器企业卡尔蔡司(Carl Zeiss)及排名较为靠前的海力士及三星均为ASML的相助伙伴,日本尼康及佳能分手位列第四及第六位。

比较光刻机重点申请人专利申请数量及EUV光刻机重点申请人专利申请数量,不丢脸出日本佳能及尼康在EUV光刻机钻研上已经与ASML拉开较大年夜差距,徐徐退出高端光刻机额竞赛,究其原由于:

(1)ASML无高低游企业,专注研发,且核心技巧绝对保密;

(2)ASML的特殊规定:想得到ASML光刻机的优先应用权的企业,需入股ASML,台积电,三星,英特尔,海力士纷繁入股,以寻求互惠互利。如在光刻机进入193nm节点时,ASML与台积电联合开拓的浸润式光刻机是奠定ASML绝对霸主的关键一步。

(3)ASML每年将业务额的15%用于研发,高额的研发用度,让尼康和佳能望而生畏,慢慢退出高端光刻机的竞赛。

3.结论

光刻机在芯片制造历程中起着至关紧张的感化,跟着器件特性尺寸的赓续缩小,对光刻机的精度要求越来越高,作为芯片制造业巨子:三星、台积电、因特尔已纷繁入股ASML,以钻营其高端光刻设备合营开拓与优先采购权,海内光刻机领域虽然取得一些进展,但仍旧与国际水平差距伟大年夜,仅仅寄托入口,海内的芯片制造行业势必受制于人,加快光刻机的研制方式,刻不容缓。

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