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未來十年的芯片路線圖

作者:半導(dǎo)體行業(yè)觀察 來源: 頭條號 108606/03

在半導(dǎo)體制造的世界中,光刻是永恒的焦點(diǎn)。從ASML的光刻機(jī),到信越的光刻膠,一直是圈內(nèi)人津津樂道的話題。隨著各種嶄新的AI應(yīng)用以及汽車智能化的發(fā)展,芯片的種類和數(shù)量不斷增加,晶圓廠的光刻機(jī)們都已經(jīng)忙到冒煙了,與此同時(shí)對光罩的種類和數(shù)量的需求

標(biāo)簽:

在半導(dǎo)體制造的世界中,光刻是永恒的焦點(diǎn)。從ASML的光刻機(jī),到信越的光刻膠,一直是圈內(nèi)人津津樂道的話題。隨著各種嶄新的AI應(yīng)用以及汽車智能化的發(fā)展,芯片的種類和數(shù)量不斷增加,晶圓廠的光刻機(jī)們都已經(jīng)忙到冒煙了,與此同時(shí)對光罩的種類和數(shù)量的需求也呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長。

在半導(dǎo)體工藝追隨摩爾定律的腳步時(shí),光罩本身也經(jīng)歷了脫胎換骨的變化。1:1光刻的時(shí)代,一塊方方正正的鉻板光罩同晶圓尺寸一樣,變成了6寸和8寸。當(dāng)倍縮投影光刻的時(shí)代到來,光罩的尺寸又從5寸變成了一塊6英寸見方,0.25英寸厚薄的鉻板光罩,也就是我們口中的6025光罩。

在這6025方寸之間的日新月異背后,也記錄著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的波瀾壯闊。

摩爾定律的見證者

一塊光罩的背后,是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的縮影。從g line和i line時(shí)代(波長365nm)橫平豎直和孔洞分明的圖形,到KrF時(shí)代(波長248nm)的方塊OPC圖形,再到ArF時(shí)代(波長193nm)的SB(衍射條)和SRAF(亞分辨率輔助圖形),以及curvlinear mask(曲線光罩),一切為了得到更完美的圖形構(gòu)建集成電路的超級都市!而到了EUV時(shí)代(波長13.5nm),簡潔的圖形又回到了光罩上。一片光罩的由簡到繁,再化繁為簡,見證了光刻技術(shù)從浸潤式到EUV的承前啟后,記錄了浸潤式這位老兵在邁向5/7nm時(shí)艱苦卓絕的努力和工程師們迸發(fā)出的智慧火花!

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.1

就如同上圖所示,光罩制造同晶圓制造一樣也有前道和后道之分,盡管相對簡單,但光罩工藝也絕不固步自封。就像投影光刻機(jī)在縮短波長和擴(kuò)大NA一樣,光罩曝光的工藝也從激光直寫發(fā)展到電子束直寫,不斷創(chuàng)新。在電子束時(shí)代,新的進(jìn)化也未曾停歇,從高斯束,可變束發(fā)展到多電子束,在此期間光學(xué)巨人徠卡(沒錯(cuò),就是那個(gè)相機(jī)品牌徠卡Leica)也在不斷的競爭中敗下陣來,新時(shí)代的JEOL,NuFlare和IMS取而代之續(xù)寫傳奇。同為光罩制造前道的刻蝕工藝,也同晶圓制造一樣,經(jīng)歷了從濕法到干法的路線。

在前道定位精度量測中,王者之器LMS iPro幾經(jīng)收購和易手,從當(dāng)年的徠卡到Vistec,最終將接力棒交到了量測霸王KLA的手中。這條賽道上同樣知名的選手是比徠卡更重量級的光學(xué)巨匠卡爾蔡司,目前是該類設(shè)備中唯一可以同KLA競爭玩家,順帶一提,半導(dǎo)體業(yè)界的第一臺商用可變束電子束直寫光刻機(jī)ZBA10也是卡爾蔡司的杰作!

后道工藝的角逐也一樣如火如荼,KLA和NuFlare的檢驗(yàn)機(jī)都隨著圖形尺寸的縮小導(dǎo)入了與原始設(shè)計(jì)對比和空間成像模擬的功能。在早期的光罩廠中尚占據(jù)一席之地的MueTec已經(jīng)在前些年被中資公司收購,消失在滾滾的時(shí)代洪流中。

光罩修補(bǔ)的發(fā)展和迭代速度也是驚人的,短短30年跨越激光修補(bǔ),聚焦離子束和電子束修補(bǔ)三代,僅僅在聚焦離子束技術(shù)的發(fā)展路徑上,就經(jīng)歷了歐姆龍,精工工業(yè),日立的技術(shù)迭代和收購,即使是賽默飛也只是這條路線上的匆匆過客,早已不問世事。激光修補(bǔ)盡管在分辨率和修復(fù)精度上早已落后,但是高產(chǎn)出和相對低廉的價(jià)格,依舊戰(zhàn)火正酣,除了V-Techoloy和收購了RAVE的布魯克Bruker,Planar作為半路殺出的程咬金,也不甘示弱!高處不勝寒,在最高精度的電子束修補(bǔ)的競賽中,卡爾蔡司成為了唯一的玩家獨(dú)占鰲頭。

清洗工藝看似簡單,但實(shí)則不然,傳統(tǒng)的化學(xué)清洗液在進(jìn)入45nm節(jié)點(diǎn)后無法有效進(jìn)入光罩表面的三維結(jié)構(gòu)中,充分清除沾污和顆粒物,所以無論是化學(xué)清洗液的配方還是清洗工藝的參數(shù)都需要進(jìn)行大量調(diào)整。因此光罩清洗設(shè)備市場多年來也都僅有幾家公司把持,并沒有晶圓清洗設(shè)備那樣百花齊放的場面。

光影交替間的進(jìn)化

眾所周知,光罩中分為透光區(qū)與不透光區(qū),光線透過透光區(qū)后與晶圓表面的光刻膠作用,使光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)或解交聯(lián),而遮光的材料便是鉻。鉻伴隨著光罩的發(fā)展走過將近半個(gè)世紀(jì),也逐漸迎來了極限。由于鉻本身的透光率限制和鉻遮光層的厚度所引起的光罩3D效應(yīng)嚴(yán)重限制了圖形的微縮,傳統(tǒng)的鉻板光罩已經(jīng)無法用于更細(xì)微的圖形曝光。為了追求更高的成像分辨率,因此鉻板光罩又進(jìn)一步進(jìn)化為OMOG(不透光MoSi光罩)光罩。

Source: 超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與應(yīng)用, 韋亞一, 2016, Chap.5

無論是鉻板光罩還是OMOG光罩,其分類都是屬于BIM(binary mask),即雙極型光罩或二元光罩,其原理都是通過透光區(qū)與不透光區(qū)的不同光強(qiáng)來得到晶圓上所需的圖型。還有一種光罩,其不透光區(qū)實(shí)際包含6%的透光率,但是通過對光的相位翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)更高的對比度,從而實(shí)現(xiàn)更好的成像質(zhì)量和分辨率,這就是PSM相位移光罩(Phase shift mask)。由于不透光光區(qū)實(shí)際有6%的透光率,故而相比BIM,PSM實(shí)際的外觀是幾乎透明的。80年代,來自IBM的Levenson等工程師首次提出了PSM的概念,由此開啟了新的時(shí)代。

Source: Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Syed Rizvi, 2005, Chap.6

PSM光罩的分類也有不同的方式。從相位反轉(zhuǎn)的方式上,可以分為衰減型Att-PSM和交替型Alt-PSM。除了相位反轉(zhuǎn)方式以外,從透光度和耐久度分類上還有高透光HT和高耐久度HD PSM,以及高透射高耐久度HTHD也是存在的。借鑒交替型PSM的概念,名為CPL(Chromless phase lithography)的新型PSM也在大洋彼岸的美國誕生,沒有鉻層,僅依靠SiN基底不同區(qū)域的厚度和相位來實(shí)現(xiàn)圖形曝光。

無論是BIM還是PSM光罩,雖然衍生出眾多的種類,但國內(nèi)的晶圓廠主流使用的種類卻并不豐富。除了鉻板光罩外,國內(nèi)會在先進(jìn)制程中更多使用薄OMOG光罩;而在PSM中,由于加工更為簡便,國內(nèi)則主流使用Att-PSM。

面向未來的NGL光罩

EUV時(shí)代的到來,使得晶體管的微縮更簡單方便,光罩圖形的設(shè)計(jì)也更簡化。但是方便了晶圓廠(其實(shí)也沒那么方便),那可苦了光罩基板廠和光罩廠。

EUV光罩在結(jié)構(gòu)上比傳統(tǒng)的BIM和PSM光罩要更復(fù)雜,它由十幾到數(shù)十層的鉬硅復(fù)合金屬薄膜構(gòu)成反射層以及釕金屬薄膜的頂蓋構(gòu)成吸收層所組成。EUV光罩不同于傳統(tǒng)光罩,它從透射原理轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷湓恚瑢⒐庹稚系膱D形投影至晶圓表面。

Source: Chemistry and Lithography, Uzodinma Okoroanyanwu, 2010, Chap.14

由于鉬硅多層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),EUV光罩基板的缺陷控制和光罩修復(fù)變得困難了起來。EUV光罩的薄膜不同于傳統(tǒng)光罩可以一步到位,需要交替堆疊數(shù)十層鉬和硅薄膜,最后鍍上一層釕層。期間不僅需要保證每層薄膜良好的厚度均一性,還需要保證無缺陷(如極為微小的凸點(diǎn),針孔等)。并且即使到了光罩廠完成了前道的圖形制作,后續(xù)也需要進(jìn)行復(fù)雜的修復(fù),除了更高精度的電子束修復(fù)設(shè)備外,物理氣相沉積PVD設(shè)備甚至被首次搬進(jìn)了光罩廠。

得益于EUV僅有的13.5nm波長,即使其NA僅有0.33,它的極限分辨率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于浸潤式光刻,因此就像先前所述,EUV光罩上的圖形反而會簡潔很多。筆者看到過一個(gè)形象的類比:在印鈔機(jī)面前,昂貴的材料不值一提,就是指EUV光刻。所以即使光罩制作的流程變得復(fù)雜,仍然能為晶圓上的圖形制作帶來極大的便利,這也是EUV光罩的價(jià)值所在!

EUV作為下一代光刻技術(shù)(NGL)中最為出名的代表,除了高分辨率和先前提到的光罩制作復(fù)雜外,還有高能耗和高成本的缺點(diǎn)。如果說EUV光刻通過復(fù)雜的光罩制作工藝來滿足極端光學(xué)成像條件的話,那納米壓印(NIL)則是反其道而行之的方法。就如同最美味的料理僅需要最樸素的食材,從一塊鉻板光罩和一枚產(chǎn)生i line的汞燈中,將極致的分辨率帶入5/7nm節(jié)點(diǎn),可以說是化繁為簡到簡單粗暴了。

目前,大日本印刷DNP同佳能和鎧俠正在聯(lián)合研發(fā)基于納米壓印的光罩和晶圓制造技術(shù),去年也有消息稱其在5nm節(jié)點(diǎn)的工藝開發(fā)中取得了一定的成果。

Source: DNP官網(wǎng)

對納米壓印來說,它相比于傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻,更像是在敲圖章!先在鉻板光罩上制作圖形,然后將其壓在預(yù)先涂布了光刻膠的晶圓上通過紫外光(i line)的照射后固化,完成圖形的轉(zhuǎn)印。這個(gè)過程中,光罩的作用與其說是遮光和透光,將其稱為母版(template)更為貼切。

佳能基于其FPA系列光刻機(jī)制造的納米壓印光刻機(jī)在對準(zhǔn)和套刻精度方面都做了相當(dāng)多的改良。除此之外還有許多挑戰(zhàn)擋在納米壓印的產(chǎn)業(yè)化前,母版的制作自然也是其一。不同于傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻采用的1:4倍縮式鏡頭,納米壓印的圖形是1:1的。舉個(gè)例子,用ASML的光刻機(jī)投影一個(gè)直徑為50nm的通孔圖形,傳統(tǒng)光罩上的尺寸是直徑200nm,而對于納米壓印的母版來說則依舊對應(yīng)50nm,這就意味著其圖形化設(shè)備的精度要求已經(jīng)超過了同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)光罩。在5nm節(jié)點(diǎn),即使通過多電子束光刻機(jī)進(jìn)行曝光,其圖形制造的難度和所消耗的時(shí)間也仍然更大更高。此外,直接與光刻膠進(jìn)行物理接觸的動作對母版本身的壽命也是相當(dāng)大的挑戰(zhàn),對母版的修復(fù)工藝也提出了更高的要求。

當(dāng)然,在EUV光刻機(jī)走進(jìn)產(chǎn)線前,問題也是只多不少。鑒于其巨大的潛力和對晶圓工藝的簡化,筆者非??春眉{米壓印技術(shù)的前景。

長期以來,國內(nèi)的廠商在光罩產(chǎn)業(yè)鏈上一直都處于缺位的狀態(tài)。現(xiàn)在,隨著本土光罩廠的快速發(fā)展和國際供應(yīng)鏈環(huán)境的變化,一些國內(nèi)的企業(yè)也開始慢慢打開這個(gè)原來封閉的市場。針對成熟制程的缺陷檢測,清洗,涂膠顯影等國產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)開始導(dǎo)入,相信在不久的將來激光直寫,高端缺陷檢測和清洗設(shè)備也能進(jìn)入國內(nèi)光罩廠。

盡管在high NA EUV中,有推薦使用300mm直徑的圓形光罩的聲音,但6025的傳奇還會繼續(xù)!等到下一個(gè)十年過去,6025的傳奇里是否也會有我們的故事呢?筆者非常期待!

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