关于DUV光刻机的一些讨论

2023-02-08 02:02

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）综合自semianalysis，谢谢。

最近，因为美日荷的出口管制，有关光刻机的很多讨论又在中文媒体圈发酵。在这里，我们从semianalysis等媒体的报道，向大家展示一下备受关注的DUV光刻机的一些真相。而这一切都要从一个叫做瑞利判据的公式（如下图所示）说起。

据相关资料，我们的芯片制造是为了实现更小的特征尺寸（CD），如公式所示，因为K1是个常熟，所以研发人员除了提高数值孔径（NA），那就只能减少光刻机光源的波长（λ）。

如下图所示为了降低λ的数值，光刻机的光源在过去多年的发展从包括g-line和i-line在内的高压汞灯开始，历经KrF和ArF，并在最近几年进入到了EUV时代。对于未来，有人甚至认为光刻机的光源有望从13.5nm波长的EUV进入到波长介乎0.01nm到10nm之间的X光。值得一提的是，为了进一步降低λ，产业界在光刻机演进的过程中，还引入了浸润式光刻系统，让DUV在推进芯片微缩过程中发挥了更多的作用。由此也可以体现出工程师的力量。这也是本文讨论的一个重点。

据semianalysis报道，从应用上看，DUV 是一种非常广泛的技术，当中包括了氟化氪 (KrF)、氟化氩 (ArF) 和氟化氩浸没 (ArFi) 光刻。其中，尼康于 1988 年发布了第一款使用 KrF 光刻技术的 DUV 工具，名为 NSR-1505EX。它最初的分辨率为 500 纳米，但随着时间的推移，它升级到250 纳米，叠加 100 纳米。来到ASML 方面，他们于 2022 年发布的 NXT 2100i 具有 1.5nm 的叠层，可以图案化高级节点所需的最少功能。

在很多人看来，在7nm一下，就必须使用EUV。但semianalysis认为，自对准四边形图案化 (SAQP) 则通常被认为是延长 DUV 光刻一代最经济的方式。虽然有更复杂的光刻方案，但我们将坚持目前经济上可行的方案。例如台积电就使用 SAQP 和氩氟浸没 (ArFi) 光刻实现了7nm，但这并不是经济上可实现的极限。

semianalysis接着说，台积电 N5 上使用的 28nm 最小金属间距可以在没有 EUV 的情况下制造。使用 ArFi 光刻技术（NA=1.35，λ=193nm）的 SAQP 可以在 k1 为 0.391 时产生这种特征尺寸。特别是在ASML 和 Nikon 可以提供制造最小金属间距为 28nm 的 ArFi 光刻工具，这就让其更容易实现，虽然这不会像 EUV 那样具有成本效益。而使用干式氟化氩 ArF 光刻（NA=0.93，λ=193nm）的 SAQP ，也可以产生 k1 为 0.385 的这种特征尺寸。

按照semianalysis所说，SAQP 使用最先进的 KrF 光刻技术（NA=0.93，λ=248nm），可以产生 k1 为 0.48 的这种特征尺寸。SAQP 使用中档 KrF 光刻技术（NA=0.8，λ=248nm），可以创建 k1 为 0.413 的特征尺寸。使用 ASML、尼康或佳能的工具可以非常轻松地实现这些目标，虽然实现其的经济效益不是最优的。

semianalysis表示，在光刻中，重叠（overlay ）是指制造过程中不同层之间的对准精度。它是一层与另一层对齐的位置精度。我们的每个示例都使用了自对准四边形图案化 (SAQP)，这意味着需要对准 4 层光刻。因此，覆盖控制（overlay control）至关重要。

ASML 最先进的 EUV 光刻机的叠加精度（overlay accuracy）为 1.1 纳米。之前的版本 3400C 是他们在 2021 年出货的主要 EUV 工具，其叠加精度为 1.5 纳米。这比 ASML 最先进的 DUV 工具 2100i 还差。

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