国产光刻机猜测

moletronic · 发表于 2024-9-15 15:36:07

本帖最后由 moletronic 于 2024-9-14 23:39 编辑

被老财迷点名了，又看到“28nm光刻机”这种让俺不爽的说法，俺就来稍微说几句。
光刻机是个很复杂的体系。大约30年前吧，俺第一次看到光刻机，那时洋名叫Aligner，后来又有Stepper，Scanner。但这些是根据样品台的运动模式命名的，俺个人以为也不算是很好的命名方式。
还是回到光刻机本身吧。顾名思义，光刻机就是在半导体生产中进行光刻的机器。现代的半导体工艺非常复杂，往往包含几十个跟光刻相关的子工序。每个子工序一般又会有以下几个步骤：
1. 表面清洗
2. 预处理
3. 甩胶
4. 曝光
5. develop（显影？）
6. 刻蚀/离子注入
7. 去胶
光刻机就是进行第四步的。半导体工业有XXnm节点，这个XXnm，在早期基本就是光刻机的分辨率决定的。光刻机是光学系统，而Ernst Abbe在1873年就给出了公式：
$d=\frac{\lambda}{2nsin\theta}=\frac{\lambda}{2NA}$
对于光刻机，公式演变为：
$CD=\frac{k1\cdot\lambda}{NA}$
这里面CD是最小尺寸，lamda是光波长，NA是数值孔径，K1是整个光刻系统的系数。如果想降低d，要么减小波长，K1，要么增大数值孔径。下面是用过的波长：
1. 436 nm (水银灯"g-line")
2. 405 nm (水银灯"h-line")
3. 365 nm (水银灯"i-line")
4. 248 nm (KrF激光)
5. 193 nm (ArF激光)
6. 13.5 nm (EUV激光)
工信部说的那两台机器应该就是用的248nm和193nm。早几年浦东拿出来吹牛的“90nm光刻机”就是用的193nm，现在变成65nm，估计是K1和NA优化了。在俺看来这个“90nm光刻机”和“65nm光刻机”是一个东西，区别估计是Camry LE和SE的区别吧。193nm可以一直用到7nm节点，台积当初就做到了。三星水平差一些，有两层上了EUV。牙膏厂的10nm（对应台积7nm）就是不想用EUV所以卡了6年搞不出来。
按照公式193nm对应的极限是90nm，但还能继续是因为有一些别的技术：
1. 林本坚提出的浸水。就是在物镜和硅片间加水。这样折射率从空气的1变成水的1.44，相当于数值孔径变大1.44倍。
2. 光学临近矫正（OPC）。早年的光刻遵循的是几何光学，不考虑衍射，掩膜上的形状和印出来的是一样的。OPC会考虑衍射效果，掩膜上形状和最终印出来的不一样，这样可以做出更小尺寸。
3. Double-Patterning。这个翻译为双重曝光其实不好。以前有double-exposure，那个是把前面工序变成1，2，3，4，4，5，6，7. 现在这个double-patterning要更复杂，简单说是1-7，1-7要做两次。这两次之间硅片会动，要回到原位，就有误差，就是那个套刻精度。
4. FinFet/GAA，这个其实并没有实际减小尺寸，只是让有效尺寸变小了，所以节点数字变小。

网上谣言说国内的浸水还在测试，希望能尽快成功吧。

orleans · 发表于 2024-9-15 20:14:31

下笔千言，文眼就一句：“ 在俺看来这个“90nm光刻机”和“65nm光刻机”是一个东西，区别估计是Camry LE和SE的区别吧。”90nm至少10多年前就推出了，现在你说LE变SE，进步就等于没进步嘛。

马鹿 · 发表于 2024-9-15 20:18:14

我还以为你才30多岁。。。

moletronic · 发表于 2024-9-15 21:56:18

马鹿发表于 2024-9-15 04:18
: r; {$ \; \/ G* a8 i& d/ w我还以为你才30多岁。。。

西西河一开俺就去了，那都快20年了

陈王奋起挥黄钺 · 发表于 2024-9-16 01:17:10

凭借目前公布的硬件参数，是可以轻松实现65nm的，20年前就已经实现的。但是加上现在软件的进步，也就是OPC，提升到45nm就没有问题。如果在加上偏轴式曝光或者移相光罩，突破到28nm问题不大。

国内目前的所有半导体的前沿突破，都不在公开的生产线上，因为敌人可以拆解你的光刻机，制裁你的供应商，从而摧毁你的供应链。

凡是公开的，都是敌人无法阻挡的。

宝特勤 · 发表于 2024-9-16 06:24:01

在国外搞过光刻机外围元件的过来支持一下。

moletronic · 发表于 2024-9-16 09:46:29

公布的参数只能确定的说解决了65nm的有无问题，对于代工厂来说要不要用还有几个关键参数没说。比如生产速度（wafer/hr），连续生产时长，透镜预热时长等等。

老财迷 · 发表于 2024-9-16 11:19:37

感谢感谢

工信部公布的是：2.1.6 氟化氩光刻机晶圆直径:300mm；照明波长:193nm；分辨率≤65nm；套刻≤8nm

按照老兄的科普，我理解，现在有一台氟化氩光刻机，使用波长为193nm的ArF激光（氟化氩激光），300mm的晶圆，加上套刻精度≤8nm，以及其它技术手段，能生产65nm的芯片了。就是俗称的65nm光刻机。
确实还属于比较“菜”的

当然，工信部把它放在《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》公布出来，应该是全国产了，这是我们自己的

延伸一下老兄的科普，“按照公式193nm对应的极限是90nm”，假设“国内的浸水还在测试”为真，则从90nm做到65nm没有通过“浸水”，而是通过别的技术，可能是【2. 光学临近矫正（OPC）、3. Double-Patterning、4. FinFet/GAA】中的一种或多种。
那如果突破了“浸水”，就可以做到65nm/1.44=45nm了。

另外，在工信部的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》中，https://www.miit.gov.cn/zwgk/zcw ... 7d635932a464ee.html
和芯片相关的远不只这一个光刻机，还有很多项：
2.1集成电路生产装备
2.1.1硅外延炉晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；应用材料：硅、锗硅
2.1.2湿法清洗机晶圆直径：300mm；工艺节点优于28nm；用于关键层清洗
2.1.3氧化炉晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm
2.1.4涂胶显影机晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；用于关键层涂胶显影
2.1.5氟化氪光刻机晶圆直径：300mm；照明波长：248nm；分辨率≤110nm；套刻≤25nm
2.1.6氟化氩光刻机晶圆直径：300mm；照明波长：193nm；分辨率≤65nm；套刻≤8nm
2.1.7高能离子注入机晶圆直径：300mm；注入均匀性≤0.5%；能量范围≥1MeV；能量纯度：99.9%
2.1.8低能离子注入机晶圆直径：300mm；能量范围：200eV～50KeV；注入剂量：5×10^13～5×10^16 ions/cm²；束流大小：0.5～30mA
2.1.9等离子干法刻蚀机晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；用于关键层刻蚀
2.1.10特种金属膜层刻蚀机刻蚀晶圆规格：12英寸；CD1σ均匀性（片内、片间、批间）≤3%；MTJ特征CD：25～80nm；MTJ侧壁损伤≤2nm；MTJ侧壁陡直度≥80°
2.1.11化学气相沉积装备晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；用于关键层沉积
2.1.12物理气相沉积装备晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；用于关键层沉积
2.1.13化学机械抛光机
铜抛光：晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于14nm；片内及片间非均匀性≤5%；抛光速率＞5000Å/min
钨抛光：晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于14nm；片内及片间非均匀性≤5%；抛光速率≥2000Å/min
铝抛光：晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；片内及片间非均匀性≤5%；抛光速率≥2500Å/min
介质抛光：晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm；片内及片间非均匀性≤5%；抛光速率≥1000Å/min
2.1.14激光退火装备晶圆直径：300mm；工艺节点等于或优于28nm
2.1.15光学线宽量测装备动态重复性：宽度≤0.1nm，高度≤0.15nm，角度≤0.08°；准确性：线性度≥0.9，斜率：within1±0.1；表面颗粒增加≤4颗@＞30nm

很有几项明确说了“工艺节点等于或优于28nm”，甚至有“工艺节点等于或优于14nm”的。

老财迷 · 发表于 2024-9-16 11:26:23

moletronic 发表于 2024-9-16 09:46
8 y( N3 \ @) Q# S5 q' |公布的参数只能确定的说解决了65nm的有无问题，对于代工厂来说要不要用还有几个关键参数没说。比如生产速度 ...

个人猜测，在这正式公布之前，国内（大陆）自己的代工厂商，肯定已经有使用的了。以目前的政治、技术氛围，各大代工厂必然要背负相关的任务，这关系到大基金的投入、将来的单子。

moletronic · 发表于 2024-9-16 11:34:56

既然公布了，肯定是用过的，具体效果估计比几年前的“90nm”强吧。那个有谣言说就送出一台去某武汉厂（估计是YMTC）验收完了就放一边落灰了。。。

moletronic · 发表于 2024-9-16 13:52:53

另外阿斯麦能做到的：NA=1.35，K1=0.25，对应线宽是36nm。台积7nm的实际线宽是22nm。

晨枫 · 发表于 2024-9-16 14:00:59

老财迷发表于 2024-9-15 21:19
" T. }+ P* P$ H+ Z- G. L感谢感谢5 q" e9 ^" J& Z: J+ X+ C: p
2 h {% R l# x' A, |9 h
工信部公布的是：2.1.6 氟化氩光刻机晶圆直径:300mm；照明波长:193nm；分辨率≤ ...

也就是说，即使28nm现在还有光刻机瓶颈，其他也都就绪、只欠东风了。这是好事！

个人感觉：相比于前一阵的绝对保密，现在放出这消息肯定是有用意的。

1、内行人一看就知道，还在65nm
2、没说的就不知道到了哪一步，而中国肯定不会满足于65nm
3、一旦这一关过去，下一关应该是28nm光刻机（咳咳，我知道这说法要被内行人狂扁，你知道我的意思，暂且手下留情吧），但说中国还有15年的落后可能误导，追赶总是更快，尤其是这在现在根本不是最领先水平

然后就要等EUV了。

会不会中国人首先解决光源，索性一步到位EUV，但干式先行？不是说俄罗斯EU V光源给力吗？

在一段时间里，一旦中国28nm全国产化，芯片爆产能就有工装保障了。这就要西方好好领教什么叫产能过剩了。

moletronic · 发表于 2024-9-16 21:42:27

EUV没有透镜，只有反射镜，整个光学系统完全不同。目前看不会再搞浸水了。

沉宝 · 发表于 2024-9-17 02:46:07

晨枫发表于 2024-9-16 14:00
3 q: u9 W4 L/ r* i `也就是说，即使28nm现在还有光刻机瓶颈，其他也都就绪、只欠东风了。这是好事！
$ @3 X2 m+ h) M1 [9 I: v
( |- W6 T$ q1 H/ Y个人感觉：相比于前一阵 ...

不存在28nm光刻机，只有28nm工艺节点。

从光刻机所用的光源上来说，只有 193 nm (ArF激光) 和 13.5 nm (EUV激光) 的区别。只要没上EUV，那么全都是193nm，即使是台积电的7nm。在典型参数下，193nm光源能做到90nm的线宽。光刻机可以在此基础上改进，比如提高镜头的数值孔径（玩相机的晨大熟悉这个术语），在镜头与硅片之间填充高折射率浸没液体等等。所有这一切努力让单次曝光分辨率顶多能到达38nm的水平，再往下就需要靠大幅度提高工艺复杂度来实现了。主帖中提到double-patterning（更准确的应称之为multiple patterning），其中的曝光、显影、刻蚀等步骤再也不是一次过，而需要反复多遍才能获得更细的等值线宽。

以multiple patterning中的SADP/SAQP技术为例，SADP第一次产生的线条并不是最终想要的东西，它只是用作一个骨架，在上面沉积一层叫spacer的薄膜。然后骨架本身被刻蚀掉，只留下原本贴在其侧壁上的那一部分spacer。打个比方，这有一点像脱胎漆器，当然轻薄细腻了不少。如此得到的spacer再与一个相对宽松的mask合作，才得到最终的电路。

SAQP则是将SADP的技法重复两遍，以期获得精密度的倍增。

工艺复杂的代价不仅仅是用掉更多的时间和耗材，芯片的良率也随之下降。之所以厂家多年来不断在ArF上挖潜，是因为EUV也有很多劣势。对EUV透光的材料很难找，所以没了传统的透镜组，也不可能再有浸液方案，整个光学系统要靠一系列反射镜来实现。其结果是系统的等效数值孔径远远小于ArF光源的，这就导致EUV对上一代的胜出大幅度缩水，而并不像波长缩短所意味的十多倍那样的差距。从生产出来的实际芯片也可以看出，采用EUV后芯片各方面的指标有提升，但这种提高大致是线性的（如果用以前的速度外延的话），而非峭壁式的飞跃。

晨枫 · 发表于 2024-9-17 03:21:19

moletronic 发表于 2024-9-16 07:42
1 R5 E# o( l8 f7 m/ EEUV没有透镜，只有反射镜，整个光学系统完全不同。目前看不会再搞浸水了。 ...

也就是说，EUV用浸水没有用？

晨枫 · 发表于 2024-9-17 03:34:34

沉宝发表于 2024-9-16 12:46
$ W8 Y3 R/ j' v2 d4 {( }1 K不存在28nm光刻机，只有28nm工艺节点。6 P8 N7 U* j- |) p
( ?7 K5 K1 a& y* c) W5 c
从光刻机所用的光源上来说，只有 193 nm (ArF激光) 和 13.5 nm ( ...

不过EUV制作7nm可以轻易一次曝光，产率和良率应该提高很多？

moletronic · 发表于 2024-9-17 04:38:44

晨枫发表于 2024-9-16 11:21( E' t- y& K5 _! V
也就是说，EUV用浸水没有用？

理论上有用，但目前没看到在路线图上。估计是水对EUV的吸收太大，本来EUV光源的强度就小。

晨枫 · 发表于 2024-9-17 04:39:36

moletronic 发表于 2024-9-16 14:38
1 X5 p. c* w0 }- J1 ~) G理论上有用，但目前没看到在路线图上。估计是水对EUV的吸收太大，本来EUV光源的强度就小。 ...

是哦，连透镜都不能用，水可能更加不行了

moletronic · 发表于 2024-9-17 04:43:13

晨枫发表于 2024-9-16 12:39
) s, c% F& l# D" m是哦，连透镜都不能用，水可能更加不行了

相比透镜，反射镜的光吸收太大了。整个光路系统的损耗太多，最后到达光刻胶的剂量比例很低。

ringxiao · 发表于 2024-9-17 07:45:19

在知乎看到一篇文章，应该是业内人士写的，他对目前的进度并不乐观。
我不懂这方面的技术，看起来说的还是有理有据，供参考。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/720445357

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