EUV光刻厂?芯片制造与光刻的工程技术与科学原理介绍 | 陈经
将四价硅掺杂加入少量三价硼和和五价磷做出PN结,再加上金属氧化物做个控制门,就能做成某类晶体管。海量晶体管密集排列,按特定设计互相连接,就是芯片。芯片制造最关键一步是晶圆加工,在FAB工厂里,在高纯度的硅晶圆(wafer)上面,做出一个个的相同的裸芯片(die)。前面需要做出硅晶圆,后面需要将die切开,加盖、加引脚、封装、测试,难度都相对低。
首先要有概念,工业应用意义上的芯片产量是海量的,不然成本太高。如近日引发轰动的某爆款手机的芯片,业界估计有1000万颗的量,后因需求火爆增至1500-1700万颗,又再上调到2000万颗。
上千万颗芯片,如何在不太长的时间内制造出来?关键是一片wafer上能一次性制造出大量完全一样的die。以12寸晶圆(指英寸,还有8寸、6寸的)为例,它的直径是约300毫米,面积是70659平方毫米。先进芯片的晶体管密度能达到惊人1平方毫米1亿个,整个芯片有上百亿个晶体管,完成复杂的5G基带与手机SOC功能。假设一个die面积是140平方毫米,一片wafer上就可能有约500个die的位置。
芯片制造有“良率”的概念,简单地说,如果这500个die在FAB加工完毕,下单的商家拿去一测,发现有400个是功能合格的“活”die,良率就是80%。先进芯片加工的良率有时不高,但也不会太低,不然没有商业意义了。如按50%估计,一片wafer也应该有200个以上的die是活的。
FAB工厂的产能一般用每月能加工多少万片wafer来说明,多的可以1个月10万片,少的也有1万片。如果每月1万片,每片200个活die,一个月就有200万颗芯片,一年能生产出2000万颗以上的芯片了。
有些不懂的人会以为,芯片制造全靠光刻机,工厂就是有个核心机器光刻机,晶圆送进去,里面用光在上面把芯片“刻”出来,主要的加工就完成了。如有的人说,买到100个光刻机,就能建100条芯片生产线,可能就是这么简单理解的。
其实更合适的说法是,芯片上的晶体管是“蚀刻”出来的。用等离子体物理冲击或者化学药水浸泡之类的办法,在wafer上造出沟沟槽槽,最后就把晶体管的形状挖出来了。但是哪挖哪不挖,这是由光刻引导的。可以说,凡是要蚀刻了,都要先光刻,通过“掩膜板”(mask,光罩)告诉蚀刻冲哪下手。而且挖沟槽的的办法非常复杂,有时要反复地挖,经常还要在上面沉积覆盖一层各种材料。每一步做完,还得清洗。
实际FAB加工晶圆的步骤极为复杂,多的可能要上千步,光刻就要反复做多次,一般需要多个光刻机。一个复杂的先进制程芯片,用于光刻的一套光罩就可能有好几十个。重要步骤需要精度高的光刻机,也有精度要求低些的,可以用低配的光刻机。如wafer上的晶体管层做好以后,在上面做连接的金属导线层,精度要求就低不少,因为可以象建楼房一样,分成好几层来放导线,每一层导线的间隔可以宽一些。
一片wafer开始加工,到最终变成die交付给客户,因为步骤很多,过程可能要几个月。这往往是因为,生产线上的机器,不只是生产一个芯片,会排班加工别的wafer。如何安排,将不同芯片的wafer在指定的时间送到指定的机器上,是FAB生产流程管理的重要问题。即使全力保证一个芯片的加工流程先跑,工序多的,一片wafer怎么也要一两个月才跑完。
客户让FAB加工芯片,不是下单就有,即使追加订单,也要过几个月才有。无论如何,几个月就能生产出上千万颗芯片,这是海量的加工能力,量上来了,单个芯片才不会太贵。所以,FAB的生产能力是芯片工业应用的关键,一个月要起码能处理一万片这么多的wafer。
而且,光刻机处理一个wafer,不是一次能完事的,基本会来好几次,有时要多重曝光,要上十次。所以,即使只处理一个芯片产品,一个月只做1万片,一个光刻机可能也要做10万次光刻。FAB是周末也不敢让机器停的,要排班开工,一个月30天,每天可能要光刻3000次,光刻机平均一个小时做一百次光刻,是很常见的节奏。
因此,从工业生产的角度粗略估算,光刻机要1分钟不到就把一片wafer上的几百个die都光刻完。每个die分到的光刻时间,只有0.1秒这个级别。如果搞不过来,就得加多个光刻机并行处理了。
可以看这个光刻机工作的视频
先进的光刻机就是这么快速运作的。一片wafer放在工作台上,工作台在磁悬浮系统操控下,不停地游动,看上去根本就没有静止。其实这是在“步进扫描”,工作台在按某种自动程序走走停停,停下来就是对准了,在0.1秒时间内光线打下来瞬间完成光刻,把光罩上的图案投影到某个die的区域(实际是shot,可以简单理解成一个die的大小),和上面涂的特种光刻胶发生“光化学反应”,完成曝光。曝光快速完成,工作台又快速步进扫描到下一个位置,看上去和没停一样。走走停停的加速度非常大,对工作台运动控制、定位的精准度要求非常高,这也是光刻机制造的最核心难点之一。
ASML的光刻机型号有TWINSCAN的说法,从运作录像上看,是两个工作台在下面游动。这并不是两个工作台同时在进行光刻,而是一个在步进扫描光刻,一个在“预对准”。预对准是说,测量台上一片wafer上几百上千个die的区域,先用量测工具扫描一通,判断好是怎么排列的,每一步要跳多少纳米过去才能精确对准,把这些数据先记下来。等在光刻的那个工作台处理完了,立刻就把预对准的这个工作台挪过去,按测量好的数据安排好步进扫描的自动程序开始光刻。
无论是EUV光刻机还是DUV光刻机,都是很先进的机器,关键在于工业生产的量和速度要求非常高。如果慢腾腾地每一步都要重新对准,假设光刻机一分钟才能处理一个die,一天也就处理1000多个die,只能搞完一两片wafer,那工厂不要开门了,早赔死了。
这是一般人不知道的,不理解光刻机要快速自动精准连续运作,对要求有多高不清楚,容易低估工业应用级别光刻机的性能要求。
上面说的芯片制造过程,对传统芯片(28nm及以上)和先进制程芯片(14nm及以下)都是通用的。目前用的光刻机主要是DUV的,193nm波长的光源是ArF(氟化氩)准分子激光器生成的,浸润式光刻机光在水中折射后波长变成134nm。
前面还有汞灯光源(不是激光),g线光刻机是436nm波长,i线光刻机是365nm波长。还有KrF(氟化氪)准分子激光器的248nm光源。
根据瑞利准则公式和实践结果,193nm光刻机的分辨率是波长的三分之一,能用来做65nm的芯片。浸润式光刻机的134nm波长,按规律可以做45nm的芯片。但是镜头在水里效应提升,又通过OPC补偿算法(光罩上图形的角上,弄成特定的复杂形状而非原来的方形,最终成像反而会更接近方形),最终分辨能力提升到了28nm。这就是经典的28nm芯片的由来,坊间有所谓“28nm光刻机”的说法,其实是193nm的光源。
28nm及以上制程的传统芯片,里面的晶体管是MOSFET,可以理解为一种平面的晶体管,有个控制门Gate,从上往下这“一个方向”施加电压,控制晶体管的0-1导通状态。28nm指的是Source和Drain两个栅极之间的宽度,整个晶体管有100nm以上这么宽。
清华河北分院对于雄安SSMB项目落地的报导
全光谱就是说,从红外到深紫外(EUV)乃至X射线的光谱都有。亮度高,就可以象X光机一样,用来探查物质的内部,而且比X光机功率更高,探查能力更厉害。其中一些EUV光可以用来作光刻研究,前面说了,工业化量产是不行的,效率太低。
“功率较低”就是传统同步辐射光源的弱点。虽然同步辐射光比X光机要更亮,但是人们总想要更高功率,工业应用要求很极端,EUV光刻就是一个。同步辐射光源为什么功率低,是因为电子束长度太大,没有相干性,电子发出的电磁辐射是“非相干叠加”,功率就不高了。
稳态微聚束的关键思想,是在传统同步辐射加速器的电子存储环里面,引入了激光调制。本来电子在存储环里,形成聚束是用“微波射频腔”(RF cavity)做的,改用复杂得多的激光调制系统,加上扭摆磁铁,横向纵向下手调制,巧妙地把电子束更加完美地聚集在一起。SSMB能在《自然》上发表文章,就是说怎么实际下手,证明了电子束形态确实更加完美了。
清华与德国团队SSMB实验结果
上图,图ab是没有经过激光调制的波形,是宽的。图cd是激光和磁铁进行了一次调制的结果,中间五个束冒出来了。图ef是加了个滤波的结果,结果更明显了。当然实验只干了一次调制,继续调制应该是有技术困难要克服,是后续工作。
SSMB就产生了和FEL类似的“微聚束”,但是关键还加上了“稳态”。FEL不是稳态,电子团在波荡器里自由互相作用,最后发出强光完事。SSMB是让电子束在存储环里绕圈,这样就有可能是“稳态”的,对于重复发光很重要。也就是两个特性结合:微聚束的相干辐射发强光 + 存储环高重频。
清华研究论文认为,这两个特性结合,SSMB-EUV光源进行光刻就很有潜力。看上去是比直线的SRF-FEL好,更加好控制。让电子束在存储环里转圈,需要发强光了,就让微聚束发出相干辐射,导出EUV光源进行光刻。
据赵午2021年在杨振宁学术思想研讨会上的视频介绍,SSMB-EUV光源做光刻机的优点是:只要三块反射镜(因为SSMB-EUV光源比LPP-EUV光源要纯净),镜片面积要求也小得多,只要十分之一。这看上去是巨大的优点,光源质量上比ASML的EUV光刻机强,整机开发难度肯定能下降不少,镜片的要求就降低了。
但是这巨大优点,前提是SSMB-EUV光源开发成功。SSMB后续开发有不少难点,在《物理学报》的论文综述中都实在地提出了,技术细节较为难懂。一类是微聚束在存储环中产生与维持的问题,一类是SSMB相干辐射发光的问题,都需要很多后续研究。
电子微聚束听上去不错,但是电子在转弯,会纵向滑移,聚束就没法维持了。激光和电子微聚束要以巧妙的角度调制,怎么保持好角度,也很困难。这类实际问题,在工程中会成为巨大的麻烦,让看上去不错的理论结果迟迟无法成功落地,出现一时难以克服的大问题几乎是必然的。
这也是科研中常见的现象,实际搞研发的人一身冷汗,一堆问题等着解决,在加班加点绞尽脑汁。外界看见点苗头,就说得好象成功在即了,美国技术封锁马上完蛋了。有些人甚至把北京的加速器图片拉来说是光刻厂,其实完全不相干。
个人判断,SSMB-EUV是一个好方向,从理论上很有潜力,相比LPP-EUV光源优势明显。如果最终SSMB加速器建成,成功地提供EUV光源进行光刻,这确实是一个模式突破,从小型的EUV光刻机,变成靠大型装置解决问题。
但是最终成功还有两大步要跨越。一个是SSMB加速器落地雄安,产生出了高质量的EUV光源,搭建好以大科学装置为基础的研发平台。再一个是以优质的SSMB-EUV光源为基础,以量产为目标,研发适配的EUV光刻机,虽然难度应该比ASML的LPP-EUV光源的光刻机要低,但也是很困难的。
EUV光刻机有光源、工件台、物镜、激光干涉仪等关键部件,每个部件的开发都非常难。更困难的是,将所有部件组合成完整的系统时,互相匹配会很困难,甚至顾此失彼发生冲突。
一个研发选择是,清华SSMB加速器出光以后,不是直接研发EVU光刻机,而是先与DUV光刻机对接,光束能量损失较小,先在难度低一点的平台上完成阶段任务。
这几大步即使成功,时间不会太短。但是,中国在美国倒逼帮助下,开始想各种办法解决极为困难的科学与工程问题,许多人将奇思妙想与工程实现结合,这个过程将是激动人心的。越是困难的问题,成功的收获越是巨大,我们可以学习了解科学原理与技术背景,并耐心等待。
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