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制造一台光刻机,究竟有多难?

撰文 | 王智豪(中国科学院长春光学精密仪器与物理研究所)

在通讯和网络相关领域中,芯片起着至关重要的作用。由于众所周知的原因,大众对于芯片制造行业越来越关注。

图片来源:veer图库

我们常说的芯片也就是集成电路,是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件“集成”在一块半导体单晶片上,并封装在一个保护外壳内,这种复杂的电子系统能执行特定功能。而纵观整个芯片制造流程,其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。

 

为什么是7nm

“10nm”“7nm”“5nm”这些词大家想必都不陌生。2018年,中微半导体成功研制7nm的刻蚀机,这是国产造芯的一大进步。(但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力,原因后面会讲到。)

 

这些数字指的是什么?为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢?

芯片界有一个著名的定律——摩尔定律,即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍,当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢?当然就是把晶体管做小,提高晶体管密度。

 “7nm”中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度,它也是区分半导体加工技术换代的重要标志(当然现在的命名更多的是代表技术迭代,其实是要长于7nm的)。想把晶体管越做越小,自然需要更精密的刻刀——光刻机,所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。

光刻的原理非常简单,和胶片相机的原理很相似。光线通过刻有电路图案的板子(我们可以叫他掩模版),硅片上的光刻胶曝光,曝光后的光刻胶会发生性质变化,从而将掩模版上的图案复制到硅片上。原理简单,难的是如何实现更精确的光刻。

光刻不难,难的是更精确地光刻

光刻机种类主要分为三种。

第一种是接近接触式光刻,这也是结构最简单的光刻机。将掩模版与被刻基片尽可能接近,然后紫外光会对光刻胶进行曝光。它最大的问题在于:如果要制造芯片,就必须制作同等精细度的掩模版(变成了套娃)。此外掩模版可能与光刻胶直接接触,可能对芯片造成污染。因此这种光刻机只能达到微米级。

第二种是直写光刻,直写光刻就像是打印,直接用强激光束将所需电路一点点刻出来,听到这里你可能已经发现了它的缺点,太慢了。纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低,不适于工业化制造。

第三种是目前芯片最主要的光刻方式,也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻,它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。和直写光刻的打印过程不同,光学投影式光刻就像是复印,掩模版上的图案经过光学系统投影后被缩小,再曝光到硅片上,就能实现最小纳米级的雕刻工艺。但是光学投影式光刻机问题是结构复杂,价格昂贵

光刻机种类丨图片来源:科普中国

如何实现更精确的光刻呢?这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。提高分辨率不仅要在理想情况,追求衍射极限;还要面对实际,尽量减小像差。

光学设计难题一:追求衍射极限

如果我们在物体上取两个相近的点,经过系统成像后平面上有两个光斑,如果两个点距离逐渐靠近,两个光斑将逐渐变成一个光斑,这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了,这就是分辨率不足的体现。

要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值,这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于

时,成像系统所成的像将无法分辨这两个点,而是把它们当作一个点,这个边界也称为衍射极限。如果光刻中超过衍射极限,则刻蚀出的芯片就不那么精准了,自然无法实现设计的功能。因此,科学家就努力在衍射极限的边缘反复试探。

瑞利判据丨图像来源:光电学堂

根据瑞利判据的公式:

(式中,CD为最小分辨的宽度,λ是光源的波长,NA是投影透镜的数值孔径,它主要与环境折射率有关)。要想提高分辨率,要么减小光源波长,要么提高数值孔径,而无论哪一种方法都难如登天。

 

方法一:减小光源波长。

光源的波长越小分辨率越高,但是制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻,能达到的极限尺寸只有250nm左右。随着技术的发展,光刻使用了波长193nm的深紫外光(DUV),只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。但是,氩(Ar)是典型的惰性气体,与几乎所有物质都不发生反应,只有氧化性最强的氟(F)元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子,难度可想而知。

目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm,被称为极紫外光(EUV)。想激发出极致波长的光源,自然需要极致的办法。

光刻机采用的方法是激光等离子体型光源,即利用高功率的激光击打金属锡,产生高温高密度的等离子体,辐射出极紫外光。其实这种方法很久之前就被证实,但是起初用的是锡板,而且只用激光激发一次,产生的光源强度很低,无法作为光刻的光源。经过十几年的研究,科学家诞生了一个天才的设想,锡板不行那用熔化的锡,一次不行,就打两次。锡金属被熔化形成直径只有20微米的液滴,并且在真空环境中自由下落。在下落过程中,首先是193nm的深紫外光,将锡液滴打成云状,紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它,并激发出EUV。下面是ASML的EUV宣传视频,真的太震撼了。

EUV的诞生丨来源:ASML宣传片

仅仅是产生光源的难度就令人难以想象。首先两次光源需要准确击打到正在自由下落的金属液滴中,难度就好像用乒乓球击打空中的苍蝇,还是两次。而且激发产生的光转瞬即逝,因此需要每秒钟激发约50000次。此外,高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也是相当大,所需电源功率达到了200kW。那么如此高功耗的光所激发的极紫外光的功率多大呢?大约210W,效率只有5.5%,这还是经过数次技术的迭代实现的最高水平,要知道最初的发光效率仅有0.8%。

EUV每秒钟激发50000次丨图片来源:ASML官网

有一些同学会问,x射线波长更短,为什么不用x射线做光刻的光源呢。确实x光做光源可以实现非常窄的刻蚀,但现在的相关应用更多用于直写光刻,效率不高。最大的问题在于它的穿透性太强了,用普通透镜无法进行放大缩小,因而无法实现光学投影式光刻。

 

方法二:提高数值孔径

人们能采取的方法主要就是改变环境的折射率(折射率越大,数值孔径就越大),于是浸入式光刻机应运而生。浸入式光刻概念其实早就有了。1999年,IBM使用257nm的浸入式干涉系统制作出精度89nm的图形,但未进行深入的研究。

2002年以前,业界普遍认为193nm的光源无法实现65nm的分辨率,而157nm光源将成为主流技术。然而,157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光能,只有CaF2 勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头精度很难控制,难度极高,价格也相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短,频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。

正当众多研究者在157nm光刻面前踌躇不前时,中国台湾人林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波长下是不透明的液体,但是对于193nm的波长则是几乎完全透明的。并且水在193nm的折射率高达1.44!如果把水当作相当理想的浸入液,配合已经十分成熟的193nm光刻设备,那么设备厂商只需做较小的改进,就可以实现更小的分辨率。相比于真空介质下分辨率只能达到65nm,浸没超净水介质的光刻机理论上可以达到22nm甚至更低的分辨率。

现在人们正在寻找除水以外具有更大折射率的液体。但这种液体要求非常严格:与光刻胶没有反应,光透过率高,折射率高,还要稳定。目前已研发出的第二代浸入液的折射率为1.64。

你可能觉得把整个光学系统浸没在水中很简单,但其实它有很多复杂的问题需要解决:浸入液如何充入、会不会对镜头造成污染,光刻胶在液体中的稳定性,会不会产生气泡,液体如何保证高纯度等。科学家解决了这些所有问题,才让浸入式光刻机目前成为芯片生产中最广泛使用的光刻机之一。

 

光学设计难题二:精确成像

在现实中,除了要尽力追求衍射的极限,还要严格控制像差。

像差可以理解为理想的成像与实际成像的差距。控制像差一般需要很多透镜共同作用,例如一个单反镜头有五到七枚透镜共同成像。那光刻机需要多少枚镜头呢,答案是29枚。

近60个光学表面,最大直径达到80厘米,500kg的重量,组成了DUV光刻机的投影物镜。并且每一枚镜头的平整度非常高,如果将镜头放大到中国东西距离那么大的直径,加工产生的高低起伏误差比乒乓球直径还要小。所有的镜头都只是为了尽可能完美地成像,将掩模版精确地复刻在芯片上。

DUV光刻机投影物镜丨图片来源:光学系统Layout

DUV光刻机丨图片来源:ASML官网

EUV光刻机难度更高了。极紫外线又称为软x射线,听名字就知道,它的穿透性也很强,因此DUV所用的透射式系统无法使它偏折。对于这么难搞的光源,我们只能使用全反射的投影系统。此外波长越短的光,越容易被吸收。几乎任何物质对于EUV都是强吸收,甚至空气都能吸收它的能量,因而整个光刻间都要处于真空状态,以尽量减少光能的损耗。

EUV全反射投影系统丨图片来源:ASML官网

EUV所需要用到的镜子是具有极高精度的钼/硅反射镜。反射镜需要多精准呢?

首先它不仅需要提高对EUV的反射,还能吸收杂光。因此它上面镀了四十层膜,主要是钼和硅的交替纳米层制作的。其次是平整度,它的表面需要几乎完美的光滑与干净,每个原子都要在正确的位置,比DUV更离谱,如果将反射镜放大到地球这么大,那它上面只能有一根头发丝直径的小凸起。别忘了这还是镀数十层膜后的光滑度,意味着每一层膜都要更加平整。这可能是宇宙中最光滑的人造结构了。

即使是这样的镀膜水平,每个镜片依然会对EUV有30%的吸收率,而整个反射系统需要十一枚反射镜,因此真正用于光刻芯片的光强只剩下2%。

除了光学,还有其他挑战

上面描述的内容是否让你感到震惊?但这只是光学设计部分,还有大量挑战极限的事情。

比如镜片吸收光会产生热量,因而要对系统进行冷却,那如何解决过程中的振动导致精度问题呢?高分辨率的光刻自然需要高分辨率的光刻胶,如何制备呢?锡微流体如何精确控制大小与流速?整个体系如何确保高精密的机械控制?如何保证整体的可靠性呢?

这一切问题都需要系统中任一部分完美配合才能达到,因此EUV光刻机要比你想像的大——大约一辆公共汽车那么大。整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆。每台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车——卖家是不可能包邮的(狗头)。

而且,要制造芯片仅有一台光刻机可不够,它的工作环境非常挑剔。首先光刻需要的房间全部为纯净的黄光,因为短波长的光会造成光刻胶变性,无法实现功能。因此黄光对于光刻,就像暗房对于胶片一样。此外,光刻所需的无尘环境要求每立方米的空气中不能有超过10个颗粒,并且颗粒大小小于0.5微米,每小时要净化30万立方米的空气。厂房对地基要求也很严格,不能有任何微小的振动,因而某种意义上讲厂房需要类似“悬浮”。光刻需要的电能也达到非常恐怖的量级,一台EUV工作24小时,耗电量达到3万度。

EUV光刻机丨图片来源:ASML官网

于是你现在知道了,为什么我们拥有了7nm的刻蚀能力,也不等于能够制造7nm的芯片。

毫不夸张的说,光刻机是在挑战人类文明的极限,是人类工艺的巅峰之作。

 

结语

现在让我们思考一个问题,国产光刻机及自研芯片的前路在哪里呢?

根据前面的科普,大家或许能了解制造光刻机的难度。光刻机目前不是任何一家公司或者国家能够独立研发的,ASML的全球供应商达到了五千家,遍布世界各地。由于《瓦森纳协定》,美国限制对于中国的光刻机出口,中国只能进行自主研发的道路,这将是一条充满荆棘的道路。

但是正如钱学森先生所说:外国人能搞,我们中国人就不能搞?原子弹如此,光刻机也如此。甚至连ASML总裁皮特韦尼克都说:只要15年,中国就可以自主生产,届时ASML将失去所有的中国市场。制造光刻机的重任肩负在年轻人身上,我们要不辜负上一代人的期盼,大众也要对国产芯片产业的未来充满信心。


参考文献

[1] 美国专利-US20100323299A1   文献-光学系统Layout

[2] 美国专利:US20070070322A1   文献-光学系统Layout

[3]  ASML公众号

[4]https://www.asml.com/en/technology/lithography-principles/light-and-lasers

[5]http://www.coema.org.cn/study/li/20190220/142629.html

 

本文经授权转载自微信公众号“科学大院”。

 



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