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從未存在的“7nm”光刻機

【TechWeb】2020年8月28日,隨著近年來芯片行業的發展,大眾對于光刻機的關注度越來越高。媒體和廠商也更加頻繁地使用“7nm光刻機”這樣的關鍵詞來進行宣傳。但事實是:從來就沒有什么救世主,也沒有7nm光刻機。

7nm只是一種工藝的代號,它和光刻機本身是不掛鉤的。按照一般人的理解7nm光刻機就是指能制作7nm工藝的光刻機,這個命名方式乍看起來很合理,實際上漏洞百出。

截取自中芯國際招股書

舉個例子,在中芯國際財報中,公司透露了會將部分生產28納米芯片的設備轉用于生產其它制程產品。假設中芯國際用于生產28納米芯片的光刻機將來用于生產45納米芯片,那么這臺光刻機原來應該叫“28nm”光刻機,就因為它生產了45nm芯片,那么他就應該變成更為落后的“45nm”光刻機了?那如果將來它再回來生產28納米芯片,那么它就又升級成了“28nm”光刻機?但整個過程中光刻機的本質并沒有改變啊。

武漢弘芯不是什么救世主

近期網絡上所謂關于武漢弘芯的“7nm”光刻機抵押在銀行的消息,鬧得沸沸揚揚。但這真的是“7nm”光刻機嗎?

武漢弘芯半導體制造有限公司(HSMC)于2017年11月成立,總部位于中國武漢臨空港經濟技術開發區。公司匯聚了來自全球半導體晶圓研發與制造領域的專家團隊,擁有豐富的14納米及7納米以下節點FinFET先進邏輯工藝與晶圓級先進封裝技術經驗。

值得說明的是,14納米及7納米的相關工藝經驗來武漢弘芯中來自臺積電等公司的“前員工”,并不是指公司已經具備了相關的生產技術。

截取自武漢弘芯官網

在官網的項目時程中,武漢弘芯14納米工藝大概會在2020年下半年開始測試流片,其7納米工藝在2020年開始研發。而中芯國際在2019年時,其14納米工藝已經實現量產。

另外關于武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機,根據相關消息此光刻機已被抵押。

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數據來自天眼查

根據天眼查上的數據,我們可知武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機實際型號為TWINSCAN NXT:1980Di。2019年12月22日,武漢弘芯半導體舉行了首臺高端光刻機設備進廠儀式,就是為了迎接這款光刻機。

數據來自ASML

從ASML官網的數據中我們可以看到,這款2015年推出的光刻機光源波長為193nm,屬于DUV光刻機。且從官網的型號表上可以看到,這款光刻機并非“最優秀”的DUV光刻機。

ASML官網上的一款EUV光刻機

要是想制造工藝尺寸更小的芯片,換光源是比較直接且立竿見影的辦法。因此國外為了阻礙我國尖端芯片制造產業的發展,極力限制我國進口波長大致為13.5nm的EUV光刻機,但對于技術相對落后的DUV光刻機限制并不大。2020年3月4日,中芯國際從荷蘭ASML進口的一臺大型光刻機已順利進入深圳廠區,據悉此臺光刻機即為DUV光刻機。

關于武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機的命名問題,這款光刻機是否真的能做到7nm工藝呢?目前已有一家中國企業可以用同樣水平的DUV光刻機制造7nm工藝的芯片,這家中國企業名為:臺灣積體電路制造股份有限公司。其中臺積電第一代7nm工藝N7和第二代7nm工藝N7P均采用了DUV光刻機制造,但是為了更好的性能,其第三代7nm工藝N7+則采用了更為先進的EUV光刻機制造。

在這其中其實還有一些偷換概念的問題,舉個例子:文森特·梵高是一名著名的畫家,他的畫作價格不菲,甚至有些畫作價值過億。不過梵高早年窮困潦倒,使用的畫筆也很普通,但這并不影響梵高用普通的畫筆創作出諸多優秀的畫作。那么這時如果有一個人買到了梵高同款的普通畫筆,他就能成為梵高嗎?他就能創作出價值過億的畫作嗎?

光刻機只是半導體制造工藝的開始,武漢弘芯已經有了臺積電同款“畫筆”,那么武漢弘芯能否做出同款的“N7”和“N7P”呢?

偷換概念的“7nm”光刻機:業界原本的分類

業界對于光刻機主要是根據其使用光源進行命名和分類。比如現在處于尖端地位的EUV(extreme ultra violet)光刻機,這類光刻機使用了極紫外光作為光源。目前業界的EUV光刻機大多使用的是波長為13.5nm左右的極紫外光。

另一種業界比較主流的光刻機就是DUV(deep ultra violet)光刻機了,這類光刻機使用的是深紫外光作為光源。目前業界的DUV光刻機大多使用的是波長為193nm的氟化氬準分子激光(ArF excimer laser)或者波長為248nm的氟化氪準分子激光(KrF excimer laser)作為光源。

光刻機只是個開始

相信大家都注意到了,市面上主流的DUV光刻機光源的波長只有193nm,而現在主流的芯片制造工藝都已經到了14nm。如果要用193nm的光源刻出更細的線條,這還需要更多的技術支持。

我們可以通過這個公式來大致看一下193nm的光源能刻出的工藝分辨率,其中:

R,分辨率,比如90nm、65nm、45nm之類。

λ,激光的波長,現在業界已經從248nm過渡到了現在最常用的193nm,還有更為先進的13.5nm。

n,為介質折射率,空氣約1,水約1.44。

NA,為數值孔徑,和鏡子大小,以及距離有關。

k1,系統常數,代指掩膜等相關技術。

所以通過這個公式我們可以大致計算出,在一般情況下193nm波長的光源分辨率也就能做到60nm左右(相關系數取一般值,此結果僅供參考)。那么接下來的問題就是如何突破這個所謂的“一般情況”了。

對此業界大體有兩種解決辦法,浸潤式光刻和多重曝光。

浸入式光刻技術是在2000年初首先由麻省理工學院林肯實驗室亞微米技術小組提出,他們認為在傳統光刻機的光學鏡頭與晶圓之間的介質可用水替代空氣,以縮短曝光光源波長和增大鏡頭的數值孔徑,從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為1.44:1如果用水替代空氣,相當于193nm波長縮短到134nm,如果采用比水介質反射率更高的其液體,可獲得比134nm更短的波長。

簡單來說就是運用了惠更斯原理,讓光從一種介質折射進入另一種介質,那么在分界點相當于一個波源,向外發散子波。也就是說在這個過程中光的波長發生了改變,通過這種方式我們獲得了一個波長更小的光源。

一種多重曝光的流程示意圖

另外一種技術就是多重曝光了,在圖中最上面是已經經過一次Patterning的保護層(綠色,如SiN)再加上一層光刻膠(藍色)。光刻膠在新的Mask下被刻出另一組凹槽(中間)。最后光刻膠層被去掉,留下可以進一步蝕刻的結構。

簡單來說就是將本應一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來制作。比如要刻幾條等間距的線,單次曝光可能只能刻出間距100nm的線,那么這時候稍微再移動大概50nm再刻一次,這時候線與線的間距就變成50nm了。

當然除了浸潤式光刻和多重曝光,還有很多技術可以幫助進一步減小半導體制造工藝中的關鍵尺寸。但是比起用各種技術優化,直接更換光源會有較大的提升,即從波長為193nm的DUV光刻機換成波長大致為13.5nm的EUV光刻機。

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