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吴梓豪:工信部指导目录中的光刻机到底是怎么一回事?
最后更新: 2024-09-17 15:39:00【文/吴梓豪】
这两天疯传工信部有关于光刻机以及其他芯片制造设备的指导目录,一时间全网掀起了一波讨论热潮。
其实这指导目录,工信部早在十多天前的9月2号就已经发布了。
而在9月10号,SMEE很凑巧地披露了一项名为“极紫外辐射发生装置及光刻设备”的发明专利,申请日期为2023年3月9日,申请号为CN202310226636.7,发明人为王伟伟等6人。
SMEE将去年2023年的专利在工信目录发表后几天正式对外发布,然后就是我们看到的后续,一系列国产光刻机全网火爆的连环讨论,一切真是凑巧。
本文主要针对光刻机技术作科普,希望读者们看完这篇文章后能对光刻机有个基本认知,减少被自媒体忽悠带节奏的可能。
光刻机依照光源不同,分为UV、DUV以及EUV三大光源类型,每个光源类型依照产生光的方式不同也有所区分。各种光源波长可参考下图:
光的波长(λ)是决定光刻机分辨率的第一关键要素,另外一个关键就是物镜系统的数值孔径(NA)。为啥这两个光刻机的核心数据可以决定光刻机的分辨率?答案就来自一个古老的公式——瑞利判据(Rayleigh criterion)。
这个公式很简单,就是简单的乘除,大家不妨试着计算下:
CD = k1*λ/NA
在瑞利判据中,分辨率决定了在芯片上可以实现最小的特征尺寸,所以我们把CD等同于分辨率R。
CD是线宽,即可实现的最小特征尺寸,λ是光刻机使用光源的波长,NA是物镜的数值孔径,也就是镜头收集光的角度范围。
k1是一个系数,取决于芯片制造工艺有关的众多因素,目前的工艺可以将k1推到0.25。
从公式了解,芯片想要实现更小的线宽,主要就是透过使用波长更短的光源、更大数值孔径(NA)的物镜,以及想办法降低k1。
有了瑞利判据,我们可以回过头看一下,工信部指导目录中最先进的那款氟化氩光刻机,波长193nm,但目录并没有提供NA值,只说明了分辨率达到65nm,所以我们可以从瑞判据65 = 0.25*193/NA,反推出国产光刻机的NA=0.75。
这样的数值孔镜水平,我们可以从上图国际主流光刻机种类看到,属于更上一代光刻机氟化氪KrF的水平,而国际主流的氟化氩ArF光刻机的NA值从20年前的0.8早已提升到0.93,接近利用空气折射的物理极限值1。
也就是说,工信部指导目录的这台国产最先进65nm光刻机,在技术指标上落后国际主流同水平产品超过15年以上,毕竟ASML或者尼康在15年前相同光源(ArF)光刻机的数值孔镜(0.8)就比咱们现在的0.75还要高。
下图借用“半导体综研”关牮老师的图表数据,大家可以更清楚地对比。
咱们第一代的国产氟化氩光刻机在NA落后于国际主流不要紧,毕竟是第一代,未来还有第二代、第三代。而且NA从0.75提升到国际一流水平的0.93,其实分辨率也只是从65nm提升到52nm左右,这种提升不如直接研发下一代的浸没式光刻机——这个思路是对的,但是技术需要一代一代的积累,要做浸没式光刻机,光源还是193nm波长的ArF这不需要提升(其实光源功率才是量产机的核心),但物镜本身必然是需要提升的。
浸没式光刻机就是将物镜与Wafer之间的介质从折射率n~1的空气,改成n=1.44的水(对应波长为193 nm的光),形同193nm波长等效缩小为134 nm。
如上所述,水的折射率为1.44,而ASML的DUVi能达到1.35的NA是在物镜NA为0.93的基础之上再利用水的折射率1.44得出的。也就是说,如果我们的浸没式也就是网民们所谓的28nm光刻机,在物镜NA值没有提高的情况下,利用水折射的浸没式光刻机也只能做到0.75*1.44=1.08的NA,无法达到ASML同款机型的1.35。
依照瑞利判据,ASML的浸没式分辨率可以达到36nm,而国产同样的浸没式只能做到0.25*193/1.08=45nm,如此水平的光刻机肯定无法达到网友所说的28nm,所以提高物镜本身的sinθ是一切的基础。
长光所孵化的国望光学,正在攻关浸没式物镜系统(0.85),以求在之前通过02专项(国科)0.75 NA的基础上更上一层楼。其北京洁净车间去年完工进驻,NA 0.85的物镜系统正紧锣密鼓地攻关中,我们期待国望能很快有好消息,0.85的物镜未来研发完成之后再继续朝国际主流的0.93迈进。
初代的国产浸没式光刻机需要从干式来演变与进化。也就是说,干式光刻机没有达到一流水平,下一代的浸没式光刻机也同样没办法。干式光刻机的物镜水平是基础,我们得先完全这个基础的攻关,才能往下推进,目前国产物镜系统的现况还没法达到。
- 原标题:吴梓豪:工信部指导目录中的光刻机到底是怎一回事? 本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑: 李泠 
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