EUV与真空:半导体光刻工艺中不可或缺的真空系统

2024-09-11 09:30:34 LH 316

以下文章来源于真空聚焦 ,作者真空聚焦

我们都知道,半导体芯片产业链分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,是IC制造的核心环节,也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。 

芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻,耗费时间约占整个硅片工艺的40~60%,成本极高,约为整个硅片制造工艺的1/3。 

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▲ 通过激光或电子束直接写在光掩模板上,然后用激光辐照光掩模板,晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变,通过显影,便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

而 DUV / EUV 则是光刻工艺的核心设备,也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平,DUV / EUV 也被誉为半导体工业皇冠上的明珠

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作为现今世界上最尖端的技术之一,DUV / EUV 只有极少数国家掌握其技术核心。目前世界上最好的设备来自荷兰的 ASML 

根据所用光源改进和工艺创新,DUV / EUV 经历了5代产品发展,每次光源的改进都显著提升了其所能实现的最小工艺节点。在技术节点的更新上,DUV / EUV 经历了两次重大变革,在历次变革中,ASML 都能抢占先机,最终奠定龙头地位。 

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▲ ASML Twinscan 简易工作原理图:在IC制作过程中,光束穿过掩模及镜片,经物镜补偿光学误差,将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上,然后显影在硅片上。激光器作为光源,物镜补偿光学误差,是设备的核心设备,其中物镜系统一般由近20个直径为200~300mm的透镜组成。

TWINSCAN NXT:2000i DUV(双工作台深紫外)是 ASML 最先进的浸没式光刻系统 ,是 EUV 前的重要过渡产品,也是后期7nm/5nm产能的重要补充。

在2023年12月份,ASML 对外宣布,已经正式交付了首台 2nm EUV 。据悉,每台新机器的成本超过3亿美元,体积有一整个卡车车箱大小。

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顶级的 EUV(极紫外)有10万个零部件,其中包括主要的四大件双工件台、光学系统、控制软件、物镜系统

与 DUV(深紫外)不同,EUV 必须在真空条件下操作。这是因为两者的光路系统及光源不同。DUV 光路主要利用光的折射原理,EUV 则是利用的光的反射原理;DUV 使用193nm波长的紫外光源,而 EUV 则以波长为10-14nm极紫外光作为光源。

极紫外光极易被介质吸收,在空气中容易损耗,只有真空才能最大程度保证光源能量不被损失。真空环境可以减少空气流动波和空气折射率引入的测量差。对于 EUV 来说,需要使用精密反射光学器件和整个光束路径的真空密封。

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所以,EUV 的生产也需要专属真空解决方案。以全球半导体行业真空解决方案供应商 Edwards 为例,Edwards 在2021年发布的“Understanding the integrated vacuum challenges of HVM EUV Lithography说明:过去11年中,已经发出超过120个 EUV 专用真空系统,并且完成安装70多个 EUV 集成真空系统

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 TechInsights 发布2023年十大半导体设备商的排名,Edwards 与 ASML 一同上榜,位列第四。


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另外,真空系统也会应用于对 EUV 的氢气回收。

在 EUV 工作过程中,需要使大量的氢气作为气氛气体流动,以防止锡氧化。同时,氢气也可以防止颗粒污染物沉积在反射透镜的表面上,确保关键光学器件不受污染

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▲ EUV 工作过程示意图:① CO2激光脉冲被放大到高功率,输出超过30kW平均脉冲功率的激光数,其脉冲峰值功率可高达几兆瓦;②③ 不断滴下的锡珠被激光束击中成为一个发光的等离子体,发射出波长为 13.5nm 的极紫外光;④⑤:极紫外光聚焦后,通过反射透镜首先传输到掩模上,然后照射到晶圆基片上。

由于氢气在空气中易燃,因此引起了人们对安全和环境的高度关注。所以 EUV 真空系统中不仅有专为 EUV 工艺设计的真空泵,还需要装配氢气回收系统(HRS),以回收和再利用大部分(至少 70%)的氢气,减少 EUV 运作时的能源消耗。


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除了上述 EUV 设备内部需要真空环境外,其所需的光学配件在制备过程中也需要真空技术。比如 EUV 反射镜的多层反射层,就需要高精密的真空镀膜机。下图中的 NESSY series 就是生产X射线或 EUV 光谱范围内反射镜的理想设备,其所需真空度< 9×10-7 Pa

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 NESSY 系统构造:1:Heated load lock 加热负载锁;2. Handling for loading/unloading 装卸装置;3:Planetary substrate drive with sub-rotation and speed profiles 行星基板;4:Chamber lid for ease in service  维修腔体;5:Magnetron-sputtering cathodes PK 600 磁控溅射阴极PK 600;6:Adjustable sputter distance 可调溅射距离;7:Cryo pump 低温真空泵;8:Dry pre-vacuum pump set 干式前级真空泵组

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