国产光刻机突破28nm了吗
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作者 前台积电建厂专家 Leslie Wu
编辑 苏扬
工信部的一份文件，再次将国产光刻机研发推入公众视线。
9月9日，工信部旗下账号“工信微报”披露了工信部于9月2日签发的关于印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》的通知文件（如下图）。
通知文件的“电子专用装备”的 项即“集成电路生产装备”，其中明确提到氟化氪（KrF）光刻机和氟化氩（ArF）光刻机的技术指标，尤其是氟化氩光刻机，文件标明其波长为193nm、分辨率≤65nm、套刻≤8nm，这也被外界理解为国产DUV光刻机取得重大突破，甚至传出了国产DUV光刻机突破8nm工艺的说法。
那么，工信部的这份通知，提及的国产光刻机技术指标到底代表什么？
由于出口管制等特殊原因，这两年光刻机频繁被提及，科技人群或多或少对光刻机有一定了解。
一句话总结，光刻机就是通过特殊的工艺，将图案微缩之后，投影在硅晶圆上并刻蚀晶体管电路，进而实现芯片制造。
光刻机依照光源不同，可以分为UV，DUV以及EUV三大类型。
每个光源类型依照产生光的方式不同也有所区分，各种光源波长可参照下表：
*表1，不同光源类型的光刻机对应的核心技术指标
工信部的通知提到的两款设备，对应的就是采用深紫外光的KrF和ArF Dry两个类型的DUV光刻机，只是 文件用了中文氟化氪、氟化氩来标记。
光刻机光源不同，波长对应会有差异，波长越短，可以实现的分辨率就越高，比如氟化氪光刻机，采用248nm光源，支持0.11μm-0.8μm分辨率芯片的生产，而采用193nm的氟化氩干式光刻机，则可以实现65nm-0.11μm这样更高的分辨率。
另外一个关键就是物镜系统的数值孔径(NA)，这两个指标之所以关键，这源于 知名的公式—— 瑞利判据，即CD =k1*λ/NA。
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代表光刻机物镜的数值孔径，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。
按照公式，如果芯片制造要实现更小的线宽，即CD值越小，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。
比如现在的EUV极紫外光刻机，光源波长只有13.5nm，同时A L也在不断地推出更高数值孔径的EUV光刻机，以用于7nm甚至更高工艺制程芯片的制造。但要注意，3nm芯片自下而上大概上百层，对分辨率的要求也自高到低，EUV光刻机只是负责最下面的20多层，其余则由DUV光刻机来配合。
据我们从产业内了解的消息，工信部通知提及的光刻机，可以实现0.25的K1值。按照瑞利判据，65=0.25 ×193/NA , 可以反推出国产光刻机的数值孔径为0.75。
*表2，A L不同光源光刻机的主要技术指标，数据来源：半导体综研
数值孔径相对较低，对 代产品来说可以接受，毕竟未来还有第二代、第三代。
不过，即便是在现有的ArF光源光刻机上对数值孔径进行迭代，从0.75一路拉倒0.93的水平，分辨率也不过是从现在的65nm，提升到将来的52nm，远不及所谓的“28nm光刻机”。
所以，在数值孔径这个路径上去做迭代有收益，但还不够，我们也需要在浸没式光刻机上面尝试更多的突破，实现两条腿走路。
浸没式ArF光源本质上没有变化，还是193nm（光源功率才是量产机核心），只不过是在光刻机物镜和晶圆之间加入了超纯水，折射率提升到了1.44，变相的将193nm波长，等效缩小为134nm，进而提升了光刻机的分辨率。
为什么会这样？
前面说了，瑞利判据即CD =k1*λ/NA。由于加入了水的折射，我们可以对其做个变型，CD =k1*λ/nsinθ，其中n就是水的折射率，sinθ为光刻机镜头与成像面的夹角正弦值，nsinθ等于数值孔径NA。
* 图2：光线通过透镜系统聚焦成像示意图，n为介质折射率，θ为镜头的聚光角度
表2里提到的A L 2100i，因为是浸没式光刻机，n即1.44，物镜的sinθ值为0.93，而这台设备的K1值为0.28。
按照变形后的公式，2100i光刻机的CD=（0.28×193）/（1.44×0.93）=54.04/1.3392≈40nm，这是大家平时口中说的“28nm光刻机”的分辨率。
国产光刻机直接升级成浸没式，在数值孔径没有提升的情况下，表现如何？
继续套用公式，其CD=（0.25×193）/（1.44×0.75）=48.25/1.08=44nm，仍然到不了“28nm光刻机”的分辨率要求。
所以，回到前面说的，我们不仅要投入浸润式光刻机研发，也需要在镜头上去突破，提升物镜的sinθ值，提升数值孔径。
一个好消息是，已经有公司在攻关0.85数值孔径的浸没式物镜系统。如果攻关成功，我们的光刻机分辨率有望达到39.41nm，真正突破“28nm工艺”所需要的40nm分辨率。
这次工信部的文件中，物镜相关的数值孔径没有披露，值得后续关注。
要知道， 代浸没式光刻机都需要从干式演变进化，如果干式光刻机物镜的数值孔径没有达到一流水平，浸没式光刻机也同样没办法。
前面提到过，浸没式光刻机的原理就是超纯水放置在镜头底部和晶圆之间，理论上容易但工程落地相当麻烦。
首先是要完全 超纯水中的气泡。其次，要 由于透光区和遮蔽区的温差带来的液体表面不均匀的问题， 这个问题的路径是让超纯水快速流动，但这也会产生旋涡。要超纯水快速流动，还不能产生旋涡，属于既要又要，是个很难的工程问题。
图3，林本坚研发的浸没式光刻机镜头系统演示
单单浸液系统，在台积电南科专门给A L的厂区，与林本坚团队耗时2年，修改了7-8回才实现突破。
Alpha机完成后的Beta阶段，还得组织庞大的人力在晶圆厂里面浪费无数晶圆，将原本上千个缺陷，降到几百个、几十个，最后降为零，这是一个艰苦的过程。
如果分辨率只有65nm，还有其他办法可以进一步提升吗？有。
前面提到瑞丽判据，CD =k1*λ/NA，除了波长、NA数值孔径这两个指标外，K1不断地缩小也能实现分辨率提升。
降低K1，是晶圆厂光刻工艺工程师们工作的重中之重，工程师们创造了许多令人赞叹的技术来降低K1，包括相移光罩、模型光学临近效应修正、过蚀刻、反演光刻等。
按照林本坚《光学微影缩IC百万倍》讲座中的介绍，降低k1首先要“防震动”，就好像手机拍照防抖，在曝光时设法减少晶圆和光罩相对的震动，使曝光图形更加精准，恢复因震动损失的分辨率。再来是减少曝光时液体表面的“无用反射”。
改良上述两项 , K1基本可以降低到0.65的水平。
降低K1提高分辨率，还可以使用双光束成像的方法，包括偏轴式曝光及移相光罩。
偏轴式曝光是调整光源入射角度，让光线斜射进入光罩。透过角度的调整，让这两道光相互干涉来成像，使分辨率增加，并增加景深。移相光罩则是在光罩上动些手脚，让穿过相邻透光区的光产生180度的相位差。
两种做法都可以让K1减少一半，不能叠加使用。
将K1降到0.28，几乎是上述所有技术所能做到的极限了。如果还要进一步降低，就需要在曝光时用两个以上光罩，也就是大家耳熟能详的多重曝光(如下图) 。
图4：光透过白色孔照射在晶圆的光刻胶上呈现 圆点，借助2个光罩分两次曝光，以实现分辨率的提升
用最通俗的话来说，它将密集的图案分工给两个以上图案较宽松的光罩，轮流曝光在晶圆上，实现分辨率的提升。
不过，因为曝光次数加倍 , 在WPH（每小时晶圆产量）不变的情况下 , 晶圆产出效率降低了一半，而多一次曝光也将导致良率的降低。
透过双重曝光，可以将K1从0.28降到0.14，甚至四重曝光的0.07。
还是以2100i光刻机为例，各种Buff叠满之后，其理论的CD=（0.07×193）/（1.44×0.93）=13.51/1.3392≈10nm，注意是10nm指的是分辨率，对应的是2nm工艺，用大家的话说，“28nm光刻机造2nm”。
既然多重曝光这么好用，国产65nm ArF光刻机的分辨率，能否通过多重曝光的方式提高分辨率？暂时不能。
多重曝光是一个技术手段，需要满足很多工程条件，比如套刻精度，简单理解就是芯片不同层次之间曝光形成的误差。
目前，单次曝光套刻精度的控制窗口大概是分辨率的20%-25%，所以65nm分辨率的产品，需要至少13nm的套刻精度，国产设备的套刻精度是8nm，符合这个标准。
但需要注意，8nm是出厂标准，是在标准光片上的结果，在晶圆加工过程中由于各种工序带来的误差，上产线后会比出厂标准低不少，这一点A L或尼康都一样。也就是说，国产设备的8nm标准指标，落在现实产品上也就差不多11-12nm。
而要做双重曝光，套刻精度必须在分辨率20%-25%的基础上，再降一半，从13nm下降到6.5nm，当前8nm套刻精度这个指标理论上已经无法满足要求。
所以要在这台国产设备上通过多重曝光提高分辨率，未来的迭代，套刻精度就得再更进一步。
