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阿斯麦 ASML 最先进 DUV 光刻机有多快:12 秒完成一
2021-09-26 15:12:54

  8 月 24 日消息 据 ASML 官方科普,从光源开始,沿着光路包括照明模组、投影物镜模组以及浸润式光刻,另外在光刻机内,还有另一个“大神”,它聚集了光刻机中最重要的运动部件,是系统的机械“心脏”,它就是晶圆平台模组(Wafer stage module)。

  ASML 表示,在这样一个争分夺秒的行业里,时间就是金钱。ASML 也一直在追求光刻机极致的速度,目前最先进的 DUV 光刻机,每小时可以完成 300 片晶圆的光刻生产。

  换算一下,完成一整片晶圆只需要 12 秒,这还得扣除掉晶圆交换和定位的时间,实际光刻时间要更短。而一片晶圆的光刻过程,需要在晶圆上近 100 个不同的位置成像电路图案,所以完成 1 个影像单元(Field)的曝光成像也就约 0.1 秒。

  所以大家看到的动画其实都是慢动作了。要实现这个成像速度,晶圆平台在以高达 7g 的加速度高速移动。7g 加速度是什么概念呢?F1 赛车从 0 到 100km/h 加速约需要 2.5 秒,而晶圆平台的 7g 的加速度,若从 0 加速到 100km/h 只要约 0.4 秒。

  据悉,光刻机的准,是包括水平方向和垂直方向的。在水平方向上,芯片制造是一层层向上叠加的,最高可达上百次叠加。

  每一次的叠加,都必须和前一次完美重叠,重叠的误差,称为套刻精度(overlay),现在的要求已经到了 1~2 纳米。而晶圆从传送模组传送并放置在晶圆平台上,会产生一定的机械误差,而精密机械的误差是微米等级(1 微米 = 1,000 纳米),也就是说每片晶圆上了晶圆平台,总是有个数千纳米以上的偏移。

  要怎么才能做到每次的叠加套刻精度在 1~2 纳米呢?

  从垂直面上,由于光刻机的投影物镜太巨大,在对焦点上下可接受的清楚影像范围小于 100 纳米。而从微观的角度来看,晶圆表面是高低不平的,若累加晶圆平台的高低差,在晶圆表面不同位置的光阻高度可以相差 500~1,000 纳米。

  这些巨大的偏移和高低差,使得每次曝光之前,必须针对每片晶圆做精密的量测,截取到晶圆每一个区块纳米等级的微小误差。在曝光阶段实时校正,达到纳米等级的准度。

  双晶圆平台也是 ASML 光刻机为了同时达到快和准所发展出来的。精准量测不可少,但需要花不少时间,双晶圆平台在一个晶圆平台在给晶圆进行曝光时,另一个平台可对下一片晶圆进行量测校正。实现测量和曝光的无缝衔接,极大地提高了生产效率。

  在保证了快和准之后,还要考虑到机台的稳定程度。

  光刻机以极高的加速度进行扫描曝光(scan), 在不到 0.1 秒的时间,又要急停并回头往反方向扫描,这么大的力量如果不做控制,会让整机产生振动,是不可能达到完美成像的。ASML 光刻机利用所谓的 balance mass 来吸收平衡晶圆平台所施加于机座的反作用力,完美平衡,整座机台完全静止,稳如泰山。

  晶圆在量测端完成了极精密的量测,还需要在极短的曝光时间内,完美定位,这就要靠精密机械运作,和实时的定位校正了。ASML 光刻机可实现每秒两万次量测定位校正,以精度达到 60 皮米(0.06 纳米,比一个硅原子还要小)的传感器确认精准定位。

  ASML 最先进的 DUV 光刻机,每天可以光刻 6,000 片以上的晶圆,也就是每天要来回扫描 60 万次以上。如何做到 24 小时运作,365 天全年无休,依然维持纳米精度?晶圆平台难道不会磨损吗?事实上晶圆平台是采取所谓无接触移动的。讲得玄一点,晶圆平台在成像扫描过程中,都是飘浮在空中快速来回运动的。ASML 晶圆平台的悬浮技术有两种,Twinscan XT 的气浮方式和新一代 Twinscan NXT 的磁悬浮方式。借由无接触的移动方式,达成极高速的运动和持久稳定的运作。

  ASML 结合了精准量测、精密机械、精准定位、光与磁的掌握,以及水的完美运用,一步步打造出了独步全球的光刻机,从而让摩尔定律得以延续。

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