小光刻機(jī)——高端前道量測(cè)設(shè)備

光刻機(jī)——人類工業(yè)設(shè)備皇冠上的明珠！

(資料圖片僅供參考)

光刻機(jī)現(xiàn)在大家都知道是半導(dǎo)體設(shè)備最高端的設(shè)備，有著“人類工業(yè)設(shè)備皇冠上的明珠”的美譽(yù)，一臺(tái)高端的光刻設(shè)備售價(jià)是幾千萬(wàn)美金，甚至到幾億美金，堪比一架飛機(jī)的售價(jià)。

有人從字面意義上去理解光刻機(jī)，總以為是類似激光設(shè)備，在硅片上“刻”一些復(fù)雜的電路，其實(shí)這種理解是錯(cuò)的，光刻機(jī)更準(zhǔn)確的叫法應(yīng)該是“曝光機(jī)”。

從原理上來(lái)講，光刻機(jī)并不復(fù)雜，本質(zhì)上就是一個(gè)大型單反相機(jī)，它的工作是把掩膜板的圖形，經(jīng)過(guò)一定比例的微縮后投影到硅片上，完成圖形化的第一步。由于目前晶體管最小尺寸，以及到了史無(wú)前例的幾納米水平，因此對(duì)光刻機(jī)的投影精度要求之高，分辨率之小，堪稱史上最變態(tài)。從技術(shù)難度上而言，光刻機(jī)的研發(fā)難度不亞于原子彈，甚至有過(guò)之而無(wú)不及。

而且光刻機(jī)和原子彈最大的區(qū)別是，原子彈有就行了，沒人會(huì)在意成本，畢竟原子彈存在的意義就是和對(duì)手有對(duì)等的核威懾能力，又不會(huì)買賣，誰(shuí)會(huì)在意原子彈的成本？

但是光刻機(jī)它是工業(yè)設(shè)備啊，一款設(shè)備最核心的問題是你得好用，能幫客戶賺錢的設(shè)備才有它存在的意義?。。。〔荒苜嶅X的設(shè)備，客戶是無(wú)法接受的！??！

盡管國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)在某些參數(shù)上已經(jīng)追上國(guó)外同款，但是從幫客戶賺錢的角度而言，還需要不斷的迭代和改進(jìn)，還有很長(zhǎng)的路要走，期待這一天的早日到來(lái)。

畢竟設(shè)備又不是只用一次，不僅要效率高，還得有十年如一日的穩(wěn)定性，這就是實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到真正工業(yè)設(shè)備的漫漫長(zhǎng)路。

在光的世界里，容不得半點(diǎn)誤差，任何瑕疵都將影響最終成像質(zhì)量，導(dǎo)致成批的晶圓直接報(bào)廢，損失是巨大的。光刻機(jī)鏡片制造商德國(guó)蔡司曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)比喻，假如鏡片有德國(guó)這么大，那么鏡片的高低誤差只有正負(fù)一微米！只有這樣鏡片組，才能誕生人類世界最精細(xì)的光！

相信“國(guó)產(chǎn)最精細(xì)的光”也能在將來(lái)實(shí)現(xiàn)！

光刻三板斧

有人比喻光刻機(jī)的投影系統(tǒng)，相當(dāng)于把一枚硬幣圖案的投影到月球上還能保持清晰。

為了實(shí)現(xiàn)這極其變態(tài)的縮影要求，蔡司光學(xué)設(shè)計(jì)大牛們，經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論計(jì)算，最終在DUV光刻機(jī)系列上設(shè)計(jì)了這種準(zhǔn)對(duì)稱雙高斯光路結(jié)構(gòu)來(lái)保證畸變和像質(zhì)。

蔡司Starlith 19i系列鏡頭模型

在實(shí)際工作過(guò)程中，DUV光刻機(jī)所使用的193nm波長(zhǎng)的深紫外光波長(zhǎng)已經(jīng)非常短了，如此短波長(zhǎng)的光線每次穿過(guò)透光性再高的材料時(shí)候，依然會(huì)有部分能量被吸收，這部分損失的能量并不會(huì)消失，而是積累在鏡片上，因此鏡片的會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期工作積累熱量而導(dǎo)致變形，最終導(dǎo)致成像精確度出現(xiàn)變化，影響光刻的良率，這當(dāng)然是不能忍受的，要是知道光刻機(jī)要變成印鈔機(jī)，就必須保證工作中極強(qiáng)的穩(wěn)定性，以及投影效果的一致性。

早期至今的各個(gè)型號(hào)的光刻機(jī)投影系統(tǒng)

因此為了保證長(zhǎng)期工作下積累的熱量不影響投影效果，不僅鏡片使用了特殊的晶體材料——氟化鈣，同時(shí)鏡片上會(huì)有特殊的涂層吸收多余熱量以達(dá)到控制鏡片變形，同時(shí)物鏡外部還加上各種冷卻系統(tǒng)及時(shí)把熱量排出去。

在光學(xué)鏡頭系統(tǒng)上還需要配備熱效應(yīng)仿真軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能，及時(shí)調(diào)整鏡片的位置和形變來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。因此部分鏡片被設(shè)計(jì)成可以移動(dòng)的部件，配合系統(tǒng)量測(cè)結(jié)果和算法，實(shí)時(shí)微調(diào)鏡片之間的距離，來(lái)補(bǔ)償其他誤差，保證最終投影的焦點(diǎn)，始終精準(zhǔn)落在硅片表面，并形成清晰的圖像。

同時(shí)在每次曝光之后，晶圓也要拿去做檢測(cè)，確保成影的圖像是符合設(shè)計(jì)要求的。

在光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域也有一家公司也叫“愛馬仕”——Hermes Microvision，HMI中文名漢民微測(cè)，這家“光學(xué)愛馬仕”在2016年的時(shí)候被ASML收購(gòu)了。

有了它，ASML實(shí)現(xiàn)光刻“三板斧”，計(jì)算光刻，光刻，量測(cè)。所以ASML并不是簡(jiǎn)單的光刻機(jī)制造商，而是圖形化解決方案供應(yīng)商！

ASML收購(gòu)了Brion(睿初科技)有了計(jì)算光刻OPC（光學(xué)臨近修正）能力；光刻，ASML自己有光刻機(jī)；量測(cè)方面有ASML Yieldstar和HMI的相關(guān)設(shè)備，其中HMI提供電子束方案，Yieldstar提供光學(xué)方案。

OPC光學(xué)矯正

因?yàn)橛辛嗽诰€量測(cè)技術(shù)，ASML做出了TWINSCAN系統(tǒng)(雙工件臺(tái))，可以做到一邊做量測(cè)的準(zhǔn)備工作，一邊做曝光，系統(tǒng)效率大幅上升。尼康受制于專利和技術(shù)，一直是單件臺(tái)方案，量測(cè)曝光同時(shí)在一片硅片上進(jìn)行，結(jié)果在競(jìng)爭(zhēng)中一落千丈。

可見高端的半導(dǎo)體圖形量測(cè)也是芯片制造過(guò)程中重要的一環(huán)！

明場(chǎng)與暗場(chǎng)

在芯片制造過(guò)程中，有大量的量測(cè)工作要做，看關(guān)鍵工藝是否符合指標(biāo)，包括晶圓缺陷檢測(cè)，關(guān)鍵尺寸，套刻精度，膜厚等等，于是各種各樣的量測(cè)方案和設(shè)備就出現(xiàn)了。

來(lái)自中科飛測(cè)資料整理

從實(shí)際情況講，現(xiàn)階段的前道工藝中的檢測(cè)手段主要包括電子束和光學(xué)兩大技術(shù)路線。

從ASML這樣的光刻圖形化工藝解決方案商到晶圓工廠，各種各樣的量測(cè)方案基本都基于這兩種技術(shù)路線。

相比之下，光學(xué)檢測(cè)方案具有速度快，無(wú)接觸，兼容性好，容易集成等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中多于電子束路線。

基于光學(xué)的路線，又分明場(chǎng)和暗場(chǎng)兩個(gè)系統(tǒng)。

明場(chǎng)（BF）和暗場(chǎng)（DF）的區(qū)別在于一個(gè)是透射束成像，一個(gè)是衍射束成像。二者在照明方法、成像原理等方面存在較大差異，技術(shù)難度上也有一定差別，整體而言明場(chǎng)系統(tǒng)對(duì)照明光束物理特征、成像系統(tǒng)、信噪比等方面的要求更加嚴(yán)格。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)圖形晶圓的缺陷檢測(cè)多用暗場(chǎng)系統(tǒng)，有圖形晶圓的缺陷檢測(cè)使用明場(chǎng)系統(tǒng)或是二者的結(jié)合。

兩者都是芯片檢測(cè)手段的一種，根據(jù)實(shí)際情況，通常會(huì)使用組合方案，盡可能的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)準(zhǔn)確性。

整個(gè)前道量測(cè)設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模并不小，一般在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占10%-12%，2022年大約是100-120億美金左右的市場(chǎng)規(guī)模。是在高階制程的fab廠里，高端量測(cè)檢測(cè)的設(shè)備投資占比可能更大，畢竟28nm以下高階制程的工藝步數(shù)突然增加，達(dá)到甚至突破2000個(gè)steps！在如此多的工藝步奏下，顯然檢測(cè)環(huán)節(jié)變得更加重要，它是幫助晶圓廠控制良率的關(guān)鍵，因此檢測(cè)環(huán)節(jié)大增，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備用量也比普通成熟制程的要大。

相比之下，這些年國(guó)產(chǎn)設(shè)備在前道工藝設(shè)備上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在刻蝕，薄膜沉積，清洗，涂膠顯影，CMP，離子注入，熱處理，電鍍等環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)突破，甚至部分領(lǐng)域已經(jīng)能與國(guó)外巨頭有一爭(zhēng)高下的實(shí)力。

但是在高端量測(cè)領(lǐng)域差距還是很大，KLA，ASML，日立，AMAT等公司依然占據(jù)超過(guò)95%以上的市場(chǎng)份額，特別是KLA，一家就占了一大半，不愧是世界級(jí)半導(dǎo)體公司，其地位難以撼動(dòng)，而國(guó)產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備公司，堪堪邁過(guò)0到1的階段。

之所以，國(guó)產(chǎn)量測(cè)設(shè)備到現(xiàn)在才將將突破，主要是量測(cè)設(shè)備的技術(shù)含量非常高，有著“小光刻機(jī)之稱”，其部分技術(shù)特點(diǎn)和難度，真的能媲美光刻機(jī)，而且售價(jià)也非常高昂，一臺(tái)高端的明場(chǎng)缺陷檢測(cè)售價(jià)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)至上千萬(wàn)美金，高于刻蝕和沉膜一個(gè)檔次，價(jià)值可見一斑！

誰(shuí)能勝出？

差距就是動(dòng)力，這些年國(guó)產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備也在不斷努力突破，包括精測(cè)，睿勵(lì)，中科飛測(cè)，東方晶源，御微，優(yōu)睿譜，埃芯，中安等，以及通過(guò)收購(gòu)相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的如賽騰，天準(zhǔn)等。

這些公司各有所長(zhǎng)，有些擅長(zhǎng)明暗場(chǎng)系統(tǒng)，有些專注電子束，有些專注缺陷，有些主打膜厚，如百花爭(zhēng)艷一般，在不斷努力提高相關(guān)國(guó)產(chǎn)設(shè)備水平和國(guó)產(chǎn)化率。

最近精測(cè)電子表示，公司的深圳控股子公司精積微收購(gòu)1.73億元訂單。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，應(yīng)該是明場(chǎng)缺陷檢測(cè)設(shè)備，能對(duì)標(biāo)KLA 2910/2915系列，可以用于28nm制程的相關(guān)前道檢測(cè)，而缺陷檢測(cè)也是前道量測(cè)設(shè)備中最關(guān)鍵的，占到55%左右?？梢孕蚁驳目吹絿?guó)產(chǎn)設(shè)備在這個(gè)了領(lǐng)域終于有了重大突破。

KLA官網(wǎng)資料

結(jié)語(yǔ)

有著“小光刻機(jī)之稱”的前道量測(cè)設(shè)備，一直是我們的弱項(xiàng)，起步晚，底子薄，國(guó)際巨頭在這個(gè)領(lǐng)域積累多年，像一座難以逾越的的大山橫在面前，但是隨著國(guó)內(nèi)同仁的不斷努力，終于實(shí)現(xiàn)了0到1的重大突破。

希望有更多的國(guó)產(chǎn)設(shè)備公司能夠在各個(gè)領(lǐng)域百花齊放！

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