Что такое оборудование для литографии полупроводников?

Что такое оборудование для литографии полупроводников?

Оборудование для полупроводниковой литографии используется для изображения схемных рисунков на кремниевых пластинах в процессе производства полупроводников. Мощный ультрафиолетовый свет пропускается через фотошаблон, который служит прототипом для схемы рисунка, а рисунок рисунка переносится на кремниевую пластину, покрытую фоторезистом. В последние годы некоторое оборудование использует лазер с длиной волны 13 нм, называемый EUV, для миниатюризации тонких схемных рисунков. Поскольку для позиционирования и т. д. требуется чрезвычайно высокая точность, оборудование является дорогим.

Применение оборудования для полупроводниковой литографии

Оборудование для полупроводниковой литографии используется в процессе экспонирования при производстве интегральных схем (ИС), которые включают полупроводниковые приборы, такие как МОП (металлооксидный полупроводник)-FET (полевые транзисторы).

В процессе производства ИС циклы фотолитографии и травления последовательно повторяются на кремниевой пластине для укладки и обработки слоев (слоев) оксидов кремния и металлов по заданному шаблону, которые обрабатываются для получения характеристик, требуемых для полупроводниковых приборов. Например, в случае n-типа МОП (NMOS) n-типа (тип n+) МОП формируется путем формирования пленки оксида кремния в области затвора на кремниевой подложке p-типа и металла затвора поверх нее, а также ионной имплантации примесей высокой концентрации в области стока и истока. Каждый из этапов фотолитографии и травления в этой серии процессов настроен так, как показано на рисунке (процесс осаждения пленки S1 ~ процесс удаления резиста S6).

Из них процесс экспонирования (S3) является процессом, выполняемым с использованием оборудования для полупроводниковой литографии. В зависимости от размеров рисунка схемы и точности оборудования для полупроводниковой литографии используются различные длины волн экспонирующего оборудования.

Принцип работы оборудования для полупроводниковой литографии

Оборудование для литографии полупроводников состоит из источника света, конденсорной линзы, фотошаблона, проекционной линзы и столика. Ультрафиолетовый свет, генерируемый источником света, регулируется конденсорной линзой так, чтобы они были направлены в одном направлении. Затем ультрафиолетовый свет проходит через фотошаблон, который служит прототипом для одного слоя рисунка схемы, и свет ослабляется проекционной линзой для переноса рисунка схемы (одного слоя рисунка схемы) полупроводникового прибора на кремниевую пластину. В системе экспонирования, такой как шаговый двигатель, после завершения транскрипции кремниевая пластина перемещается столиком, и тот же рисунок схемы переносится в другое положение на кремниевой пластине. Заменив фотошаблон, можно перенести еще один слой рисунка схемы полупроводникового прибора.

В качестве источников света используются эксимерные лазеры KrF с длиной волны 248 нм, эксимерные лазеры ArF с длиной волны 193 нм и источники света EUV с длиной волны 13 нм.

Правило проектирования (минимальный размер обработки) для новейшего процесса производства полупроводников было уменьшено до 3–5 нм, поэтому для всех конденсорных линз, фотошаблонов, проекционных линз и ступеней требуется высокая точность в нанометровом масштабе. Кроме того, из-за прогресса в укладке экспонирование выполняется несколько раз, прежде чем будет получен один полупроводник путем изменения рисунка схемы.

Размер и доля рынка оборудования для литографии полупроводников

Глобальный рынок электроники продолжает расширяться, и полупроводниковая промышленность становится все более важной в поддержке этого расширения. Глобальный рынок полупроводников испытал отрицательный рост в 2019 году, но продолжал расширяться в прошлом, несмотря на шок Lehman и другие проблемы. В последние годы развитие технологий памяти перешло от миниатюризации к 3D, и технология травления стала более важной.

Объем рынка оборудования для литографии полупроводников составляет 1,852 трлн иен по состоянию на 2018 год.
Доля рынка по регионам потребления выглядит следующим образом: 1-е место Южная Корея 36%, 2-е место Тайвань 19%, 3-е место Китай 18%, 4-е место США 14% и 5-е место Япония 7%. Доля поставщиков оборудования для литографии полупроводников по странам (2018 год) практически олигополизирована Европой и Японией: Европа (84%), Япония (14%) и США (2%).

О оборудовании для литографии EUV

Оборудование для литографии EUV (Extreme Ultraviolet) — это оборудование для литографии полупроводников, которое использует свет с чрезвычайно короткой длиной волны, называемый Extreme Ultraviolet. Оно позволяет обрабатывать более мелкие размеры, которые трудно обрабатывать с помощью обычных систем экспонирования, использующих свет эксимерного лазера ArF.

Производство полупроводников постепенно миниатюризировалось в соответствии с законом Мура (полупроводниковые интегральные схемы стали в четыре раза более высокоинтегрированными и функциональными за три года). Развитие технологии уменьшенной проекционной экспозиции, называемой шаговыми двигателями, более коротких длин волн экспозиции и технологии иммерсионной экспозиции значительно улучшило разрешение.

Миниатюризация означает, что минимальный размер процесса, который может быть выжжен на пластине, становится меньше, а минимальный размер процесса R выражается следующей формулой Рэлея.
R = k/λ/NA *k — константа пропорциональности, λ — длина волны экспозиции, а N.A. — числовая апертура оптической системы экспозиции.

Различные технологические разработки позволили осуществить миниатюризацию, уменьшив k, λ и NA.
Системы EUV-литографии считаются технологией, которая может преодолеть ограничения прошлого за счет сокращения длины волны экспонирования, и в последние годы они производятся массово.

Цены на оборудование для литографии полупроводников

Оборудование для литографии полупроводников необходимо для эффективного массового производства полупроводников.

Чем короче длина волны источника света, используемого в оборудовании для литографии полупроводников, тем мельче может быть сформирован рисунок и тем дороже становится оборудование для экспонирования. Для каждой длины волны литография i-line стоит около 400 миллионов иен, KrF около 1,3 миллиарда иен, ArF dry около 2 миллиардов иен, ArF immersion около 6 миллиардов иен и EUV около 20 миллиардов иен.

Чем тоньше схема, тем быстрее передача сигнала и тем более энергоэффективной она может быть, но в последние годы рост стоимости процесса из-за миниатюризации, включая цену оборудования для литографии полупроводников, стало невозможно игнорировать.

Кроме того, пропускная способность оборудования для литографии полупроводников также является важным показателем требуемой производительности с точки зрения затрат на производство полупроводников. Пропускная способность является показателем производительности того, насколько быстро может быть экспонирован рисунок схемы, и по мере увеличения пропускной способности себестоимость производства (эксплуатационные расходы) на кремниевый кристалл снижается. Это считается важным при массовом производстве полупроводниковых чипов.