ASML光刻鐵三角如何助力芯片制造良率和效率提升？

從芯片設(shè)計(jì)到芯片制造

芯片產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)且環(huán)環(huán)相扣，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要不同的工程師角色分工協(xié)作。很多人以為芯片工程師就是單純搞芯片的工程師，殊不知這其中可能要分十幾個(gè)崗位。芯片產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)上大致劃分為芯片設(shè)計(jì)、芯片制造和芯片封測(cè)等環(huán)節(jié)。

芯片設(shè)計(jì)崗位大致可以分為架構(gòu)師、前端設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、可測(cè)性設(shè)計(jì)、中后端設(shè)計(jì)、模擬前端設(shè)計(jì)和模擬版圖設(shè)計(jì)等工程師。芯片封測(cè)崗位主要包括封裝工程師和測(cè)試工程師。芯片制造崗位大致可以分為設(shè)備工程師、工藝工程師、工藝整合工程師、良率工程師和質(zhì)量工程師。

同學(xué)們可能平時(shí)接觸和關(guān)注較多是芯片設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)和崗位，但實(shí)際上芯片制造才是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)；因?yàn)樵賲柡Φ男酒O(shè)計(jì)圖紙如果沒(méi)有先進(jìn)的制造工藝，那也只能望洋興嘆。

說(shuō)到芯片制造，那就不得不提到光刻工藝。光刻是芯片制造工藝中的核心步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫(huà)幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，從而在襯底制造出一個(gè)個(gè)的器件。

芯片制造流程

芯片制造一般要經(jīng)歷晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測(cè)試和封裝等八個(gè)步驟和總共幾百道工序。其中光刻是芯片制造的核心環(huán)節(jié)，光刻又分為涂覆光刻膠、曝光和顯影三個(gè)步驟。

在晶圓上繪制電路的第一步是在氧化層上涂覆光刻膠。光刻膠通過(guò)改變化學(xué)性質(zhì)的方式讓晶圓成為“相紙”。晶圓表面的光刻膠層越薄，涂覆越均勻，可以印刷的圖形就越精細(xì)。這個(gè)步驟可以采用“旋涂”方法。根據(jù)光刻光源反應(yīng)性的區(qū)別，光刻膠可分為兩種：正膠和負(fù)膠，前者在受光后會(huì)分解并消失，從而留下未受光區(qū)域的圖形，而后者在受光后會(huì)聚合并讓受光部分的圖形顯現(xiàn)出來(lái)。

在晶圓上覆蓋光刻膠薄膜后，就可以通過(guò)控制光線(xiàn)照射來(lái)完成電路印刷，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“曝光”。我們可以通過(guò)曝光設(shè)備來(lái)選擇性地通過(guò)光線(xiàn)，當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)包含電路圖案的掩膜時(shí)，就能將電路印制到下方涂有光刻膠薄膜的晶圓上。

曝光之后的步驟是在晶圓上噴涂顯影劑，目的是去除圖形未覆蓋區(qū)域的光刻膠，從而讓印刷好的電路圖案顯現(xiàn)出來(lái)。顯影完成后需要通過(guò)各種測(cè)量設(shè)備和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢查，確保電路圖繪制的質(zhì)量。

光刻機(jī)

光刻機(jī)主要包括光源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、投影物鏡系統(tǒng)、雙工件臺(tái)系統(tǒng)、以及傳輸系統(tǒng)（光罩+晶圓）、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等；同時(shí)需要極嚴(yán)苛的環(huán)境控制、整機(jī)控制以及整機(jī)軟件分析系統(tǒng)。光刻扮演著定義工藝窗口的角色，分辨率和套刻精度是對(duì)工藝窗口的保證。

光刻機(jī)的分辨率表示光刻機(jī)能清晰投影最小圖像的能力，是光刻機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，決定了光刻機(jī)能夠被應(yīng)用于的工藝節(jié)點(diǎn)水平。但必須注意的是，雖然分辨率和光源波長(zhǎng)有著密切關(guān)系，但兩者并非是完全對(duì)應(yīng)。

套刻精度的基本含義是指前后兩道光刻工序之間彼此圖形的對(duì)準(zhǔn)精度，如果對(duì)準(zhǔn)的偏差過(guò)大，就會(huì)直接影響產(chǎn)品的良率。對(duì)于高階的光刻機(jī)，一般設(shè)備供應(yīng)商就套刻精度會(huì)提供兩個(gè)數(shù)值，一種是單機(jī)自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺(tái)設(shè)備（不同設(shè)備）間的套刻誤差。

ASML光刻鐵三角

ASML計(jì)算光刻、光刻機(jī)臺(tái)、光學(xué)和電子束量測(cè)的鐵三角合力，經(jīng)濟(jì)高效地提升芯片良率和生產(chǎn)效率。

ASML計(jì)算軟件內(nèi)置軟件和模型可以精確仿真光刻過(guò)程中的物理化學(xué)過(guò)程，從而在紛繁復(fù)雜的環(huán)境中探索出最佳的光刻解決方案，對(duì)后續(xù)光刻行為進(jìn)行指導(dǎo)。SMO和OPC是計(jì)算光刻中非常重要和典型的兩大關(guān)鍵技術(shù)。芯片特征尺寸縮小后，工藝窗口越來(lái)越難以滿(mǎn)足，ASML計(jì)算光刻技術(shù)可以大大增大工藝窗口，有效助力高端工藝芯片成功量產(chǎn)。

光刻機(jī)臺(tái)就是將芯片制造所需的電路圖案投射到晶圓上。在中國(guó)每一臺(tái)ASML光刻機(jī)一年曝光的晶圓數(shù)量接近200萬(wàn)片，他們連在一起相當(dāng)于五條黃浦江那么長(zhǎng)，他們疊加起來(lái)高度相當(dāng)于三座東方明珠塔那么高。

芯片制造過(guò)程中難免出現(xiàn)誤差，此時(shí)高精度量測(cè)工具可以承擔(dān)品控師的角色，ASML電子束量測(cè)可以助力發(fā)現(xiàn)單個(gè)芯片上的極其細(xì)微的錯(cuò)誤，ASML電子束量測(cè)具有高分辨率大視場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以更加精準(zhǔn)的掃描晶圓收集數(shù)據(jù)并反饋給光刻機(jī)臺(tái)，從而完成量測(cè)和檢驗(yàn)。同時(shí)大視場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)可以保證對(duì)單位時(shí)間內(nèi)對(duì)晶圓表面的特征尺寸進(jìn)行更大數(shù)據(jù)量的取樣，可以更好還原芯片的制造品質(zhì)。

不止于鐵三角，ASML全新數(shù)字化平臺(tái)中的Litho InSight憑借強(qiáng)大算法可以更加快速收集光刻過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并及時(shí)反饋給光刻機(jī)完成實(shí)時(shí)修正，進(jìn)一步提高芯片良率。

鐵三角之良率守護(hù)神

對(duì)于芯片設(shè)備供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，能夠制造出芯片是重要的一步，但如何能更快、更好地制造出芯片，是決定一個(gè)設(shè)備能否被產(chǎn)業(yè)認(rèn)可的關(guān)鍵，這也是ASML一直所追逐的目標(biāo)。不僅如此，這也是其在專(zhuān)注光刻機(jī)臺(tái)的同時(shí)，還在同步推動(dòng)計(jì)算光刻和量測(cè)技術(shù)的原因。

所謂計(jì)算光刻，也屬于EDA的一部分，具體而言就是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、仿真光刻中的光學(xué)和化學(xué)過(guò)程，預(yù)測(cè)晶圓上的曝光圖形，在半導(dǎo)體制程的開(kāi)發(fā)階段提供光源優(yōu)化、掩模版圖形修正、缺陷的預(yù)判和修正方案分析，通過(guò)增大芯片制造工藝窗口從而提高產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率。

當(dāng)芯片的關(guān)鍵尺寸小于光源波長(zhǎng)的時(shí)候，需要復(fù)雜的掩模版，沒(méi)有計(jì)算光刻很難實(shí)現(xiàn)這樣復(fù)雜的掩模版設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，沒(méi)有計(jì)算光刻就沒(méi)有最先進(jìn)的芯片制造。ASML在計(jì)算光刻方面聚焦于開(kāi)發(fā)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)芯片圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程的計(jì)算光刻模型以及基于模型提供最優(yōu)的光源優(yōu)化和掩模版圖形修正解決方案。據(jù)了解，當(dāng)今的先進(jìn)芯片有數(shù)十億甚至數(shù)百億的晶體管，所以由此產(chǎn)生的仿真模型的計(jì)算量很快就會(huì)已經(jīng)變得非常龐大。但得益于ASML在過(guò)去積累的豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，再疊加公司在機(jī)器學(xué)習(xí)工具方面的投入，ASML的計(jì)算光刻軟件在面對(duì)眾多問(wèn)題時(shí)都能巧妙地找到解決方案。

鐵三角之光刻護(hù)衛(wèi)隊(duì)

ASML光刻機(jī)內(nèi)部模組包括照明光學(xué)模組、掩模版?zhèn)鬟_(dá)模組、晶圓傳送模組、投影物鏡模組、浸潤(rùn)式光刻模組和雙晶圓平臺(tái)模組。其中照明光學(xué)模組、光罩模組和晶圓模組是三大主要模組。

紫外光從光源模組（Source）生成之后，被導(dǎo)入到照明模組（lllumination module），在這里，要檢測(cè)及控制光的能量、均勻度、以及光的形狀，光穿過(guò)光罩后，聚光鏡(Projection Lens)將影像聚焦成像在晶圓表面的光阻層上。

光罩模組可分為光罩傳送模組（Reticle Handler）及光罩平臺(tái)模組（Reticle Stage)。光罩傳送模組負(fù)責(zé)將光罩由光罩盒一路傳送到光罩平臺(tái)模組。而光罩平臺(tái)模組負(fù)責(zé)承載及快速來(lái)回移動(dòng)光罩。為什么光罩要來(lái)回移動(dòng)呢？ASML的光刻機(jī)成像的方式其買(mǎi)是掃描（scan）的方式，如同打印機(jī)一般。從照明系統(tǒng)打到光罩的光是條形光，所以光罩必須移動(dòng)來(lái)完成掃描。

晶圓模組分為晶圓傳送模組（Wafer Handler）及晶圓平臺(tái)模組（Wafer Stage）。晶圓傳送模組負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)一路傳送到晶圓平臺(tái)模組。而晶圓雙平臺(tái)模組負(fù)責(zé)承載晶圓及精準(zhǔn)定位晶圓來(lái)曝光。為什么ASML要用雙平臺(tái)呢？在納米的世界里，晶圓從傳送模組以機(jī)械手臂放置到平臺(tái)上，每次放置位置的差距都是微米級(jí)的（1000納米)。所以在晶圓爆光之前，必須要先偵測(cè)晶圓在平合上的精確位置。雙平臺(tái)可以在前一片晶圓曝光的同時(shí)，對(duì)下一片晶圓進(jìn)行精準(zhǔn)量測(cè)，不需要等待。

鐵三角之百萬(wàn)級(jí)品控師

熟悉現(xiàn)代芯片制造流程的讀者應(yīng)該知道，芯片制造商在使用光刻機(jī)生產(chǎn)芯片的時(shí)候，會(huì)首先讓電路圖像在晶圓上成像，然后借助先進(jìn)的量測(cè)系統(tǒng)和軟件來(lái)檢驗(yàn)這些圖案，以提高芯片生產(chǎn)的精度與良率，同時(shí)幫助客戶(hù)為后續(xù)的制程開(kāi)發(fā)做好準(zhǔn)備。作為全球最大的光刻機(jī)供應(yīng)商，ASML在提供這類(lèi)型的產(chǎn)品上也有先天的優(yōu)勢(shì)。他們的系統(tǒng)正是在這個(gè)背景下誕生的。ASML主要通過(guò)兩種方式檢驗(yàn)光刻成像的質(zhì)量：基于衍射的光學(xué)量測(cè)和電子束量測(cè)。其中，光學(xué)量測(cè)是基于從晶圓的反射光線(xiàn)的衍射效應(yīng)，而電子束量測(cè)則通過(guò)觀察電子與晶圓接觸時(shí)的散射情況實(shí)現(xiàn)。

ASML的YieldStar光學(xué)量測(cè)解決方案是重要的在線(xiàn)晶圓量測(cè)工具，能夠快速、準(zhǔn)確地量測(cè)晶圓上的圖形質(zhì)量。此外，ASML電子束量測(cè)產(chǎn)品則可通過(guò)電子束量測(cè)和大規(guī)模量測(cè)幫助客戶(hù)確定技術(shù)路線(xiàn)圖，包括廣受應(yīng)用的單束檢測(cè)系統(tǒng)，可幫助客戶(hù)在數(shù)百萬(wàn)印制圖形中定位和分析某個(gè)芯片缺陷；高分辨率電子束量測(cè)系統(tǒng)eP5可提供1納米分辨率和大視場(chǎng)，大量量測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景下速度是現(xiàn)有技術(shù)的10倍以上；以及Multibeam多電子束系統(tǒng)綜合利用ASML光刻機(jī)臺(tái)、ASML計(jì)算光刻和ASML電子束量測(cè)的核心技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電子束分辨率以及量產(chǎn)檢測(cè)所需的吞吐率。

由此可見(jiàn)，ASML并不僅僅是一家光刻機(jī)供應(yīng)商，而是一個(gè)擁有“鐵三角”全方位光刻解決方案的供應(yīng)商，能幫助芯片制造商推動(dòng)芯片微縮、提高良率和產(chǎn)能。

ASML在中國(guó)大陸蓬勃發(fā)展

2023年第三季度，中國(guó)大陸的銷(xiāo)售額占ASML整體銷(xiāo)售額的比重達(dá)到46%，中國(guó)大陸是ASML全球最大的單一市場(chǎng)，到2023年底ASML在中國(guó)的光刻機(jī)加上量測(cè)的機(jī)臺(tái)裝機(jī)量接近1400臺(tái)。ASML機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的芯片廣泛應(yīng)用于生活的方方面面，描繪出一副精彩的生活全景圖。

加入ASML，這里有一群相信光的人

芯片制造方向發(fā)展空間更大，當(dāng)前人才需求更強(qiáng)，對(duì)求職者來(lái)說(shuō)，對(duì)于同學(xué)們來(lái)說(shuō)都是一個(gè)很大的發(fā)揮自身價(jià)值，實(shí)現(xiàn)職業(yè)抱負(fù)的舞臺(tái)。

ASML秉持以人為本理念，為員工適配最佳職業(yè)發(fā)展方案。ASML用心成就未來(lái)，利用多元化的人才培養(yǎng)項(xiàng)目，幫助員工見(jiàn)證實(shí)力蛻變。

ASML是一個(gè)讓同學(xué)們可以發(fā)揮的舞臺(tái)！