화웨이가 중국과학원과 손잡고 포토리소그래피 기계 개발 가능성에 대한 분석

비공식 소식을 접한 화웨이는 중국과학원과 협력해 8나노 노광기를 개발했다. 메시지의 신뢰성과 기술적 가능성을 아래에서 분석한다.

1. 칩 제조 공정 소개

먼저, 다음과 같은 기술 내용을 모두가 이해할 수 있도록 칩 제조 공정을 간략하게 설명하겠습니다. 이 과정을 이해했다면 바로 두 번째 읽기로 넘어갈 수 있습니다.

주제와 관련 없는 웨이퍼 제조 및 패키징, 테스트 링크는 여기에서 건너뜁니다.

도장을 찍는 과정을 상상해 보세요. 음(양자에 해당)(문자가 오목하고 배경이 올라가 있으므로 문자의 획을 잘라야 함)과 "인(仁)과 정의(仁의)"라는 두 글자를 새기고 싶다고 가정해 보겠습니다. ". 다음 예는 칩 제조 방법을 설명하기 위한 것입니다. 실제로 각인하는 것은 그리 어렵지 않습니다. 단계는 대략 다음과 같습니다. 1. 디자인: 종이에 새길 단어를 디자인합니다. 2. 조각: 조각칼을 사용하여 문자의 획을 새깁니다. 이 종이를 문자 틀이라고 합니다. 3. 인장 조각 표면을 강화합니다(실제 인장 조각에는 이 단계가 필요하지 않습니다). 4. 페인트: 스탬프 기본 재료에 페인트 층을 적용합니다. 5. 캘리그라피 복사 : 캘리그래피를 물감 위에 복사합니다(물감 위에 캘리그라피를 놓고 획을 그어줍니다). 6. 문자 표시: 획으로 덮힌 부분의 페인트를 제거하고 획이 없는 부분의 페인트를 유지합니다. 이때 인장의 도색되지 않은 부분에는 "인의"라는 글자가 표시되어 있습니다. (여기서 거울상 반전 문제는 무시하십시오.) 7. 조각, 즉 도색되지 않은 부분을 조각칼로 조각하는 것. 8. 페인트를 제거하고 남은 페인트를 씻어냅니다.

칩을 제조하는 단계는 위의 각인된 종이에 있는 단계와 일대일로 대응됩니다(기판 연마 및 여러 청소 단계 등 이 기사의 내용과 관련 없는 다른 단계는 생략). ): 1. 칩 레이아웃/배선 설계(설계와 동일). 2. 마스크를 만듭니다. 즉, 디자인에 따라 레이아웃 패턴 마스크를 만듭니다(금형 조각과 동일). 3. 웨이퍼 표면 산화(스탬프 조각 표면 처리와 동일) 4. 모재에 포토레지스트를 코팅하는 즉 접착(도장과 동일) 5. 포토리소그래피, 즉 빛을 사용하여 마스크를 통과하여 포토레지스트를 조명하는 것(글꼴 복사와 동일). 이 단계에서는 포토리소그래피 기계가 사용됩니다. 6. 현상, 즉 빛에 노출된 포토레지스트 부분을 제거합니다(문자 현상과 동일). 7. 에칭, 즉 웨이퍼 표면의 산화막을 제거하여 그 아래의 고순도 실리콘을 노출시키는 것(인그레이빙과 동일). 8. 접착제 제거, 즉 웨이퍼 표면에 남아 있는 포토레지스트를 씻어내는 것입니다(페인트 제거와 동일).

포토리소그래피로 얻은 효과는 다음과 같습니다. 실리콘 웨이퍼 표면의 이산화규소 필름 패턴이 마스크와 완전히 일치합니다. 이는 마스크의 패턴을 마스크의 이산화규소로 전사하는 것과 같습니다. 웨이퍼 표면에는 마스크와 똑같은 수많은 채광창이 있어 후속 공정을 준비하는 과정을 마치 마스크 패턴과 일치하는 이산화규소 필름을 일괄 복사해 붙이는 것과 같다. 실리콘 웨이퍼의 표면.

칩을 만드는 데는 한 단계가 남았습니다. 즉, 도핑, 즉 다양한 공정에서 수많은 채광창 아래 실리콘 기판에 다양한 금속 이온을 주입하여 이러한 영역의 특성을 변경하고 필요한 반도체 전기적 특성을 형성하는 것입니다( 즉, P형 또는 N형 반도체가 형성되고 두 개의 서로 다른 반도체 작은 영역 사이에 단방향 전도성 P/N 접합이 형성됩니다. 3개의 연속 PNP 또는 NPN 영역에는 두 개의 P/N 접합이 포함되어 증폭 효과가 있는 트랜지스터를 형성합니다. . 이것은 집적 회로의 가장 기본적인 구성 요소입니다.

초대형 집적 회로 칩은 매우 복잡하고 수십 단계가 필요하다는 점을 지적해야 합니다. 1단계는 특정 칩에 대해 한 번만 필요하고, 2단계는 한 번만 필요하지만 다른 마스크가 필요합니다. 각 공정별로 제작됩니다. 3~8단계는 매번 다른 마스크를 사용하여 각 공정마다 한 번씩 수십 번 반복해야 하며, 공정별로 구체적인 단계는 매우 다를 수 있습니다. 예를 들어 배선 공정은 많은 차이가 있지만 포토리소그래피 단계는 다음과 같습니다. 항상 필요합니다.

2. 노광기 개발의 어려움과 칩 비용

노광기 부품은 수만 개가 있는데, 가장 중요한 부품은 EUV 광원, 렌즈군, 고정렬 정밀작업타워 등이 있습니다. 이 세 가지 구성요소의 문제가 해결될 수 있다면 다른 구성요소도 해결하기가 덜 어려울 수 있습니다. 이러한 문제에 대해 이미 명확한 사람은 3으로 직접 이동할 수 있습니다.

리소그래피 기계의 수율과 생산 효율성, 그리고 궁극적으로 제품 비용에 영향을 미치는 몇 가지 주요 요소:

1. EUV 광원의 성능. 광원 전력이 클수록 생산 효율성이 높아집니다. 왜냐하면 웨이퍼 면적(보통 직경으로 측정되며 일반적인 것은 5, 8, 12인치)과 단일 칩의 크기에 따라 수십에서 수백 개의 칩이 웨이퍼에 배열될 수 있기 때문입니다. 마스크는 일반적으로 하나의 칩만 덮습니다. 웨이퍼의 각 칩은 프로세스에서 한 번 노출되어야 합니다. 500개의 칩이 웨이퍼에 배열되면 단일 프로세스에는 500개의 노출이 필요합니다. 포토레지스트의 감도가 일정한 경우, 한 공정에서 단일 칩을 완전히 노광하는 데 필요한 시간은 포토리소그래피 기계의 출력 전력 또는 광도에 따라 달라집니다. 출력 전력이 높을수록 필요한 노광 시간은 짧아지며, 생산 효율성도 향상된다.

여기에서는 EUV 광원의 시야각과 발광 효율에 대한 두 가지 지표를 건너뜁니다.

2. 렌즈군의 광학적 변화. 빛이 렌즈를 통과할 때 발산이 발생하는 가장 확실한 예는 초광각 렌즈로 이미징할 때 가장자리 발산이 매우 뚜렷하다는 것입니다. 다양한 요인으로 인해 발산이 발생할 수 있습니다. 발산이 너무 크면 마스크를 통해 포토레지스트에 투영된 패턴에도 발산이 발생하여 수율이 감소합니다.

3. 모바일 공작물 테이블의 위치 정확도. 단일 칩은 다중 노출이 필요하고, 웨이퍼에 여러 칩을 노출시키기 위해서는 첫째, 인접한 칩 사이의 간격이 정확해야 하며, 둘째, 동일한 칩의 각 노출이 이전 노출 위치와 정확하게 정렬되어야 합니다. 공작물 테이블의 위치 정확도가 낮으면 수율이 감소하며 이는 수율을 결정하는 주요 요인 중 하나입니다.

4. 공작물 테이블의 이동 속도. 칩을 노출시키는 데 필요한 총 시간은 가공물 스테이지가 칩의 위치로 이동하고 포지셔닝을 완료하는 데 걸리는 시간에 단순 노출 시간을 더한 것입니다. 따라서 이동 및 위치 결정 속도가 빠를수록 생산 효율성이 높아집니다. 이 표시기와 위치 정확도는 서로 충돌합니다.

생산 라인의 수율과 생산 효율성은 궁극적으로 최종 칩 비용에 반영됩니다.

웨이퍼 생산 라인의 다른 장비가 공정을 처리하는 데 걸리는 시간은 웨이퍼를 기준으로 계산됩니다. 예를 들어, 단일 도핑 공정에서는 전체 웨이퍼의 모든 칩이 한 번에 처리됩니다. 그러나 포토리소그래피 공정은 웨이퍼의 칩 수를 기준으로 계산됩니다. 즉, 웨이퍼의 노광 공정에 필요한 전체 시간은 단일 칩의 위치 지정에 노광 시간을 곱한 값입니다. 웨이퍼. 따라서 특정 출력 웨이퍼 생산 라인에는 다른 장비보다 노광 기계가 더 많고, 노광 기계의 효율성이 낮을수록 특정 출력 생산 라인에는 노광 기계가 더 많이 필요합니다. 따라서 포토레지스트의 효율성은 생산 라인 비용과 운영 비용에 영향을 미칩니다. 마지막으로, 비효율적인 포토리소그래피 장비의 생산 라인 비용 증가는 칩의 자본 점유 및 운영 비용도 증가시킵니다.

3. 뉴스의 실명 분석

이 뉴스가 꾸며졌다면 왜 7nm가 아니라 모두가 익숙하지 않은 8nm일까요? 이는 간접적인 증거이지만 확실하지는 않습니다. 또한 기술적인 관점에서만 분석이 가능합니다.

국산 작업대는 이전에도 테스트를 통과한 것으로 보인다. 8nm 포토리소그래피 기계로는 충분하지만, 이동 속도 표시기(직접적으로 관련됨). 생산 효율성)은 불분명합니다. 아마도 단일 칩 제품의 가격이 높기 때문에 외국 최고 수준보다 나쁠 것입니다.

실제로 EUV 광원도 중국에서 생산되는데, 과거에는 전력이 부족했기 때문에 필요한 노광 시간이 너무 길었다는 점이다. 더 민감해지기란 매우 어렵습니다. 또 다른 하나는 생산 효율성에 심각한 영향을 미친다는 것입니다. 해결 방법을 모르겠습니다. 개인적으로 광원 전력을 높이는 것이 가능하다고 생각하지만 사용 가능한 수준에는 도달하지 않습니다(예를 들어 증가한 후에는 1분 또는 몇 분 안에만 노출을 완료할 수 있습니다). 여러 개의 EUV 광원을 병렬로 연결하는 것이 가능한 방법일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 여전히 ASML의 노광 효율 수준에는 도달하지 못할 수 있습니다.

렌즈의 핵심은 높은 정밀도입니다. 그렇지 않으면 마스크 패턴이 칩, 특히 렌즈 주변에 투영될 때 왜곡이 너무 심각해집니다. 고정밀 렌즈 가공 기술에 획기적인 발전이 있을 수 있지만 이상적인 수준에 도달하지 못하면 이미징 라이트 필드 영역(간극이 커서 가장자리를 사용할 수 없음)과 제품 수율에 영향을 미치게 됩니다.

초점 거리를 좁히면 영상 품질을 향상시킬 수 있지만 초점 거리가 가까울수록 동일한 EUV 광원의 강도가 감소하여 노출 시간이 늘어나고 생산 효율성이 떨어집니다.

따라서 중국의 EUV 노광 기술이 과거에 구현되지 않았다는 것은 아니지만, 양산에 사용되는 노광 장비의 효율성과 수율이 ASML과 경쟁할 수 없는 수준이다. 제품 (그리고 시야가 작습니다. 문제는 대형 칩을 만들 수 없기 때문에 언급하지 않겠습니다.)

그러나 생산 효율성과 수율이 낮은 이 즉석 사진 평판 기계는 칩이 없다는 화웨이의 문제를 해결할 수 있어 생명을 구할 수 있습니다. 따라서 칩 비용에 영향을 미치는 이 두 가지 문제는 생존이 최우선이기 때문에 Huawei에게는 견딜 수 있는 것으로 보입니다.

하지만 또 다른 요인이 있다. 화웨이가 비밀리에 많은 기술을 개발했지만, 그 중 일부는 제재를 받고 잇따라 꺼내졌다. 정확히 무엇이 있고 얼마나 많은지 외부 세계에는 알려지지 않았습니다. 다음 순간에 Huawei가 주머니에서 무엇을 꺼낼지 알 수 없습니다.

예를 들어 화웨이 휴대폰에서 공개된 기술은 바로 전산광학입니다. 렌즈 불일치를 보상하는 알고리즘을 사용하고, 이미징 후 알려진 렌즈 불일치를 기반으로 사진 데이터의 픽셀 위치, 밝기 및 색상을 수정합니다. 개인적으로 Huawei는 이 기술을 리소그래피 기계에 사용할 수 있다고 생각합니다. 렌즈가 충분하지 않은 경우 알고리즘을 사용하여 이 특정 렌즈의 변형을 분석한 다음 변형이 발생하는 위치를 분석하고 특정 위치를 목표로 삼을 것입니다. 또는 여러 렌즈를 미세 조정(연삭)하고 여러 번 반복하여 최종적으로 더 나은 결과를 얻습니다. 결과적으로 렌즈 세트의 가공 비용이 크게 늘어나게 되지만 화웨이는 현재 이를 받아들일 수 있다.

또 다른 유사한 아이디어가 있는데, 렌즈 그룹의 특정 발산 특성을 기반으로 능동 발산 마스크를 만들어 렌즈 그룹에서 생성된 광학 발산을 상쇄하여 마스크가 렌즈 그룹에 투사되도록 하는 것입니다. 포토레지스트 평면 그래픽 차이가 작습니다. 이 아이디어가 얼마나 어려운지는 모르겠습니다. 특정 발산 데이터를 기반으로 발산 보상 마스크 디자인을 생성하려면 EDA 소프트웨어가 필요할 수도 있고, 발산 보정 마스크 데이터를 생성하기 위해 EDA의 출력을 입력으로 사용하기 위해 별도의 소프트웨어를 사용할 수도 있습니다.

이는 우리가 알고 있는 몇 가지 단서이며, 또 다른 암흑기술이 있을 수도 있습니다.

예를 들어 화웨이가 블랙 기술을 내놓았다는 게 가능한 일일까? 소문난 이 노광기는 ASML의 기존 기술 루트와 전혀 다른 기술 루트를 채택해 노광기 구현의 어려움을 크게 단순화할 수 있다. ? 그렇게 하면 많은 특허 장벽을 피할 수도 있습니다.

X선 노광기 같은 것? 파장이 더 짧고 제조 공정 개선에 더 도움이 됩니다. 동일한 조건(포토레지스트 감도, 노광기 출력, 칩 제품 제조 공정 등)에서 고공정 휴대폰 칩을 생산할 때 단파장 X선 노광기의 생산 효율성은 EUV 광원에 비해 2배가 됩니다. , EUV 노광기의 기본 공정에 비해 파장이 짧고 칩 가공 공정이 높기 때문에 X선 노광기에서는 늘어난 반복 노광 횟수가 더 이상 필요하지 않으므로 공정 수를 대폭 줄일 수 있다. 생산 효율성을 향상시킵니다.

문제는 엑스레이가 투과도가 너무 높아 마스크 제작이 어렵다는 점이다. 어쩌면 납 합금만 사용해 볼 수도 있습니다. 일반 광학렌즈로는 초점을 맞추는 문제도 있어 새로운 방법을 사용해야 한다. 다행스럽게도 이 X-ray 포커싱 방식은 이미 1991년에 등장하여 방사선 치료 장치에 사용되었습니다. 당시 특허는 현재 만료되었습니다. X선관의 출력 전력과 초점 광학 경로 문제도 있습니다. X선 감광성 포토레지스트도 새로운 기술입니다.

이 X선 노광기는 ASML의 기존 노광기와는 기술적인 경로가 완전히 다르다. 관련 기술적 문제만 해결되면 중국이 차세대 노광기 분야에 직접 진출할 수 있다. 더 이상 프로세스 개선의 주요 제한 요소가 아닙니다.

미국 과학자들이 개발한 방법으로 속이 빈 유리 모세관 빔을 이용해 X선을 집속해 극자외선을 집속시키는 방법도 가능하다. 이 방법은 리소그래피에 사용할 경우 광학렌즈가 필요하지 않다. 기계.

그래서 개인적으로는 지금 8나노 노광기를 개발하는 것이 가능하다고 생각하는데, 그래도 너무 빠르거나, 신뢰도가 떨어지는 것 같아서 놀랍습니다.

다만 국산 칩에 필요한 장비, 자재 등에 대한 검증은 SMIC가 담당한다고 한다. 만약 지금 8나노 노광기가 실제로 출시된다면 SMIC가 검증 작업을 담당해야 하는데, 이 작업은 약 1년 정도(성숙한 제품보다 길어질 것으로 예상) 소요될 것으로 추정된다. 사실인지는 1년 뒤에 확인해봐야 할 것 같다.

@Jim 박사님의 리소그래피 기계에 관한 일련의 기사를 통해 많은 지식을 얻었습니다. 여기에 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.

독창적인 것이 쉽지 않은데, 많은 지원 부탁드립니다.