上一篇科普文章《多重曝光過程如何超越光刻機(jī)的極限分辨率》獲得了不錯的反響，但也有人表示不明白其中的一些專業(yè)知識。例如，仍然沒有完整的邏輯來解釋：為什么28nm光刻機(jī)不能通過多重曝光工藝實現(xiàn)14nm甚至7nm光刻工藝？

因此再來一篇，把上次沒講清楚的問題徹底解決掉。因此今天的科普的知識點(diǎn)，接上一次的長文。

今天討論的主題是：28nm光刻機(jī)為什么不能通過多曝工藝實現(xiàn)14nm，甚至7nm的曝光工藝？

在了解這個復(fù)雜的半導(dǎo)體知識之前，還得先學(xué)習(xí)前置的知識點(diǎn)。今天知識點(diǎn)內(nèi)容包括：[敏感詞]、所謂28nm光刻機(jī)是什么？如何定義？第二，決定光刻機(jī)的最小精度有哪些因素？什么叫套刻精度？第三、晶體管的實際參數(shù)和定義；第四，多曝工藝/SAQP四曝工藝的詳細(xì)圖解。

字?jǐn)?shù)原因分兩段，今天講[敏感詞]和第二點(diǎn)，第三第四下一次。

全文5100多字。

一、28nm光刻機(jī)是如何定義的

首先業(yè)內(nèi)并沒有28光刻機(jī)這樣的叫法，這個說法只存在民間，但是既然是科普，那還得按普通人的視角來解釋。

所以所謂的28光刻機(jī)，應(yīng)該到底怎么來定義？

按一般意義上的理解，最小精度能滿足28nm線寬的顯然就能算28光刻機(jī)？那么問題又來了，28nm的實際線寬是多少呢？

上篇講過了，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實類似高樓大廈，最底下的晶體管間距最小，上面的金屬互聯(lián)層間距相對較大，所謂的28nm光刻機(jī)應(yīng)該是指滿足最M0/M1層的小晶體管特征尺寸的光刻機(jī)。

28nm的實際特征尺寸是多大呢？

上次介紹了28nm有兩版經(jīng)典的工藝分別是28HKMG（高K金屬柵極）和28Poly（多晶硅氮氧柵極），實際上不僅僅是這2個版本，TSMC當(dāng)年在28nm平臺上有延伸出LP，HPM，HPC，HPC+等多個版本，主要是為了針對不同的客戶需求，有些客戶追求頻率和性能，有些客戶則追求更低功耗比，因此盡管都是28nm工藝，但是在各個工藝版本略微有區(qū)別。

之所以要搞這么多工藝版本，主要原因是這些工藝的變化，會帶來設(shè)計規(guī)則的變化，更加靈活的設(shè)計規(guī)則一方面是能減少并改善光刻步驟，第二是不同的工藝能夠明顯改進(jìn)柵極間距，目的是改善性能或者漏電。

根據(jù)業(yè)內(nèi)大佬的介紹，28HPC/HPC+和28LP/HP/HPL/HPM略有區(qū)別，柵極長度分別是HPC版本的40nm/35nm/30nm和LP版本的38nm/35nm/31nm。

從這點(diǎn)上大家就發(fā)現(xiàn)了，28nm工藝的實際柵極長度，并不是28nm，[敏感詞]的有40nm，而最小的則是31nm，實際上一共有6種規(guī)格，甚至22nm都能算28nm的一個變種。

這就是我在上一次長文說中，從40-28nm工藝開始，工藝節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱和實際柵極長度已經(jīng)不是一一對應(yīng)，而是相對等效關(guān)系的原因。

因此要滿足28nm工藝，在不考慮其他工藝因素的情況下，光刻機(jī)的極限分辨率應(yīng)該至少能滿足40nm最小曝光線寬，由于40nm的不是主力量產(chǎn)制程，實際情況應(yīng)該至少滿足CD=35nm左右的才是主力制程光刻機(jī)，也就是普通人通常意義上理解的28nm光刻機(jī)。

我查閱了ASML光刻機(jī)的各個型號的參數(shù)，從理論上講，NXT 1950的精度就可以試試看，咨詢了河哥之后也確實得到了肯定的答案，國外FAB研發(fā)工程師們最早就是嘗試使用1950進(jìn)行28nm的工藝研發(fā)。

但是由于1950問題比較多，很快就被放棄，而且隨著工藝演進(jìn)，國外FAB的28量產(chǎn)主力光刻機(jī)變成NXT 1960B和NXT 1970C。

其中1970C[敏感詞]用，但是國內(nèi)情況不一樣，國內(nèi)當(dāng)時28nm進(jìn)度落后國外先進(jìn)水平大約4-5年，等真的要上量的時候，1970已經(jīng)沒了，所以國內(nèi)的28nm量產(chǎn)版本其實用的是NXT 1980D，這里僅做實際情況的說明。

實際上1980去做28nm工藝相當(dāng)于大炮打蚊子，因為1980比1970貴好多，但是沒辦法，沒有舊的大炮，只能上新的大炮。

因此結(jié)合實際情況，到這里我們可以做出一個結(jié)論：所謂的28nm光刻機(jī)實際應(yīng)該特指NXT 1970Ci這個型號。

最后[敏感詞]兩個小故事，[敏感詞]、是某位大佬說HKMG工藝是英特爾把全世界帶到坑里，走了很多歪路，原因據(jù)說這個HK是鋁。

第二，從上面的細(xì)節(jié)各位也可以看到，哪怕同一個公司，同一個工藝平臺，不同版本的工藝，設(shè)計規(guī)則也是不同的。也就是說，如果今天有個芯片設(shè)計公司想要換掉原來的流片工藝，這等于后端設(shè)計和仿真工作幾乎全部推倒重來，成本是非常高昂的，越是高端的換工藝成本就越高，IC設(shè)計的大公司有錢無所謂，小公司真的要好好思考一下，要不要換廠，要不要換工藝這個問題，不是說話就換的。

所以不要覺得設(shè)計公司換個FAB廠流片是件很簡單的事，這不是你下樓買菜，這家不好就換一家，這里面可復(fù)雜了，半導(dǎo)體領(lǐng)域就從來沒有簡單的事，不要用日常思維去理解半導(dǎo)體里面的事，實際上根本不是一個概念。

以后有空敲一篇吐槽一下網(wǎng)上哪個項XX啥都不懂的專家，天天喊TSMC南京廠擴(kuò)產(chǎn)會搶光國內(nèi)FAB生意，臥槽，你以為換一家FAB流片是說換就換的？生意說搶就搶？

第二，決定光刻機(jī)的最小精度有哪些因素？什么叫套刻精度？

光刻機(jī)是一個非常龐大的光學(xué)系統(tǒng)，任何內(nèi)部或者外部微小的差錯都會影響最終效果，光的世界里，錯了就是錯了，有誤差就是有誤差。

如果從瑞利判據(jù)公式上看：CD=K1*λ/NA。顯然影響最小CD的因素太多，如果拋開外部影響因素這個K1，K1代表了光刻膠的聚合度，分子量，顆粒度，感光劑，以及硅片的平整度，光的入射角度，雜質(zhì)/灰塵的影響量這些因素。

那么如果是同平臺，同光源波長放一起做比較，那么影響精度最主要的原因，則是在線量測精度和雙工件臺運(yùn)動精度。

雙工件臺，也就是ASML的獨(dú)門絕技 “TWINSCAN”平臺技術(shù)，讓ASML保持競爭力的[敏感詞]秘訣！

[敏感詞]一個ASML和尼康的小故事，我曾經(jīng)叫它尼康棺材板上的三顆釘子，這是第二顆。

在《光刻巨人》那本書上也提到過，盡管當(dāng)年在8英寸工藝上，ASML的PAS 5500也通過了IBM/英特爾們的認(rèn)證，但是實際采購上英特爾基本沒怎么正眼看過ASML，產(chǎn)線上實際大量采購的還是尼康的S-204/205。

大量采購PAS 5500光刻機(jī)，反而是TSMC， 三星，Micron這樣的代工和存儲客戶。

實際上在設(shè)備產(chǎn)能這項指標(biāo)上，PAS 5500是強(qiáng)于S205的，為什么英特爾們就不用呢？

原因很簡單，因為對于壟斷CPU市場的英特爾而言，市場蛋糕足夠大，完全可以躺賺，生產(chǎn)快一點(diǎn)還是慢一點(diǎn)根本無關(guān)痛癢，因此從未要求高產(chǎn)能。一度英特爾的產(chǎn)能利用率只有60%，甚至晚上都不開工，慢慢悠悠絲毫不慌，因此這也是哪怕PAS 5500對比尼康的S205有產(chǎn)能優(yōu)勢，但是在前期英特爾也對ASML沒有興趣的原因。

但是臺積電們不一樣，產(chǎn)能就是生命線，60%的產(chǎn)能利用率？晚上就停工不生產(chǎn)？這還不虧炸?。繉τ谂_積電這類晶圓代工企業(yè)而言，必須在成本、效率、產(chǎn)能上有優(yōu)勢，才能殺出這個激烈的戰(zhàn)場，才能在競爭中站穩(wěn)腳跟。所以競爭使人進(jìn)步，壟斷使人慵懶，ASML使用高產(chǎn)能的光刻機(jī)來牢牢抓住臺積電們的心，同理存儲廠也是，競爭非常激烈，哪像英特爾那樣能躺著賺錢??！

不過話說回來，F(xiàn)AB廠的工作，殘酷是真的殘酷，也只有東亞文化圈培養(yǎng)出來的隱忍，[敏感詞]服從工程師才能適應(yīng)。

以前TSMC流傳個段子：你在TSMC工作會很有錢，因為你根本沒有花錢的時間。

殘酷度可見一斑，什么996在FAB面前都弱爆了！

FAB的活和制度簡直不是人干的！最近網(wǎng)上有個特許出來的哥們，在長篇連載當(dāng)年他在新加坡特許的工作經(jīng)理故事叫《一名芯片老兵的回顧》，各位可以去看一下，非常現(xiàn)實。

也許看完以后，你就知道，灑家為什么敢放出豪言，“如果臺積電的亞利桑州新廠做的好，我就去科羅拉多河里倒立洗頭的誓言”。因為我覺得美國這幫人，就不可能把這項工作做好。要不去灣灣那邊搞人過來，但是各位都懂，想去美國的都是為了拿綠卡的潤人，心懷鬼胎的那種，能做的好是真的有鬼了。

關(guān)老師：你去科羅拉多河里洗頭就算了，下次直播間給你用開水洗頭！

我：？？？！??！…………………………

回到主題上，那ASML是如何提高產(chǎn)能呢？它拿出了什么樣的絕活？

回顧起來，解決方案其實很簡單。圖案在被曝光到晶圓前，必須對晶圓進(jìn)行精準(zhǔn)量測。量測和曝光都需要時間，為了減少每個過程需要的時間提升效率，為什么不在曝光一個晶圓的同時，對后一個晶圓開始進(jìn)行量測和對準(zhǔn)工作呢？就這樣，TWINSCAN系統(tǒng)誕生了

TWINSCAN系統(tǒng)：一個負(fù)責(zé)前期對準(zhǔn)量測，另外一個負(fù)責(zé)曝光

TWINSCAN是[敏感詞]個也是[敏感詞]一個具有雙晶圓工作平臺的光刻系統(tǒng)。晶圓被交替地裝載到TWINSCAN平臺上，當(dāng)一個平臺上的晶圓正在曝光時，另一個晶圓被裝到二號平臺進(jìn)行對準(zhǔn)和測量，然后兩個平臺交換位置，原來在二號平臺的晶圓進(jìn)行曝光，而一號平臺的晶圓完成卸載。然后，新的晶圓被裝載，進(jìn)行對準(zhǔn)和測量工作。

這種量測對準(zhǔn)和曝光同時進(jìn)行的并行方案能極大提高光刻機(jī)單位小時內(nèi)的產(chǎn)能，這幫助臺積電們極大提高生產(chǎn)效率，提升最終效益。

2001年，[敏感詞]采用這種革命性技術(shù)的TWINSCAN雙晶圓平臺系統(tǒng)出貨了——TWINSCAN AT:750T型光刻機(jī)。

750T型光刻機(jī)使用的是波長為248nm的KrF光源系統(tǒng)，支持130nm工藝的生產(chǎn)。不久，ASML的i線光刻機(jī)也引入了雙晶圓平臺，即TWINSCAN AT:400T；隨后這項技術(shù)又引入到更高端的193nm的ArF光刻機(jī)上，即TWINSCAN AT:1100。因此從i線到KrF線，TWINSCAN系統(tǒng)跨越ASML各個平臺型號的光刻機(jī)，擴(kuò)大了技術(shù)范圍，讓所有芯片層都能在新平臺上曝光。

ASML的持續(xù)創(chuàng)新能力為TWINSCAN平臺的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率提供了漸進(jìn)式的改進(jìn)——以平臺升級、新系統(tǒng)升級和現(xiàn)場升級等不同方式，總之客戶怎么舒服怎么來。

因此雙工件臺的運(yùn)動精度在某種程度上，是光刻機(jī)對準(zhǔn)精度的關(guān)鍵中的關(guān)鍵！

了解雙工件臺的工作過程也讓人感覺到不可思議，這就是科技的力量。

它們每時每刻都在高速運(yùn)動，靜止的狀態(tài)瞬間急加速然后瞬間急停下達(dá)到的它應(yīng)該停的位置上，精確度令人嘆為觀止。

如果按照瞬間的加速度算，已經(jīng)超過火箭發(fā)射升空的速度，下一刻精準(zhǔn)的停在位置上，不能出現(xiàn)任何差錯，因為這種速度下任何差錯都沒辦法彌補(bǔ)。錯了雖然不至于整片晶圓報廢只能重來，但是這樣差錯多幾次，趕緊跑路吧，工程師直接提著40米大刀來砍人了。雙工件臺就這樣加速-急停-加速-急停，不斷重復(fù)這一過程，同時保持長期穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

因此雙工件臺這套系統(tǒng)某種意義上講，決定了光刻機(jī)[敏感詞]產(chǎn)能，以及它的精度，在光刻機(jī)的世界里這個叫Overlay——套刻精度。

以NXT 1980Di為例，官方給的參數(shù)是DCO≤1.6nm，MMO≤2.5nm。

除了這兩個機(jī)器參數(shù)之外，實際工藝參數(shù)叫OPO，這個大概是3nm。

重點(diǎn)來了！科普一個99%都不知道的知識。

OPO是On Product Overlay的意思，產(chǎn)品上的套刻精度，因為芯片制造工藝有點(diǎn)類似蓋樓的過程，相當(dāng)于上次曝光和現(xiàn)在的對齊精度，這個精度是3nm以內(nèi)，這個OPO和使用者水平有關(guān)系。

DCO是Dedicate Chuck Overlay的縮寫，相當(dāng)于同一臺設(shè)備自己套自己的精度，這個是1.6nm以內(nèi)。

MMO是Mix-and-Match Overlay的縮寫，相當(dāng)于不同設(shè)備之間的套刻精度，這個可以做到小于2.5nm。

還記得多曝工藝嗎？多曝工藝其中有很重要的一步，就是把原本一塊掩膜板圖形，拆分兩塊分兩次曝光，以此來得到更小的圖形。

顯然，不管是OPO還是DCO，還是MMO，這幾個參數(shù)共同決定了你能不能用多曝工藝，以及量產(chǎn)之后的曝光圖形的一致性，和上下層最終的對準(zhǔn)精度。

如果不管是哪個參數(shù)不夠看，那么多次曝光做出來的圖形，一定是歪歪扭扭，慘不忍睹，一塌糊涂，別說良率了，估計整個晶圓都得報廢。

這里列出ASML官方數(shù)據(jù)1970和1980的參數(shù)對比。

很明顯，1970和1980在很多技術(shù)指標(biāo)上是有明顯的差別的。

今天網(wǎng)上有傳這個圖。

只能說上面錯誤百出，什么NXE 3400 寫成NXT， 什么NXT 2000早停產(chǎn)了，也根本賣進(jìn)過國內(nèi)，還什么國內(nèi)好幾臺，什么2050能做到5nm，不說了錯太多了。

回到主題。

之所以，為什么1970只能干到28nm，14nm都很吃力，7nm就更別提了，原因就在這里，1970的Overlay和1980相比，差一截??！

Overlay的性能不夠看，臣妾做不到?。?/strong>