Qu’est-ce qu’un équipement de lithographie pour semi-conducteurs ?
Les équipements de lithographie pour semi-conducteurs sont utilisés pour représenter des schémas de circuit sur des plaquettes de silicium dans le processus de fabrication des semi-conducteurs. Une puissante lumière ultraviolette est transmise à travers un photomasque, qui sert de prototype pour le dessin du circuit, et le dessin du circuit est transféré sur la plaquette de silicium recouverte de résine photosensible. Ces dernières années, certains équipements utilisent un laser d’une longueur d’onde de 13 nm, connu sous le nom d’EUV, pour miniaturiser les modèles de circuits fins. Ces équipements sont coûteux car ils nécessitent une très grande précision de positionnement, etc.
Utilisations des équipements de lithographie pour semi-conducteurs
L’équipement de lithographie pour semi-conducteurs est utilisé dans le processus d’exposition lors de la fabrication de circuits intégrés (CI), qui contiennent des éléments semi-conducteurs tels que des semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS)-FET (transistors à effet de champ).
Dans le processus de fabrication des circuits intégrés, les cycles de photolithographie et de gravure sont répétés séquentiellement sur une plaquette de silicium pour empiler et traiter des couches (couches) d’oxydes de silicium et de métaux en un motif prédéterminé, qui est traité pour avoir les caractéristiques requises pour les dispositifs à semi-conducteurs. Dans le cas des MOS de type n (NMOS), par exemple, un MOS de type n (type n+) est formé en formant un film d’oxyde de silicium dans la région de la grille sur un substrat de silicium de type p et un métal de grille par-dessus, et en implantant des ions à haute concentration d’impuretés dans les régions du drain et de la source. Chacune des étapes de photolithographie et de gravure de cette série de processus est organisée comme indiqué dans le diagramme (processus de dépôt de film et processus de décapage de la résistance).
Parmi ces étapes, le processus d’exposition est le processus réalisé à l’aide d’équipements d’exposition pour semi-conducteurs. Différentes longueurs d’onde de l’équipement d’exposition sont utilisées en fonction des dimensions du motif du circuit et de la précision du dispositif à semi-conducteur.
Principe des équipements de lithographie pour semi-conducteurs
Les systèmes d’exposition des semi-conducteurs se composent d’une source lumineuse, d’une lentille de condensation, d’un photomasque, d’une lentille de projection et d’une platine. La lumière ultraviolette générée par la source lumineuse est ajustée par la lentille du condenseur de manière à ce qu’elle soit orientée dans la même direction. La lumière ultraviolette traverse ensuite un photomasque, qui sert de prototype pour une couche du schéma de circuit, et la lumière est réduite par la lentille de projection pour transférer le schéma de circuit (une couche du schéma de circuit) du dispositif semi-conducteur sur la plaquette de silicium. Dans les systèmes d’exposition tels que les steppers, lorsqu’une transcription est terminée, la plaquette de silicium est déplacée par la platine et le même motif de circuit est transféré à une autre position sur la plaquette de silicium. En remplaçant le photomasque, il est possible de transférer une autre couche du schéma de circuit du dispositif semi-conducteur.
Des lasers à excimère KrF d’une longueur d’onde de 248 nm, des lasers à excimère ArF d’une longueur d’onde de 193 nm et des sources de lumière EUV d’une longueur d’onde de 13 nm sont utilisés comme sources de lumière.
Les règles de conception (dimensions minimales de traitement) pour les derniers processus de fabrication de semi-conducteurs sont devenues de plus en plus fines, jusqu’à 3-5 nm, de sorte que les lentilles de condenseur, les masques photographiques, les lentilles de projection et les étages nécessitent tous une haute précision dans la gamme nanométrique. De plus, comme l’empilage progresse, l’exposition est effectuée plusieurs fois avant qu’un seul semi-conducteur ne soit produit en changeant le schéma du circuit.
Taille et part de marché des équipements de lithographie pour semi-conducteurs
Le marché mondial de l’électronique continue de se développer et l’industrie des semi-conducteurs joue un rôle de plus en plus important dans cette expansion. Le marché mondial des semi-conducteurs a connu une croissance négative en 2019, mais il a continué à se développer par le passé, malgré l’effondrement de Lehman Brothers. Ces dernières années, le développement technologique de la mémoire est passé de la miniaturisation à la 3D, et la technologie de gravure est devenue plus importante.
La taille du marché des équipements de lithographie pour semi-conducteurs était de 1 852,2 milliards de yens en 2018.
La part de marché par région de consommation est la suivante : premièrement la Corée du Sud 36%, deuxièmement Taïwan 19%, troisièmement la Chine 18%, quatrièmement les États-Unis 14% et cinquièmement le Japon 7%. La part des équipements de lithographie pour semi-conducteurs par nationalité de vendeur (2018) est presque exclusivement dominée par l’Europe et le Japon, avec l’Europe (84 %), le Japon (14 %) et les États-Unis (2 %).
À propos des systèmes de lithographie EUV
Les systèmes de lithographie EUV (Extreme UltraViolet) sont des systèmes de lithographie de semi-conducteurs qui utilisent des longueurs d’onde de lumière extrêmement courtes connues sous le nom d’ultraviolet extrême (EUV). Ils permettent de traiter des dimensions plus fines, ce qui est difficile avec les systèmes d’exposition conventionnels utilisant la lumière du laser excimer ArF.
La miniaturisation des semi-conducteurs a progressé conformément à la loi de Moore (les circuits intégrés à semi-conducteurs deviennent quatre fois plus intégrés et fonctionnels en trois ans). La mise au point d’une technologie d’exposition par projection réduite, connue sous le nom de steppers, de longueurs d’onde d’exposition plus courtes et d’une technologie d’exposition par immersion a conduit à des améliorations spectaculaires de la résolution.
La miniaturisation signifie que la taille minimale du processus qui peut être gravée sur une plaquette devient plus petite, et la taille minimale du processus R est exprimée par la formule de Rayleigh suivante.
R = k/λ/NA *k est une constante de proportionnalité, λ est la longueur d’onde d’exposition et N.A. est l’ouverture numérique du système optique d’exposition.
Divers développements technologiques ont permis la miniaturisation en réduisant k, en réduisant λ et en augmentant NA.
Les équipements de lithographie EUV sont considérés comme une technologie capable de dépasser les limites du passé en réduisant la longueur d’onde d’exposition, et ont été produits en masse ces dernières années.
Prix des équipements de lithographie pour semi-conducteurs
L’équipement de lithographie pour semi-conducteurs est aujourd’hui indispensable à la production de masse efficace de semi-conducteurs, mais on dit qu’il s’agit de la machine la plus précise de l’histoire, ce qui en fait un produit onéreux.
Plus la longueur d’onde de la source lumineuse utilisée dans les équipements de lithographie pour semi-conducteurs est courte, plus le motif peut être formé finement et plus le prix du système d’exposition est élevé. Pour chaque longueur d’onde, la ligne i coûterait environ 400 millions de yens, le KrF environ 1,3 milliard de yens, l’ArF sec environ 2 milliards de yens, l’ArF par immersion environ 6 milliards de yens et l’EUV environ 20 milliards de yens.
Plus le circuit est fin, plus la transmission du signal est rapide et plus il est possible de réaliser des économies d’énergie, mais ces dernières années, il est devenu impossible d’ignorer l’augmentation des coûts du processus due à la miniaturisation, y compris le prix des équipements de lithographie pour semi-conducteurs.
Le débit de l’équipement de lithographie pour semi-conducteurs est également un indicateur important des performances du point de vue du coût de fabrication des semi-conducteurs. Le débit est un indicateur de performance de la rapidité avec laquelle un modèle de circuit peut être exposé, et plus le débit augmente, plus le coût de production (coût d’exploitation) par matrice de silicium diminue. Cet aspect est important pour la production de masse de puces semi-conductrices.