在性能強大的計算機上運行復雜的仿真分析,以設計下一代生產(chǎn)計算機芯片的機器,這聽起來充滿了未來科技感。然而在全球領先的光刻系統(tǒng)供應商荷蘭阿斯麥(ASML)公司,這已經(jīng)是司空見慣的場景。ASML 生產(chǎn)的設備主要用于將芯片設計圖曝光到硅晶圓上涂覆的光刻膠層上。
ASML 的客戶包括眾多頂級計算機芯片供應商。為了保持市場競爭優(yōu)勢,ASML 需要能夠幫助客戶跟上摩爾定律的步伐。他們深知若想讓最新一代產(chǎn)品保持目前的發(fā)展勢頭,就必須對各種緊密耦合的物理現(xiàn)象有更深刻的理解,例如相互耦合的流體流動、固體力學等多種物理效應。
對于眾多高精度(微米或納米級)設備制造商而言,多物理場仿真是不可或缺的工具。
制造具備更高性能的芯片,意味著要在單位面積內(nèi)塞進更多晶體管。芯片的物理尺寸在不斷變小(圖 1),同時制造過程又對細微的環(huán)境變化十分敏感,這給制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)?,F(xiàn)有芯片加工工藝的精度與前幾代系統(tǒng)相比,已經(jīng)有了大幅提升。最新款***(圖 2)利用波長為 13.5nm 的極紫外光(extreme ultraviolet,簡稱 EUV)來進行光刻?!肮獾牟ㄩL與芯片上的元件尺寸(臨界尺寸)之間存在直接線性關系。”機械分析組組長 Fred Huizinga 解釋道,“我們關注的是納米尺度的形貌特征,真正是失之毫厘,謬以千里。”
圖1.智能手機處理器的制程為納米級。相比之下,人類頭發(fā)的直徑比芯片制程大 5300 倍。
圖 2. ASML? TWINSCAN? NXE:3350B 型 EVU 生產(chǎn)系統(tǒng),采用 13.5 nm 波長的極紫外光,每小時可制造125個計算機晶圓。它在高載荷下快速移動晶圓時必須維持絕對真空狀態(tài),并確保晶圓扭曲始終小于 1 nm。
光刻與刻蝕工藝需要在潔凈的真空環(huán)境中進行,并且需要采用精密的空氣軸承,而非潤滑油或滾珠??諝廨S承是承載表面之間的一個壓縮氣體薄層,它對振動極其敏感,即使是非常小的壓力波動,也會對蝕刻的精度造成巨大的影響。“對于這類系統(tǒng)來說,物理測試可能會耗費大量時間。實際上,有些現(xiàn)象微小到難以進行測試或測量,因為有時變形程度甚至比儀器的測量精度還要小一個數(shù)量級?!贬槍@種棘手的情況,數(shù)值仿真成為了深入分析工程設計的唯一途徑。
功能完備的空氣軸承設計工具
Huizinga 在加入 ASML 公司前,從事過長達 25 年汽車行業(yè)的工程指導工作。他表示“如果只需要針對‘單個物理場’進行分析,比如說單純的熱學或力學問題,那么可以使用的工具有很多。但是,我們的機器涉及許多物理現(xiàn)象,因此需要使用很多仿真工具。”對于 Huizinga 而言,COMSOL? 軟件是一件極有效的多物理場建模工具,這是因為“納米現(xiàn)象和復雜系統(tǒng)需要采用多物理場方法分析,這就需要一套完整的多物理場仿真工具?!?/p>
ASML 開發(fā)的空氣軸承模型示例(圖 3)充分體現(xiàn)了在研究中進行多物理場仿真的必要性。***中時刻進行著大量的物理運動,所以空氣軸承對于 ASML 的重要性不言而喻,由于空氣軸承具有出色的剛度和隔熱性能,并且不會因摩擦而產(chǎn)生碎片顆粒。
圖 3. ASML 光刻系統(tǒng)的空氣軸承示意圖。圖注:Metroframeload- Metro 框架載荷;Piston-活塞;Cylinder-氣缸;Bottomplate-底板;Air thin film - 空氣薄膜
對儀器的高精度追求給 ASML 帶來了新的挑戰(zhàn)。氣膜的壓力分布會導致固體結構發(fā)生局部變形,影響軸承兩側(cè)表面之間的氣隙寬度。而氣隙寬度的變化會改變表面之間的空氣流動,反過來又會影響壓力分布,繼而影響固體表面的變形程度(圖 4)。這種現(xiàn)象需要使用一個流體-固體的全耦合模型進行分析。ASML 使用 COMSOL 軟件創(chuàng)建了一個仿真模型,工程師可以自由指定所需的重要設計標準,其中包括平動和旋轉(zhuǎn)剛度、負載下的氣隙尺寸以及空氣消耗量。
圖4.仿真結果顯示了空氣軸承中氣缸和活塞的徑向變形。
Huizinga 提及的另一個未來應用場景是模擬加工臺上的晶圓所承受的載荷。晶圓上的形變非常小,為納米量級。通常利用真空裝置或靜電場產(chǎn)生夾緊力使晶圓能夠固定在加工臺上,因此在研究時必須將晶圓視為受重力、摩擦力、熱效應和附著力影響的彈性體,這又是一個全耦合的多物理場問題。設計人員可以利用模型優(yōu)化設計,無需經(jīng)歷既耗時又昂貴的樣機制作流程。
通過仿真 App 實現(xiàn)復雜設計
易用性對于一款仿真工具而言,與建模功能同等重要。即使是能夠熟練操作多物理場仿真軟件的工程師,簡單易用的仿真 App 也同樣會為他們提供巨大的便利,讓他們能夠免去大量常規(guī)或復雜的工作。ASML 的工程師使用 COMSOL Multiphysics? 軟件的“App 開發(fā)器”開發(fā)了一個名為“空氣軸承計算器”的仿真App。團隊成員借助這款易用性極佳的開發(fā)工具,無需修改原始模型,就可以對各式軸承設計的性能進行虛擬測試(圖 5)?!胺抡?App 幫助我們大幅減少了創(chuàng)建網(wǎng)格、設置分析和后處理的繁瑣工作?!盚uizinga 表示。
圖 5. ASML 公司創(chuàng)建的空氣軸承分析計算器可以讓工程師通過輸入尺寸參數(shù)和其他變量來獲取結果,而無需進行指定網(wǎng)格、模型設置及其他后處理操作。
COMSOL 產(chǎn)品對于 ASML 公司的核心價值在于:通過開發(fā)多物理場模型,對設計進行充分驗證,并讓更多的工程人員能夠方便地共享仿真成果。對質(zhì)量、性能和成本效益的追求,需要構建更小的產(chǎn)品,并在縮小產(chǎn)品時能夠保證更高的容差水平和微米級的裝配精度,是眾多行業(yè)的發(fā)展趨勢。光刻行業(yè)無疑處于這一趨勢的前沿,ASML 的成功也為其他行業(yè)帶來啟發(fā)。隨著納米級工程問題的不斷涌現(xiàn),多物理場建模時常成了唯一實用的解決方案。
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原文標題:ASML 使用多物理場仿真突破計算瓶頸
文章出處:【微信號:COMSOL-China,微信公眾號:COMSOL】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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