今天我們就來(lái)了解一下光刻機(jī)。
在整個(gè)芯片制造工藝中，幾乎每個(gè)工藝的實(shí)施，都離不開光刻的技術(shù)。光刻也是制造芯片的最關(guān)鍵技術(shù)，他占芯片制造成本的35%以上。
當(dāng)芯片完成 IC 設(shè)計(jì)后，就要委托晶圓代工廠進(jìn)行芯片制造封裝。
芯片制造中，晶圓必不可少，從二氧化硅（SiO2）礦石，比如石英砂中用一系列化學(xué)和物理冶煉的方法提純出硅棒，然后切割成圓形的單晶硅片，這就是晶圓。
從硅棒上切下的晶圓片
晶圓是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來(lái)的房子就會(huì)歪來(lái)歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，這個(gè)基板就是晶圓。
光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片 (主要指硅片) 或介質(zhì)層上的一種工藝。
光刻技術(shù)就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)芯片設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的線路與功能區(qū)“印進(jìn)”晶圓之中，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。
就好像原本一個(gè)空空如也的大腦，通過(guò)光刻技術(shù)把指令放進(jìn)去，那這個(gè)大腦才可以運(yùn)作，而電路圖和其他電子元件就是芯片設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的指令。
光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面：
1. 光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。
2. 刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過(guò)約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。
而光復(fù)印技術(shù)就是光刻機(jī)，而刻蝕工藝就是蝕刻機(jī)。
在光刻技術(shù)的原理下，人們制造了光刻機(jī)，光刻機(jī)通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過(guò)畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到晶圓上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在晶圓上的電路圖（即芯片）。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過(guò)一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過(guò)程。現(xiàn)在先進(jìn)的芯片有30多層。
可以說(shuō)光刻決定了半導(dǎo)體線路的精度，以及芯片功耗與性能，相關(guān)設(shè)備需要集成材料、光學(xué)、機(jī)電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。
芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
光刻機(jī)的種類有很多種，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)；有用于封裝的光刻機(jī)；還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)。用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)是中國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板。
因?yàn)楣鈱W(xué)光刻是通過(guò)廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過(guò)光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長(zhǎng)是提高分辨率的最有效途徑。
最早的光刻機(jī)采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機(jī)對(duì)接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良， 通過(guò)氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細(xì)小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。
根據(jù)所使用的光源的改進(jìn)以及雙工作臺(tái)、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，光刻機(jī)經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了升光刻機(jī)的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。
現(xiàn)在廣泛使用的光刻機(jī)分為干式和浸沒式，45nm以下的高端光刻機(jī)的市場(chǎng)中，ASML是目前市場(chǎng)的龍頭，占據(jù) 80%以上的份額。
而目前最為先進(jìn)的光刻機(jī)叫EUV光刻機(jī)，目前華為麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技術(shù)，EUV技術(shù)也叫紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），它以波長(zhǎng)為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。具體為采用波長(zhǎng)為13.4nm 的紫外線，目前1-4 代光刻機(jī)使用的光源都屬于深紫外光，而5代EUV光刻機(jī)則屬于極紫外光。
根據(jù)瑞利公式（分辨率=k1·λ/NA），這么短的波長(zhǎng)可以提供極高的光刻分辨率。在1985年左右已經(jīng)有半導(dǎo)體行業(yè)科學(xué)家就EUV技術(shù)進(jìn)行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。
在摩爾定律的規(guī)律下，以及在如今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的信息時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)人員對(duì)于半導(dǎo)體的未來(lái)發(fā)展充滿憂慮。所以便想通過(guò)新的光刻技術(shù)來(lái)對(duì)當(dāng)前的芯片制造方法做出全面的改進(jìn)，推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展。
光刻機(jī)龍頭企業(yè) ASML 從 1999 年開始 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)工作，原計(jì)劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到 2010 年 ASML 才研發(fā)出第一臺(tái) EUV 原型機(jī)， 2016 年才實(shí)現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計(jì)時(shí)間晚了十幾年。直到2019年，第一款7nm EUV 工藝的芯片 Exynos 9825 才正式商用。
EUV 光刻機(jī)面市時(shí)間表的不斷延后主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無(wú)法達(dá)到 250 瓦的工作功率需求，二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。到了2020年，主流的手機(jī)旗艦芯片都將采用EUV技術(shù)。
受《瓦森納協(xié)定》影響，“瓦森納安排”規(guī)定成員國(guó)自行決定是否發(fā)放敏感產(chǎn)品和技術(shù)的出口許可證，并在自愿基礎(chǔ)上向“安排”其他成員國(guó)通報(bào)有關(guān)信息。但“安排”實(shí)際上完全受美國(guó)控制。所以中國(guó)在前幾年一直無(wú)法獲取到最新的光刻機(jī)，直到2018年，中芯國(guó)際花費(fèi)1.2億美元向荷蘭頂級(jí)光刻機(jī)廠商ASML訂購(gòu)了一臺(tái)最先進(jìn)的EUV(極紫外光)技術(shù)光刻機(jī)。
和西方國(guó)家相比，中國(guó)一直最為缺少半導(dǎo)體生態(tài)，而這也限制了中國(guó)光刻機(jī)的發(fā)展，像國(guó)外，IC設(shè)計(jì)廠商、晶圓體代工廠直接和光刻機(jī)進(jìn)行技術(shù)交流、扶持，從而形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有完整的半導(dǎo)體生態(tài)，光刻機(jī)制造廠商可以生產(chǎn)出最符合IC設(shè)計(jì)廠商以及晶圓體加工廠的設(shè)備，而IC設(shè)計(jì)廠商、晶圓體代工廠對(duì)光刻機(jī)制造廠商的技術(shù)對(duì)接、扶持又促進(jìn)了光刻機(jī)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，從而形成一個(gè)正循環(huán)。
比如中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)積電林本堅(jiān)創(chuàng)新性地提出浸沒式光刻設(shè)想后， ASML開始與臺(tái)積電合作開發(fā)第四代浸沒式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出第一臺(tái)浸沒式光刻機(jī)TWINSCANXT:1900i，該設(shè)備采用折射率達(dá)到 1.44 的去離子水做為媒介，實(shí)現(xiàn)了 45nm 的制程工藝，并一舉壟斷市場(chǎng)。
這造成當(dāng)時(shí)的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機(jī)被市場(chǎng)拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產(chǎn)品線上顯著落后于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML 一家獨(dú)大的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而這一方面又鞏固了臺(tái)積電在晶圓代工上的龍頭地位，讓臺(tái)積電掌握了最為先進(jìn)的制加工工藝，促進(jìn)了臺(tái)積電的發(fā)展。
中國(guó)市場(chǎng)是沒有這樣的半導(dǎo)體生態(tài)的，除了海思之外，上下游都沒有在世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商進(jìn)行反哺產(chǎn)業(yè)鏈，在2017年梁孟松加入中芯國(guó)際之后，中芯國(guó)際才掌握了12納米的加工工藝，與臺(tái)積電還有著明顯差距。
目前上海微電子在封裝光刻機(jī)和LED光刻機(jī)領(lǐng)域都取得了突破，公司的封裝光刻機(jī)已在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)廣泛銷售，國(guó)內(nèi)市占率達(dá)到80%,全球市占率40%，但是用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)目前才掌握90nm光刻機(jī)，目前上海微電子在攻克45nm的工藝技術(shù)。
上海微電子裝備有限公司光刻機(jī)現(xiàn)場(chǎng)展示
而至于曝光的中國(guó)研發(fā)成功紫光超分辨光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)22納米工藝制程，結(jié)合多重曝光技術(shù)后，可用于制造10納米級(jí)別的芯片，純屬誤讀，紫光超分辨光刻機(jī)適用于特殊應(yīng)用，類似的應(yīng)用范圍是光纖領(lǐng)域、5G天線，無(wú)法應(yīng)用在集成電路領(lǐng)域。
超分辨光刻設(shè)備加工的4英寸光刻樣品
為什么造光刻機(jī)這么難，光刻機(jī)需要體積小，但功率高而穩(wěn)定的光源。ASML的頂尖光刻機(jī)，使用波長(zhǎng)短的極紫外光，光學(xué)系統(tǒng)極復(fù)雜，而位于光刻機(jī)中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成。鏡片得高純度透光材料+高質(zhì)量拋光。ASML的鏡片是蔡司技術(shù)打底。鏡片材質(zhì)做到均勻，需幾十年到上百年技術(shù)積淀，德國(guó)一些拋光鏡片的工人，祖孫三代在同一家公司的同一個(gè)職位。
有頂級(jí)的鏡頭和光源，沒極致的機(jī)械精度，也沒有用。光刻機(jī)里有兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的工件臺(tái)，一個(gè)載底片，一個(gè)載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個(gè)工作臺(tái)由靜到動(dòng)，加速度跟導(dǎo)彈發(fā)射差不多。而中國(guó)目前還缺少這樣的核心器件，還需要海外進(jìn)口。
中科院院士劉明表示雖然這些年我國(guó)在關(guān)于光刻機(jī)的很多領(lǐng)域取得進(jìn)展，但是總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)的光刻機(jī)技術(shù)與國(guó)外技術(shù)依舊有15到20年的差距。
目前中國(guó)在蝕刻機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)突破了5nm，追平與世界的差距，我們也希望有一天我們能夠在光刻機(jī)領(lǐng)域利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)追求與世界的差距。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：DT新材料