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高端光刻机为什么难“买”又难“造”?

“工欲善其事,必先利其器”,光刻机就是芯片制造中的那一把“利器”,也被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,在某种程度上来说,光刻工艺的决定了半导体线路的线宽,同时也决定了芯片的性能与功耗,越高端的芯片,所需要的光刻工艺也越先进。

大家都知道,芯片很重要,离开了芯片,几乎所有电子设备都会失去作用。但要是离开光刻机,自然也就制造不出芯片,同样也不可能有手机、电脑等电子设备的产生。

光刻机的关键技术:以光为媒,刻化微纳于方寸之间

指甲盖大小的一枚芯片,内部却包含了上千万个晶体管,犹如一座超级城市,线路错综复杂,这跟光刻机的工作原理相关,其中涉及到系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进学科。因此光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,具备极高的单台价值。

如果单纯从工作原理的角度来解析,光刻机并不复杂。“以光为媒,刻化微纳于方寸之间”,光刻机是通过串联的光源能力以及形状控制手段,将光束透射过画着线路图的校正,经过物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法进行显影、刻蚀处理,最终得到刻在硅片上的电路图。

但是它最难的在于,需要在极小的空间内完成超精细的纳米级雕刻工艺,为具备这项能力。需要掌握的关键技术有很多,主要包括以下几种:

1、“微缩投影系统”即所谓的“光刻机镜头”。这种镜头不是一般的镜头,其尺寸可以达到高2米直径1米甚至更大。光刻机的整个曝光光学系统,可能需要20多块锅底大的镜片串联组成,将光学零件精度控制在纳米级别。每块镜片都由高纯度透光材料制成,还包括高质量抛光处理等过程,一块镜头的成本在数万美元上下;

2、既然叫做“光刻机”,所以“光源”也是光刻机的核心之一,要求光源必须发出能量稳定且光谱很窄很窄的紫外光,这样才能保证加工精度和精度的稳定性。按照光源的发展轨迹,光刻机从最初的紫外光源(UV)发展到深紫外光(DUV),再到如今的极紫外光(EUV),三者最大的不同在于波长,波长越短,曝光的特征尺寸就越小。

高端光刻机为什么难“买”又难“造”?

(资料源自上海微电子官网、东兴证券研究所,OFweek电子工程网制图)

最早的光刻机采用汞灯产生的紫外光源,从g-line一直发展到i-line,波长从436nm缩短到365nm。随后,业界利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子, 向基态跃迁时所产生准分子激光的深紫外光源,将波长进一步缩短至193nm,由于在此过程中遇到了技术障碍,因此采用浸没式(immersion)等技术进行矫正后,光刻机的极限光刻工艺节点可达28nm。

如今,业界最先进的光刻机是EUV光刻机,将准分子激光照射在锡等靶材上,激发出波长13.5nm的光子作为光刻机光源。EUV光刻机大幅度提升了半导体工艺水平,能够实现7nm及以下工艺,为摩尔定律的延续提供了更好地方向。而业界也只有ASML一家能够提供EUV设备,处于产业金字塔顶端;

3、分辨率,对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面都有关系,总体来说,分辨率和光源波长的关系可以用公式“R(分辨率)=K1(工艺参数)λ(光源波长)/NA(光学镜头的数值孔径)”;

4、工艺节点,是反映芯片技术工艺水平最直接的参数。工艺节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系,每一个节点基本上是前一个节点的0.7倍,0.7X0.7=0.49,所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半,因此单位面积上的晶体管数量将翻番,这就是著名的摩尔定律。一般18~24个月,工艺节点就会发展一代。

工艺节点发展以28nm为分水岭,虽然依然按照0.7倍的规律前进,但实际上晶体管的面积以及电性能的提升远落后于节点数值变化。比如英特尔当时统计数据显示,他们20nm工艺的实际性能已经相当于三星14nm和台积电的16nm工艺。更麻烦的是,不同厂商工艺节点换算方法不一,导致了很多理解上的混乱。因此,只有对芯片有很高要求的产品才会采用28nm及以下先进工艺。当然,发展到现在,台积电已经开发出了更为先进的5nm工艺并实现量产,今年下半年就会有搭载相关芯片的产品面世。

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