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光刻机你为什么这么难?

2020年3月26日 14:28:03

本文来自 微信公众号“穿越新世纪”。

光刻机是芯片制造最为重要的设备之一,也是国内集成电路产业最受限制的上游核心设备,高端光刻机堪称现代光学工业之花,其制造难度之大,全世界只有少数几家公司能够制造。正是因为有了光刻机的存在,才能在全球工厂每秒钟刻出上千亿个晶体管且分毫不差。

光刻机里核心的系统是曝光系统,全球只有荷兰ASML(ASML.US,镜头来自德国),日本Nikon尼康(intel曾经购买过Nikon的高端光刻机)和日本Canon佳能等在内的4家公司可以提供。

国内成立上海微电子SMEE,一直在攻克光刻机的技术,光刻机研发过程相对比较漫长,目前28nm制程已基本突破,一旦突破14nm制程就可以做芯片级的加工。目前,SMEE的曝光设备主要用于LED曝光机,以及4.5代以及6代TFT面板机设备,形成产品系列初步实现海内外销售。

为什么光刻机这么难制造

中国一直以来都想掌握光刻机技术,但是上海微电子经过18年的努力,才造出28nm的光刻机,这已经十分不容易了,这可是0的突破。那么为什么光刻机这么难造呢?

首先,光刻机分为光刻机分为前道光刻机、后道光刻机等。前道光刻机就是大家熟知的ASML的光刻机,用于芯片制造。后道光刻机主要用于芯片封装,上微目前在后道光刻机上已经达到了全球主流技术水准,而前道光刻机,也就是大家所熟悉的ASML光刻机,这才是难度最高的光刻机。

这就不得不说一下光刻机的工作过程光刻机的整体工作流程是硅晶圆首先进行光刻,涂胶后继续进行刻蚀,后续离子注入,曝光,最后进行清洗。光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片的高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片,价值数万美元一块。ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。

这里简单介绍一下光学元件的生产难度,主要是集中在:一曝光能力,另一个是镀膜能力,曝光镜头对于膜系设计要求很高,首先需要用仿真软件设计结构,实现特定的光学效果,设计出来后对于后续的生产加工要求更难,一方面是高端的镀膜材料;二是高精度镀膜设备,三是镀膜工艺,如何高良率完成镀膜工艺。抛光现在设备在逐步替代手工,设备可大大提高精度。

镀膜除设备外,主要是看供应商能不能设计出合格的膜系。“同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”SMEE总经理说,其在德国看到,抛光镜片的工人,祖孙三代在同一家公司的同一个职位。镜头研磨是一个实实在在的匠人岗位,用精雕细琢的坚守成就了行业的精彩和产品的卓越!

除此之外,光刻机需要体积小,但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极复杂。有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭,光源将极紫外光集中到一起只能靠反射了。用硅与钼制成的镀膜反射镜,可以用来集中极紫外光。但是极紫外光每被反射一次,能量就会损失三成。极紫外光从光源出发,经过十几次反射,到达晶圆的时候,只剩下不到2%的光线了,极紫外光EUV的能源转换效率只有 0.02% 左右,这也是解释了为什么要求有强激光作为光刻机的发光光源。

光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。这些上微都很难达到。

除此之外,英特尔(INTC.US)、三星、台积电(TSM.US)等半导体巨头都会给予ASML资金还要技术支持,像有一年,英特尔、台积电、三星等彼此竞争的三大巨头,竟联袂投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。如今,ASML研发经费倍增到每年十三亿欧元的规模。多出的一倍,ASML自己出一半,三大半导体巨头合出另一半。

现任台积电研发副总、世界微影技术权威林本坚,在当时力排众议,认为将市面既有的193nm微影透过水折射,效果可较当时被期待接棒的157nm为佳。ASML也迅速呼应台积电,一年后,推出世界第一台以水为介质的浸润式微影实验样机。该技术大受欢迎,迅速成为业界主流,日本的Nikon与佳能投入巨资研发的157nm微影技术,竟从此被搁置。自此Nikon与佳能再也无法与ASML在高端光刻机上竞争。

荷兰的ASML尽管垄断了世界上半导体芯片光刻机的生产,但其最为核心的曝光镜头(物镜),是由德国蔡司光学独家供应,镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。2016年11月3日,ASML以10亿欧元现金收购卡尔蔡司SMT子公司的24.9%股权,强化双方在半导体光刻技术方面的合作,发展下一代EUV光刻系统,同时ASML也将在未来6年内投资约2.2亿欧元支持CarlZeiss SMT在光学光刻技术上的研发,以及约5.4亿欧元的资本支出和其他相关供应链投资。

写在最后:

以上的研发投入以及产业上下游顶级供应商的深度绑定这些都是上海微电子所不具备的,上海微和荷兰ASML在光刻机上的差距客观上反映了中国和西方在精密制造领域的差距,一台顶级光刻机的关键零部件来自不同的西方发达国家,美国的光栅,德国的镜头,瑞典的轴承,法国的阀件等等,就算要命的是所有这些顶级零件都是对中国禁运的,而且我们的大学研究机构在半导体领域也偏薄弱,无法提供有效的技术支持,致使我国的光刻机技术一直处在弱势地位,这个行业也是欧美对我们进行深度卡脖子的环节。

不过上微也一直在努力探索,不断寻求突破,目前已经达到了28nm的制程。路漫漫其修远兮,技术的发展总是需要升级迭代的过程,现在国家的政策就是让上海微做好中低端光刻机,毕竟许多芯片并不需要高端和顶级光刻机。做好了中低端,就能生存下去,慢慢的培养国内零部件商,一点一点的往上做,相信时间不是问题,沉下来,我们国家终究能一步步的攻克下这一人类骄傲之花!(编辑:孟哲)

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