首页 光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的?

光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的?

半导体职业的人,大约谁也没想到,本来是专业范畴很小众的光刻机,会成为社会继续重视的热门。这既是功德,比方一会儿成为了方针和出资的风口,搞IC的人,总算能够跟搞互联网的人谈笑自若了。但也有欠好的当地,比…

半导体职业的人,大约谁也没想到,本来是专业范畴很小众的光刻机,会成为社会继续重视的热门。这既是功德,比方一会儿成为了方针和出资的风口,搞IC的人,总算能够跟搞互联网的人谈笑自若了。但也有欠好的当地,比方,有些人想借机捞一票就走,还有许多关于光刻机的文章貌同实异。

比方,媒体上经常出现的几纳米几纳米的工艺,是不是指光刻机的分辩率呢?估量大部分写公号的人都搞不懂这个问题。还有,都知道做光刻机荷兰阿斯麦鹤立鸡群,那它凶猛在哪?阿斯麦是怎样炼成的?

1 光刻就像照相

光刻类似于照相,是将掩膜版带着的集成电路结构图形,“定格”和“描写”在硅片上的进程,这个进程中需求用到的媒质是光刻胶,触及的工艺跟传统冲刷胶卷相同,包含显影和定影等进程,需求的机器设备,最中心的便是光刻机了。

光刻原理简图

光刻工艺是集成电路制作的关键进程,它对集成电路制作的重要性体现在两个方面,一是在集成电路制作进程中需求进行屡次光刻,光刻本钱占到集成电路制作本钱的30%以上;二是光刻技能水平,包含光刻机设备,决议了集成电路中的晶体管能做到多小,从而决议集成电路的集成度和功能能够到达什么程度。

2 光刻机就像面条机

光刻机类似于一个面条机,是加工制作“面条”——芯片的中心设备。不同的面条机,做出来的面条质量并不相同,有的粗,有的细,有的慢,有的快。

光刻机能够做出来多小的图形尺度,跟光刻机的结构和功能有关。因而,光刻机自创造之后,为了使造出来的“面条”作用更好,人类对光刻机进行了不断的改善。

首先是曝光光源的更新换代。从开端的436纳米波长光源,到DUV所用的248纳米和193纳米波长,再到现在最尖端的EUV13.5纳米波长,光源波长不断缩小,曝光能够获得的分辩率天然不断进步。咱们从运用光源来看,光刻机的开展首要阅历了5代,类似于一个面条机从1.0到5.0的版别。

光刻机首要开展进程

再便是光学体系结构的演进。

20世纪六七十年代,触摸式光刻机是集成电路制作的干流设备。这种机器曝光进程中掩膜版与硅片上的光刻胶直触摸摸,长处是能够减小光的衍射效应,缺点是会污染损坏掩膜版和光刻胶,缩短掩膜版运用寿命,且极易构成图形缺点,影响良率。

为了处理上述问题,20世纪70年代开端选用挨近式光刻机。这种光刻机在掩膜版和硅片之间有细小距离,因为掩膜版和硅片距离越小,光刻工艺的分辩率越高,当二者距离挨近几十微米时,就很难再减小,并且会受衍射效应的影响。

1973年,美国PerkinElmer公司推出首台扫描投影光刻机。这种光刻机与以往光刻机不同在于,光刻时以成像方法将掩膜图形投影转移到硅片上,分辩率由成像体系投影物镜的数值孔径决议。

因而,为了进一步进步数值孔径改善光刻机功能,人类又创造出浸液式光刻机,也便是在某种折射率大于空气的超纯液体中进行光刻,作业时好像把“晶圆”浸没在超纯液体中相同。

3 光刻机又像机床

光刻机又类似于一个机床,它的功能目标包含加工精度和加工速度两个方面,加工精度又能够细分为分辩率和套刻精度两个目标。

货柜式的阿斯麦光刻机

需求指出,光刻机的分辩率跟集成电路工艺的尺度不是一个概念。现在,最先进的荷兰阿斯麦公司的EUV光刻机,选用的光源波长是13.5纳米的极紫外光,光刻机分辩率为38纳米,可是使用这台光刻机能够完成7纳米、5纳米等集成电路工艺。一般说的台积电或许中芯世界7纳米或许5纳米工艺,指的是集成电路工艺水平,不是光刻机的分辩率。

套刻指的是因为结构需求,在一个硅片上进行屡次光刻曝光,像做巨细不同的套娃相同,因为每次曝光实践方位与预设方位或许存在不同,咱们差错太大,差错堆集起来是很惊人的。因而,有必要把这个差错操控在一个很小的数值内,这个数值便是套刻精度。现在,荷兰阿斯麦公司的光刻机能够完成1.4纳米的套刻精度,也便是两次光刻之间的方位差错,不到一根头发丝的万分之一!

产率描绘的是光刻曝光的速度,即光刻机的出产率,一般用光刻机在单位时间内,比方每小时曝光的硅片数量来表明,现在,最高水平的光刻机,每小时曝光速度能够到达275片硅片。

4 光刻机精度要到达飞机之间牵线搭桥

中国科学院上海光学精细机械研究所王向朝研究员,从前指出光刻机是大体系、高精尖技能与工程极限高度交融的结晶,并且有一个生动的比方:

“光刻机作业时,需求工件台和掩模台在高速运动进程中始终保持几纳米的同步精度。比方浸液式光刻机,工件台的运动速度可达1m/s,两个台子的同步运动差错的平均值需求操控到1纳米,相当于人类头发丝直径的几万分之一,这相当于两架时速1000千米的飞机同步飞翔,两架飞机相对方位差错的平均值要操控到0.3微米以内。这个难度,应该是远高于两架超音速飞机同步飞翔的时分,从一架飞机中伸出的缝衣服用的线能够精确穿进另一架飞机上的针孔的难度,如此高的难度使得光刻机的工件台/掩模台体系被誉为超精细机械技能的最高峰”。

光刻机是超杂乱超精细的体系

光刻机其他部件和分体系,比方投影物镜、操控体系、资料洁净度、设备真空度、数据处理等也都需求做到工程极限,可想而知,研发的难度有多大。

5 光刻机赛道是一场接力赛

光刻机赛道其实是一场竞赛,很像奥运会的长距离跑接力。美国、日本、德国等国家工业实力和综合国力尽管地表最强,但也不或许包办悉数竞赛的金牌。并且,即便单个队员实力出众,也不意味着在接力赛中能够跑出来终究胜出,因为比的是团队的战绩,这便是前面说的“大体系”的概念。

光刻机技能不断开展向前,某个国家只需中心有一棒没跑好,后边就很或许掉队而跟不上了。比方,2000年之后,世界上的高端光刻机公司,就只有日本的尼康、佳能以及荷兰的阿斯麦,当技能开展到双工件台的时分,因为技能跟不上,佳能就退出了,到了EUV浸液式光刻机的时分,尼康也渐渐跟不上了,所以世界上就只剩余仅有的阿斯麦,成为光刻机界的“独孤求败”。

日本尼康的光刻机

因为阿斯麦公司的技能和商场不断获得打破,因而,在荷兰和美国纳斯达克上市的阿斯麦,其股价也是一路上扬,曩昔10年涨幅大约为13倍,近几年毛利率超越40%,现在市值约1627亿美元。

阿斯麦公司的股票走势

6 研发顶尖光刻机就像应战运动极限

研发高端光刻机,好像人类去应战某项运动的极限。咱们只靠一家公司、一个国家的力气,那么它所能到达的高度,是比较有限的,而不同国家顶尖技能的调集,能够完成的高度,才是人类一段时期内的真实极限。

阿斯麦公司的英文全称是“先进的半导体资料光刻”,它就像带着全人类的许多顶尖技能去应战极限相同,它只做高端光刻机整机规划和整机集成,各单项的技能,则别离交给美国的、日本的、德国的等其他国家最尖端的供货商来做,比方光学体系,是德国蔡司协助他们应战极限,阿斯麦则聚集在聚合优化这些顶尖技能,使得造出来的光刻机不仅是部件最优,也是大局最优,到达机器的功能极限。

阿斯麦的Logo是个对准符号,意义简明又意味深长

7 中外光刻机的距离就像吃馒头

中外光刻机的距离,就像前一段时间悟理哥所说中外工业气体纯度的距离相同,国外电子气体的纯度能够到达6个9到9个9,而国内遍及还在5个9的水平。也便是,道理都懂,技能也有,但便是没做到那个人家那个程度,比如磨玻璃或许磨刀,你便是磨得没人家平坦、润滑、尖利,因而咱们能出产的,仅仅相对低端的东西。其实,不但工业气体和光刻机范畴,许多工业都是如此。

总归,光刻机是个杂乱的体系工程,既触及到高精尖技能,还把高精尖技能做到工程极限,有必要要一点一滴细磨慢抠工艺,而许多技能阅历的堆集往往需求一个进程,所要阅历的开展阶段能够被紧缩,但难以被跨越。

就好像吃馒头,荷兰现已吃到第三个,而咱们,究竟不能直接去吃那第三个。

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