如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

伍文辉 发表于 2018-07-22 10:32:37 收藏 已收藏
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如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

伍文辉 发表于 2018-07-22 10:32:37

在中国与美国的贸易冲突中,半导体领域是其中的一个重点,它是《中国制造2025》路线图中第一个要解决的高科技领域,也是中国制造业目前的薄弱之处,在半导体设计、制造到封装三个环节中,半导体制造是国内急需突破的领域,但它也是技术门槛最高的,国内最大的半导体制造公司中芯国际的营收只有第一大晶圆代工公司台积电的1/20,与英特尔相比更是只有1/20,但是这些芯片制造公司都离不开一个设备——光刻机,它是整个半导体制造行业的明珠。

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

这两年国内大力发展半导体产业之后,“光刻机对中国禁售”、“中国半导体产业发展不起来就是没有光刻机”等似是而非的说法也为人津津乐道,而荷兰ASML(中文名阿斯麦)公司也因为是目前最重要的光刻机供应商而被更多网友提起,大家感慨荷兰这么小的国家竟然能研发出这么高精尖的设备。

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

针对这些问题,今天的超能课堂我们就来聊聊光刻机,建议阅读本文之前大家先看看我们之前做过的一期超能课堂文章——沙子做的CPU,凭什么卖那么贵?,里面介绍了CPU的制造过程,其中光刻的过程就是CPU生产的核心,这一过程就是在光刻机中完成的。

光刻机为何被称为半导体设备上的明珠?它到底有多重要?

其实简单的流程图并不能反映出光刻在芯片制造过程中的重要性的,我们再来一个更简单、直接的有关芯片是如何研发、生产的,来看下面的示意图:

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

如果AMD/NVIDIA/高通要研发新一代CPU/GPU芯片,他们会使用到Cadence、Synospsys提供的EDA工具来辅助设计芯片,期间会用到各种IP核心,有的是来自ARM等第三方公司授权,也有的是公司自己研发的,设计完成之后他们会把芯片交给TSMC台积电、UMC联电、SMIC中芯国际等晶圆代工厂,这些代工厂的生产设备则来自ASML、AMAT应用材料、Lam等,8寸、12英寸硅片则是来自日本信越、Sumco胜高等公司公司,当然半导体制造中使用的材料还有很多,比如光刻胶、清洗剂等等,这些都可以归类于半导体材料行业中。

之前看到过一个好笑但也很有趣的悟空问答,有人问台积电能给AMD、NVIDIA、高通等公司代工处理器,难道不怕台积电偷偷学习他们的芯片然后自己生产吗?先不说这么做的法律风险,单从技术上来说代工厂复制芯片设计也没普通人想象的那么容易,因为IC设计公司并不是把芯片设计图给代工厂,代工厂是通过他们制作好的光罩或者说光掩膜版(mask)来生产芯片的。

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

如上图所示,台积电等晶圆代工厂做的工作实际上就是将IC设计公司做好的光罩通过光刻工艺复制一遍到买来的晶圆上,所以这也是他们为什么被称为晶圆代工厂的原因,做的就是帮助别人加工成芯片的工作。

这些话说来简单,但半导体芯片的实际制造过程非常复杂,如今的半导体芯片越来越强大,从28nm节点开始已经不是一次光刻就能实现的了,所以出现了多重曝光这样的技术,就是多次光刻处理,工艺越先进,芯片越复杂,所需的光刻次数就会越多,但需要多次消耗光刻胶及多次清洗,这样就会增加芯片生产的时间,提高了生产的复杂度,带来的后果就是芯片成本越来越高。

半导体芯片在整个生产过程中可能需要20-30次的光刻,耗时占到了生产环节的一半,成本能占到三分之一。

光刻不仅是影响代工厂的生产效率及成本,更主要的是光刻机的技术水平决定了芯片的制程工艺,这个才是最关键的,这也是光刻机最重要的功能。

光刻机的原理及结构,堪称人类最精密的设备之一

光刻在芯片生产过程中如此重要,这也奠定了光刻机在半导体制造设备中的地位——没有先进的光刻机,其他过程都是舍本逐末。

光刻机,按照不同的用途及光源有多种分类,现在大家说的主要是紫外光刻机,我们这里提到的主要有DUV深紫外光及EUV极紫外光,DUV光刻机是目前大量应用的光刻机,波长是193nm,光源是ArF(氟化氩)准分子激光器,从45nm到10nm工艺都可以使用这种光刻机,而EUV极紫外光波长是13.5nm,波长为何影响制程工艺后面再说,EUV光刻机主要用于7nm及以下节点。

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ASML光刻机工作原理图

以ASML典型的沉浸式步进扫描光刻机为例来看下光刻机是怎么工作的——首先是激光器发光,经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台,上面放的就设计公司做好的光掩膜,之后经过物镜投射到曝光台,这里放的就是8寸或者12英寸晶圆,上面涂抹了光刻胶,具有光敏感性,紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路。

同样地,这个过程说起来很简单,实际上超级复杂,ASML的光刻机靠着沉浸式及双机台等技术打败了原本由日本佳能、尼康公司占据的光刻机市场,别的不说,光是双机台技术就不知道有多高的要求了,芯片生产是nm级别的精度,两个机台的精度控制需要极高的工艺水平,也许差了几nm就可能导致报废。

从这里也可以看出光刻机的结构也很复杂,其中最重要的部分主要有激光器、物镜及工作台,其中激光器负责光源产生,而光源对制程工艺是决定性影响的,而且激光的产生过程需要耗费能量,这也是光刻机需要消耗大量电力的根源。

还有物镜系统,光刻机里面的光学镜片不是一两片,而是一套多达数十个光学镜片组成的系统,视不同结构,镜片数量可能达到20片以上,而且面积很大,有如锅盖一般大小,不仅制作复杂,还需要精确的反射控制,玩单反的爱好者就知道镜头设计是多么复杂的了,更何况光刻机使用的是超大、超多组镜片了。

还有就是工作机台,双机台大幅提高了晶圆生产的效率,可以一边测量一边曝光,但是双机台的控制又提高了复杂度,对工艺要求非常高。

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2006年全球首台EUV光刻机原型

如果只看光刻机的示意图,大家同样不会理解光刻机这货到底有多大,上图是ASML公布过的一张光刻机真身,大家可以看看光刻机到底有多大。

为何需要EUV光刻机?先进工艺要么改光源要么改物镜

193nm的DUV光刻机已经使用多年,而且售价普遍在5000万美元,产能也高,为什么台积电、三星还要找ASML买单价不低于1.2亿美元的EUV光刻机,而且还要忍受产量低、能耗大等问题?他们显然不是吃饱了撑的,因为要想实现7nm及更先进的工艺,现有的DUV光刻机不够用了,需要13.5nm波长的EUV光刻机。

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光刻机的分辨率取决于波长、NA孔径等

前面说了,光刻机决定了半导体工艺的制程工艺,光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的,有公式可以计算:

光刻机分辨率=k1*λ/NA

k1是常数,不同的光刻机k1不同,λ指的是光源波长,NA是物镜的数值孔径,所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径,波长越短越好,NA越大越好,这样光刻机分辨率就越高,制程工艺越先进。

在现有技术条件上,NA数值孔径并不容易提升,目前使用的镜片NA值是0.33,大家可能还记得之前有过一个新闻,就是ASML投入20亿美元入股卡尔·蔡司公司,双方将合作研发新的EUV光刻机,许多人不知道EUV光刻机跟蔡司有什么关系,现在应该明白了,ASML跟蔡司合作就是研发NA 0.5的光学镜片,这是EUV光刻机未来进一步提升分辨率的关键,不过高NA的EUV光刻机至少是2025-2030年的事了,还早着呢,光学镜片的进步比电子产品难多了。

NA数值一时间不能提升,所以光刻机就选择了改变光源,用13.5nm波长的EUV取代193nm的DUV光源,这样也能大幅提升光刻机的分辨率。

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

但是EUV光刻机的研制并不容易,不要以为只是换个光源,从DUV换到EUV对整个光刻机的结构都有重大影响,ASML公司研发EUV光刻机已经十几年甚至二十年的历史了,期间英特尔、台积电及三星都给ASML提供支持,先后投资数十亿美元给ASML(不过ASML业绩转好之后基本上都卖出了股票)输血,即便是这样,现在的EUV光刻机依然谈不上完全成熟。

首先EUV极其耗电,因为13.5nm的紫外光容易被吸收,导致转换效率非常低,据说只有0.02%,目前ASML的EUV光刻机输出功率是250W,工作一天就要耗电3万度——考虑到这个转换率是多年前的,多年来可能会有进步,但即便ASML大幅改进了EUV光源的效率,EUV光刻机超级耗电也是跑不了的,台积电在权衡未来的3nm晶圆厂选址时,首要考虑的就是台湾是否有稳定的电力供应。

此外,即便有如此高的电力消耗,EUV光刻机现在的生产效率还不够好,目前ASML的量产型EUV光刻机NXE:3400B的生产能力是125WPH,也就是一小时处理125片晶圆,而193nm光刻机NXT:1980Di的生产能力是275WPH,其他型号也能达到250WPH,产量能相差一倍。

·EUV光刻机不是中国半导体工业的关键,国内能量产90nm级别的光刻机

尽管EUV光刻机现在还不够成熟,不过三星、台积电及Globalfoundries等公司已经开始在7nm节点上大规模应用EUV光刻机,随着需求的增加,EUV光刻机的成本也会下降,将推动EUV光刻机的发展。

由于EUV光刻机对先进半导体工艺非常重要,很多网友也把国内半导体不行归咎于没有先进的光刻机,特别是EUV光刻机,而瓦森那协议中对光刻设备的限制又引申出更多猜想,认为这些限制是国内芯片不行的原因,实际上这些传闻听着很合理,但误解颇多。

ASML的光刻机一直都有在国内销售,近年来随着国内半导体市场的扩大,大陆地区的客户甚至逐渐成为ASML的大客户,Q1季度中大陆地区的营收占比就有19%,与美国地区持平。至于EUV光刻机,国内之前没有也不是因为禁售,首先是EUV产量低,三星、台积电、英特尔下单早,ASML优先交付他们,但最主要的原因是国内并没有EUV光刻机的需求,因为EUV光刻机主要用于7nm及以下的工艺,而国内晶圆代工厂SMIC中芯国际目前最先进的工艺还是28nm,完全用不到EUV光刻机,明年才开始生产14nm工艺,依然没必要使用EUV光刻机。

不过中芯国际还是订购了一台EUV光刻机,主要用于7nm工艺研究,预计明年初交付。

目前的光刻机市场主要是掌握在ASML公司手中,日本佳能、尼康公司的光刻机已经严重落伍,处于被淘汰的地位。国内也很早就研发光刻机了,如果大家的目光不是放在EUV光刻机这样的顶级设备上,国内实际上已经国产化了LCD、LED用的光刻机,其他先进光刻机也在攻关中。

国内目前主攻先进光刻机的主要有两大阵营,一个是中科院长的学院派,承担了国家的02专项中的90nm光刻机研发,旗下长春光学精密机械与物理研究所、应用光学国家重点实验室负责物镜系统,中国科学院上海光学精密机械研究所负责照明系统,去年已经研发成功90nm光刻机,并通过验收。

在企业阵营中,主攻光刻机的是上海微电子装备集团、中电科电子装备集团等,其中上海微电子集团已经量产90nm光刻机,预计未来几年实现45nm光刻机研发,不过他们在封装光刻机市场上占了国内80%的市场,全球占有率也达到了40%,LED投影光刻机占有率也高达20%。

如何光刻机会称为半导体制造行业的明珠?

对于未来的EUV光刻机,国内也启动了关键技术研发,有报道称2016年11月15日,由长春光机所牵头承担的国家科技重大专项02专项——“极紫外光刻关键技术研究”项目顺利完成验收前现场测试,不过官方八股文宣传的技术突破离最终量产EUV光刻机还有很远的距离,90nm光刻机用了10年时间研发,国产EUV光刻机依然有很长的路要走。

总结:

光刻是半导体芯片生产过程中最重要的一环,光刻机则是具体实现光刻处理器的设备,它对CPU以及存储芯片来说都是如此,不论是生产效率、成本还是技术水平,光刻机都是决定性的。现代的光刻机是一台极其精密的复杂系统,从激光器到物镜再到工作台都有很高的技术门槛,光刻机确实可以说是半导体产业中的明珠,EUV光刻机更是明珠中的明珠。

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