這才是半導體行業的印鈔機

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1965年,戈登·摩爾提出摩爾定律。

當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。

這個不斷觸碰半導體工藝極限的定律,也經常伴隨著「死亡」和「新生」兩方面的話題。其中就有人認為一種名為極紫外光刻(EUV 光刻)的技術能夠拯救摩爾定律。

而讓與非網小編驚掉下巴的則是它的價格——高達一億美金。憑什麼這麼貴呢?今天與非網小編先從概念說起。

要想弄懂EUV光刻機是什麼意思,就得先說光刻機。

素有半導體製造業皇冠上的明珠之稱的光刻機,是晶片製造的核心設備之一,按照用途可以分為好幾種:有用於生產晶片的光刻機;有用於封裝的光刻機;還有用於LED製造領域的投影光刻機。用於生產晶片的光刻機技術含量極高、價格極高。涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備,這也是中國在半導體設備製造上最大的短板,國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

光刻機的工作原理則與膠片相機類似,當你拍照的時候,按下相機快門的一瞬間,光線通過鏡頭折射入相機,投射到膠捲上,產生曝光。之後只需將膠捲在顯影液里浸泡一下,山川樓宇就被同比縮小印在了膠捲上。

同樣,光刻機可以把設計師設計的晶片圖案縮小之後刻在半導體材料上,經過後期加工,就得到了晶片。當然,光刻機的精度達到了納米級。

如果你對光刻機感興趣,可以看一下專業資料的光刻機原理解釋,如下:

光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段,將光束透射過畫著線路圖的掩模,經物鏡補償各種光學誤差,將線路圖成比例縮小後映射到矽片上,然後使用化學方法顯影,得到刻在矽片上的電路圖。 不同光刻機的成像比例不同,有5:1,也有 4:1。

雷射器:光源,光刻機核心設備之一。

光束矯正器:矯正光束入射方向,讓雷射束儘量平行。

能量控制器:控制最終照射到矽片上的能量,曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設置:設置光束為圓型、環型等不同形狀,不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器:在不需要曝光的時候,阻止光束照射到矽片。

能量探測器:檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求,並反饋給能量控制器進行調整。

掩模版:一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板,貴的要數十萬美元。

掩膜台:承載掩模版運動的設備,運動控制精度達到納米級。

物鏡:物鏡由 20 多塊鏡片組成,主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小,再被雷射映射的矽片上,並且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在於物鏡的設計難度大,精度的要求高。

量台、曝光台: 承載矽片的工作檯, 一般的光刻機需要先測量,再曝光,只需一個工作檯,ASML 的雙工作檯光刻機則可以實現一片矽片曝光同時另一片矽片進行測量和對準工作,能有效提升工作效率。

內部封閉框架、減振器:將工作檯與外部環境隔離,保持水平,減少外界振動干擾,並維持穩定的溫度、壓力。

光刻機發展史

根據所使用的光源的改進,光刻機經歷了 5 代產品的發展,每次光源的改進都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。此外雙工作檯、沉浸式光刻等新型光刻技術的創新與發展也在不斷提升光刻機的工藝製程水平,以及生產的效率和良率。

最初的兩代光刻機採用汞燈產生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源,可以滿足0.8-0.35 微米製程晶片的生產。最早的光刻機採用接觸式光刻,即掩模貼在矽片上進行光刻,容易產生污染,且掩模壽命較短。此後的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良, 通過氣墊在掩模和矽片間產生細小空隙,掩模與矽片不再直接接觸,但受氣墊影響,成像的精度不高。

第三代光刻機採用 248nm 的 KrF(氟化氪)準分子雷射作為光源,將最小工藝節點提升至350-180nm 水平,在光刻工藝上也採用了掃描投影式光刻,即現在光刻機通用的,光源通過掩模, 經光學鏡頭調整和補償後, 以掃描的方式在矽片上實現曝光。

第四代 ArF 光刻機:最具代表性的光刻機產品。第四代光刻機的光源採用了 193nm 的 ArF(氟化氬)準分子雷射,將最小製程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機,也是最具有代表性的一代光刻機。由於能夠取代 ArF 實現更低製程的光刻機遲遲無法研發成功,光刻機生產商在 ArF 光刻機上進行了大量的工藝創新,來滿足更小製程和更高效率的生產需要。

第五代 EUV 光刻機,千呼萬喚始出來。1-4 代光刻機使用的光源都屬於深紫外光, 第五代 EUV光刻機使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。早在上世紀九十年代,極紫外光刻機的概念就已經被提出,ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機的研發工作,原計劃在 2004 年推出產品。但直到2010年ASML才研發出第一台 EUV 原型機,2016年才實現下遊客戶的供貨,比預計時間晚了十幾年。

目前,光刻機領域的龍頭老大是荷蘭ASML,並已經占據了高達80%的市場份額,壟斷了高端光刻機市場——最先進的EUV光刻機售價曾高達1億美元一台,且全球僅僅ASML能夠生產。Intel、台積電、三星都是它的股東,重金供養ASML,並且有技術人員駐廠,Intel、三星的14nm光刻機都是買自ASML,格羅方德、聯電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機主要也是來自ASML。

EUV另類特性

EUV除了售價高,技術複雜外,其耗電能力也是一絕。

據媒體報導,全台灣過去5年用電的增長量,約有1/3都是由台積電貢獻的。而隨著新一代的可生產5nm工藝的EUV 微影技術的導入,用電量還將會暴增,可達目前主流製程的1.48倍。

業內人士表示,EUV光刻機就是用極端的耗電來出大力做奇蹟。

這背後主要因為它的幾大特性。

1,極紫外光能被很多材料吸收,包括空氣。

所以,要使用極紫外光,必須消耗電力把整個環境都抽成真空。

2,極紫外光能被透鏡吸收。

因為這個特性,將極紫外光集中到一起只能靠反射了。用矽與鉬製成的鍍膜反射鏡,可以用來集中極紫外光。但是極紫外光每被反射一次,能量就會損失三成。極紫外光從光源出發,經過十幾次反射,到達晶圓的時候,只剩下不到2%的光線了。韓國企業海力士曾經說過,極紫外光EUV 的能源轉換效率只有 0.02% 左右。

除此之外,要得到這樣高功率的極紫外光,需要極大的雷射器。這樣大的雷射器,工作時候會產生很大的熱量,需要一套優良的散熱冷卻系統,才能保證機器正常工作,而這又需要消耗大量電力。

目前ASML公司的EUV的極紫外光光刻機的輸出功率是 250 瓦,要達到這樣的輸出功率,需要0.125萬千瓦的電力輸入才能維持。也就是說,一台輸出功率為250W的EUV光刻機工作一天,光是光源這一項,就會消耗3萬度電!

不僅如此,這還是一門祖傳手藝。

ASML的鏡片是蔡司技術打底。鏡片材質做到均勻,需幾十年到上百年技術積澱。有業內人士感慨:「同樣一個鏡片,不同工人去磨,光潔度相差十倍。」而在德國,拋光鏡片的工人,祖孫三代在同一家公司的同一個職位。

目前來看,國內研發光刻機相關的企業有上海微電子裝備有限公司、中國電子科技集團公司第四十五研究所、合肥芯碩半導體有限公司、先騰光電科技有限公司、無錫影速半導體科技有限公司,其中上海微裝發展最為領先,是中國唯一一家生產高端前道光刻機整機的公司,從某種意義上可以說其代表著國產光刻機技術水平。而上海微裝目前可生產加工90nm工藝製程的光刻機,這是目前國產光刻機最高水平,而ASML如今已量產7nm工藝製程 EUV光刻機,兩者差距不得不說非常大。

與非網小編不得不感慨,這給摩爾定律續命的EUV光刻機可以稱得上是半導體的印鈔機了。


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