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光刻机界的“独孤求败”是怎样炼成的?

撰文 | 悟理哥
 
半导体行业的人,大概谁也没想到,本来是专业领域很小众的光刻机,会成为社会持续关注的热点。这既是好事,比如一下子成为了政策和投资的风口,搞IC的人,终于可以跟搞互联网的人谈笑风生了。但也有不好的地方,比如,有些人想借机捞一票就走,还有大量关于光刻机的文章似是而非。
 
比如,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辨率呢?估计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一枝独秀,那它厉害在哪?阿斯麦是怎样炼成的?
 
本文将用7个简单的比喻,正本清源,告诉你正确的答案。毕竟,悟理哥是半导体专业出身的,在大学任教时就教电子系光学,大致不会那么离谱。
 
1 光刻就像照相
 
光刻(Lithography)类似于照相,是将掩膜版(Mask)携带的集成电路结构图形,“定格”和“刻画”在硅片上的过程,这个过程中需要用到的媒质是光刻胶,涉及的工艺跟传统冲洗胶卷一样,包括显影和定影等步骤,需要的机器设备,最核心的就是光刻机了。
光刻原理简图
 
光刻工艺是集成电路制造的关键步骤,它对集成电路制造的重要性体现在两个方面,一是在集成电路制造过程中需要进行多次光刻,光刻成本占到集成电路制造成本的30%以上;二是光刻技术水平,包括光刻机设备,决定了集成电路中的晶体管能做到多小,进而决定集成电路的集成度和性能能够达到什么程度。
 
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”——芯片的核心设备。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寸,跟光刻机的结构和性能有关。因此,光刻机自发明之后,为了使造出来的“面条”效果更好,人类对光刻机进行了不断的改进。
 
首先是曝光光源的更新换代。从最初的436纳米波长光源,到DUV(深紫外)所用的248纳米和193纳米波长,再到目前最顶级的EUV(极紫外)13.5纳米波长,光源波长不断缩小,曝光能够获得的分辨率自然不断提高。如果从使用光源来看,光刻机的发展主要经历了5代,类似于一个面条机从1.0到5.0的版本。
光刻机主要发展历程
 
再就是光学系统结构的演进。
 
20世纪六七十年代,接触式光刻机是集成电路制造的主流设备。这种机器曝光过程中掩膜版与硅片上的光刻胶直接接触,优点是可以减小光的衍射效应,缺点是会污染损坏掩膜版和光刻胶,缩短掩膜版使用寿命,且极易形成图形缺陷,影响良率。
 
为了解决上述问题,20世纪70年代开始采用接近式光刻机。这种光刻机在掩膜版和硅片之间有微小间距,由于掩膜版和硅片间距越小,光刻工艺的分辨率越高,当二者间距接近几十微米时,就很难再减小,而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,光刻时以成像方式将掩膜图形投影转移到硅片上,分辨率由成像系统投影物镜的数值孔径(光学术语)决定。
 
因此,为了进一步提高数值孔径改进光刻机性能,人类又发明出浸液式光刻机,也就是在某种折射率大于空气的超纯液体中进行光刻,工作时好像把“晶圆”浸没在超纯液体中一样。
 
3 光刻机又像机床
 
光刻机又类似于一个机床,它的性能指标包括加工精度和加工速度两个方面,加工精度又可以细分为分辨率和套刻精度两个指标。
货柜式的阿斯麦光刻机
 
需要指出,光刻机的分辨率跟集成电路工艺的尺寸不是一个概念。目前,最先进的荷兰阿斯麦公司的EUV光刻机,采用的光源波长是13.5纳米的极紫外光,光刻机分辨率为38纳米,但是利用这台光刻机可以实现7纳米、5纳米等集成电路工艺。通常说的台积电或者中芯国际7纳米或者5纳米工艺,指的是集成电路工艺水平,不是光刻机的分辨率。
 
套刻指的是由于结构需要,在一个硅片上进行多次光刻曝光,像做大小不同的套娃一样,由于每次曝光实际位置与预设位置可能存在差别,如果偏差太大,误差积累起来是很惊人的。因此,必须把这个误差控制在一个很小的数值内,这个数值就是套刻精度。目前,荷兰阿斯麦公司的光刻机能够实现1.4纳米的套刻精度,也就是两次光刻之间的位置偏差,不到一根头发丝的万分之一!
 
产率描述的是光刻曝光的速度,即光刻机的生产率,通常用光刻机在单位时间内,比如每小时曝光的硅片数量来表示,目前,最高水平的光刻机,每小时曝光速度可以达到275片硅片。
 
4 光刻机精度要达到飞机之间穿针引线
 
中国科学院上海光学精密机械研究所王向朝研究员,曾经指出光刻机是大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶,并且有一个生动的比喻:
 
“光刻机工作时,需要工件台和掩模台在高速运动过程中始终保持几纳米的同步精度。比如浸液式光刻机,工件台的运动速度可达1m/s,两个台子的同步运动误差的平均值需要控制到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行,两架飞机相对位置偏差的平均值要控制到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行的时候,从一架飞机中伸出的缝衣服用的线能够准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/掩模台系统被誉为超精密机械技术的最高峰”。
光刻机是超复杂超精密的系统
 
光刻机其他部件和分系统,比如投影物镜、控制系统、材料洁净度、设备真空度、数据处理等也都需要做到工程极限,可想而知,研制的难度有多大。
 
5 光刻机赛道是一场接力赛
 
光刻机赛道其实是一场比赛,很像奥运会的长跑接力。美国、日本、德国等国家工业实力和综合国力虽然地表最强,但也不可能包揽全部比赛的金牌。而且,即使单个队员实力超群,也不意味着在接力赛中能够跑出来最终胜出,因为比的是团队(系统)的战绩,这就是前面说的“大系统”的概念。
 
光刻机技术不断发展向前,某个国家只要中间有一棒没跑好,后面就很可能掉队而跟不上了。比如,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,当技术发展到双工件台的时候,由于技术跟不上,佳能就退出了,到了EUV浸液式光刻机的时候,尼康也慢慢跟不上了,于是世界上就只剩下唯一的阿斯麦,成为光刻机界的“独孤求败”。
日本尼康的光刻机
 
由于阿斯麦公司的技术和市场不断取得突破,因此,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,过去10年涨幅大约为13倍,近几年毛利率超过40%,目前市值约1627亿美元。
阿斯麦公司的股票走势
 
6 研制顶尖光刻机就像挑战运动极限
 
研制高端光刻机,如同人类去挑战某项运动的极限。如果只靠一家公司、一个国家的力量,那么它所能达到的高度,是比较有限的,而不同国家顶尖技术的集合,能够实现的高度,才是人类一段时期内的真正极限。
 
阿斯麦公司的英文全称是“先进的半导体材料光刻”,它就像携带全人类的大量顶尖技术去挑战极限一样,它只做高端光刻机整机设计和整机集成,各单项的技术,则分别交给美国的、日本的、德国的等其他国家最顶级的供应商来做,比如光学系统,是德国蔡司帮助他们挑战极限,阿斯麦则聚焦在聚合优化这些顶尖技术,使得造出来的光刻机不仅是部件最优,也是全局最优,达到机器的性能极限。
阿斯麦的Logo是个对准标记,含义简明又意味深长
 
7 中外光刻机的差距就像吃馒头
 
中外光刻机的差距,就像前一段时间悟理哥所说中外工业气体纯度的差距一样,国外电子气体的纯度可以达到6个9到9个9,而国内普遍还在5个9的水平。也就是,道理都懂,技术也有,但就是没做到那个人家那个程度,好比磨玻璃或者磨刀,你就是磨得没人家平整、光滑、锋利,因此我们能生产的,只是相对低端的东西。其实,不光工业气体和光刻机领域,很多产业都是如此。
 
总之,光刻机是个复杂的系统工程,既涉及到高精尖技术,还把高精尖技术做到工程极限,必须要一点一滴细磨慢抠工艺,而很多技术经验的积累往往需要一个过程,所要经历的发展阶段可以被压缩,但难以被逾越。
 
就好像吃馒头,荷兰已经吃到第三个,而我们,毕竟不能直接去吃那第三个。
 
参考文献
 
王向朝,戴凤钊,集成电路与光刻机,科学出版社,2020年8月
 
www.opticsjournal.net/Post/Details/PT200805000187mSpVr
 
本文经授权转载自微信公众号“科技金眼”。
 



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