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8寸或者12英寸晶圆光刻过程

极紫外光刻(Extreme Ultra-violet),常称作EUV光刻,它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的紫外线。极紫外线就是指需要通过通电激发紫外线管的K极然后放射出紫外线。

极紫外光刻(英语:Extreme ultra-violet,也称EUVEUVL)是一种使用极紫外(EUV)波长的下一代光刻技术,其波长为13.5纳米,预计将于2020年得到广泛应用。几乎所有的光学材料对13.5nm波长的极紫外光都有很强的吸收,因此,EUV光刻机的光学系统只有使用反光镜

在《超能课堂(66):沙子做的CPU,凭什么卖那么贵?》这批文章中我们已经介绍过芯片是怎么造出来的了,紫外线曝光是其中一步,而这个步骤就是由光刻机所执行的,它是芯片生产的核心,也是这个步骤决定了芯片的制程工艺。

而光刻的工作原理,大家可以想象一下胶片照片的冲洗,掩膜版就相当于胶片,而光刻机就是冲洗台,它把掩膜版上的芯片电路一个个的复制到光刻胶薄膜上,然后通过刻蚀技术把电路“画”在晶圆上。

当时实际过程肯定没这么简单,上图是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。

而激光器负责光源产生,而光源对制程工艺是决定性影响的,随着半导体工业节点的不断提升,光刻机缩激光波长也在不断的缩小,从436nm、365nm的近紫外(NUV)激光进入到246nm、193nm的深紫外(DUV)激光,现在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10/7nm工艺都可以使用这种光刻机,但是到了7nm这个节点已经的DUV光刻的极限,所以Intel、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光(EUV)光刻技术,而GlobalFoundries当年也曾经研究过7nm EUV工艺,只不过现在已经放弃了。

而使用极紫外光(EUV)作为光源的光刻机就是EUV光刻机,当然这绝对不是单纯只换个光源这么简单。

为什么需要EUV光刻?

现在所用的193nm光源DUV其实是2000年代就开始使用的了,然而在更短波长光源技术上卡住了,157nm波长的光刻技术其实在2003年就有光刻机了,然而对比193nm波长的进步只有25%,但由于157nm的光波会比193nm所用的镜片吸收,镜片和光刻胶都要重新研制,再加上当时成本更低的浸入式193nm技术已经出来了,所以193nm DUV光刻一直用到现在。

EUV光刻的全称为极紫外光刻(Extreme Ultra-violet),其光源主要有2种:一种是DPP-EUV极紫外光源,一种是激光等离子体光源(LPP)。DPP-EUV极紫外光源工作原理是放电激发等离子体EUV极紫外光源,优点是产生EUV的能量转换效率高,造价低。

当然大家一定想知道为啥同一光源为什么可以衍生出这么多不同工艺节点,以Intel为例,2000年用的是180nm,而现在已经是10nm了,其实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。

最初的浸入式光刻就是很简单的在晶圆光刻胶上加1mm厚的水,水可以把193nm的光波长折射成134nm,后来不断改进高NA镜片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段铃木的光刻胶等技术,一只用到现在的7nm/10nm,但这已经是193nm光刻机的极限了。

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。

在上世纪90年代后半期,大家都在寻找取代193nm光刻光源的技术,提出了包括157nm光源、电子束投射、离子投射、X射线和EUV,而从现在的结果来看只有EUV是成功了。当初由Intel和美国能源部牵头,集合了摩托罗拉、AMD等公司还有美国的三大国家实验室组成EUV LLC,ASML也被邀请进入成为EUV LLC的一份子。在1997到2003年间,EUV LLC的几百位科学家发表了大量论文,证明了EUV光刻机的可行性,然后EUV LLC解散。


2006年全球首台EUV光刻机原型

接下来ASML在2006年推出了EUV光刻机的原型,2007年建造了10000平方米的无尘工作室,在2010年造出了第一台研发用样机NXE3100,到了2015年终于造出了可量产的样机,而在这研发过程中,Intel、三星、台积电这些半导体大厂的输血是绝对不少的。

作为全球唯一一家能EUV光刻机的厂家,ASML自然获得了大量的订单,截止至2019年第二季度,ASML的NEX:3400B EUV光刻机的装机数已经多达38台,而下半年他们推出了效率更高的NEX:3400C光刻机,而在2019年全年一共交付了26套EUV光刻机,为他们带来了27.89亿欧元的收入,占了全年收入的31%,而全年卖了82台的ArFi远紫外光光刻机才进账47.67亿欧元,可见一套EUV光刻机是多么的赚钱。


新的NEX:3400C产能从原来的125每小时晶圆提升到170每小时晶圆,销量大幅提升(图片来源:wikichip)

尽管EUV光刻机相当之贵,接近1.2亿美元一台,但半导体厂商还是愿意去投入,因为7nm以及以上的工艺的确需要EUV光刻机,几时同样的7nm工艺,使用EUV光刻技术之后晶体管密度和性能都变得更好,根据台积电给出的数据,相较于初代7nm工艺,7nm EUV(N7+)可以提供1.2倍的密度提升,同等功耗水平下提供10%的性能增幅,或者同性能节省15%的功耗。

现在三星和台积电都已经使用7nm EUV工艺开始生产芯片了,预定今年发布的AMD Zen 3架构第四代锐龙处理器用的就是台积电7nm EUV工艺,Intel现在的10nm工艺还没用上EUV技术,不过预定在7nm工艺时期用上EUV光刻,国内的中芯国际也从ASML订购了一台EUV光刻机,但因为种种问题,现在交货时间还未明确。

EUV光刻的基本设备方面仍需开展大量开发工作以达到适于量产的成熟水平。当前存在以下挑战:
(1)开发功率足够高的光源并使系统具有足够的透射率,以实现并保持高吞吐量。
(2)掩模技术的成熟,包括以足够的平面度和良率制造反射掩模衬底,反射掩模的光化学检测,以及因缺少掩模表面的保护膜而难以满足无缺陷操作要求。
(3)开发高灵敏度且具有低线边缘粗糙度(LineEdgeRoughness,LER)的光刻胶。

荷兰ASML公司总裁:中国永不能模仿世界顶级的EUV光刻机

据《一网荷兰》发文称,光刻机设备供应商ASML于美国当地时间1月22日发布了最新的季度和年度财报业绩,并举行电话会议。而ASML总裁Peter Wennink在本次会上则明确表示,高端的EUV光刻机永远不可能(被中国)模仿,况且中国在知识产权领域有良好的规定。

据Wennink回应,因为受到来自美国的压力,荷兰扣留了EUV设备出口到中国的许可证,美国称之为一种战略产品,同时担心将此设备交付给中国可能导致技术失窃。荷兰ASML光刻机,极紫外光源是美国产,镜头是德国生产,清洗部件是蓝英装备生产。

Wennink认为,ASML向中国客户交付产品不存在什么问题。“我们与中国客户开展业务已有30年,与现有的客户已有20年,他们为全球制造芯片。由于EUV光刻机在荷兰瓦森纳条约的清单中,因此ASML必须获得荷兰政府发出的许可证,我们目前正在等待。如果最终等不及,我们会将该EUV光刻机交付给其他客户,因此对我们公司的影响为零。市场对EUV光刻机的需求很大,如果我们不将产品交付给这个客户,则会交给其他客户,我们将在允许的范围内交付。”

Wennink高兴地解释了为什么他不害怕中国会模仿光刻机。“因为我们是系统集成商,我们将数百家公司的技术整合在一起,为客户服务。这种机器有80000个零件,其中许多零件非常复杂。以蔡司公司为例,为我们生产镜头,各种反光镜和其他光学部件,世界上没有一家公司能模仿他们。此外,我们的机器完全装有传感器,一旦检测到有异常情况发生,Veldhoven总部就会响起警报。”

Wennink没有看到中国如何能从仿制的设备中受益。“永远都不可能秘密地进行,必须要涉及很多专家。假设他们成功了,他们将给市场带来很多无法追踪来源的芯片,而最终曝光。我们总是关注着市场的动态,我们当然也会熟悉我们的产品出口到每个国家的知识产权法律。中国也有良好的规定,即使只是为了让自己保持领先地位,例如在5G移动通信。这些规定也适用于我们的机器。”

Wennink其实说得倒也非常直白,大意就是,像高端的EUV光刻机,你想要模仿是不可的,并且,就算你愿意出比别人更多的价钱,也不是你想买就能买到的。就ASML本身而言,向中国客户供应光刻机设备及提供配套支持服务似乎不存在什么问题,但中国客户要从ASML购买到高端的EUV光刻机,即使EUV光刻机不可被模仿,实则困难重重?到此,不便再继续深究。

2006年全球首台EUV光刻机原型

2006年全球首台EUV光刻机原型

国内不少网友纷纷表示,生产光刻机其实不难,基本原理大家容易懂。如果ASML不肯卖我们EUV光刻机,那么我们就自己攻坚克难,不惜一切代价当总能造出国产EUV光刻机。

另有不少网友则持相反的看法,EUV光刻机国产化想想可以,但真要做起来,其实比登天还难,光刻机有上万个精密零部件,一些关键部件的制造公司在全球也就一两家,还和ASML交叉持股,产量本就供不应求,假如顶级的光刻机卖给中芯国际,即使中国有着强大的制造业,且模仿能力超强,在10年的时间里国内配套零部件制造也肯定是追不上人家的,技术经验(积累)和人才储备更是远远不足。

还有一些网友给出了相对中性的观点,像EUV光刻机,不仅需要投入太多,而且涉及各交叉学科和各应用工程,涉及的面相当广泛,且研发周期太长,加上本身我们与世界顶尖水平的差距就已经太大。所以,与其跟在别人后面,四处碰壁,碰的头破血流,倒不如想想该如何另辟蹊径。与此同时,我们可以在光刻机设备领域保持一定的投入即可。换句话说,虽然我们可能永远造不出像EUV这样先进的光刻机设备,但起码要有能力生产低端的光刻机,甚至中端的光刻机。

据《牛顿第四定律》写道,ASML为能够在整个设备的不同部位同时获得世界上最先进的技术,ASML的光刻机中超过90%的零件都是向外采购的,与竞争对手,亦即尼康和佳能是完全不同的。这样ASML自身也可以腾出手来在部件整合和客户需求上做文章,从而在日新月异的芯片制造行业取得竞争优势。ASML在技术研发方面汇聚了世界最前沿最顶尖的科技。ASML的一些重要部件来自世界很多国家,美国、德国向ASML提供超级精密的机械支持以及光学技术的支持,德国向ASML提供一些核心的配件支持,美国为ASML提供光源的支持以及计量设备的支持。

据ASML、佳能和尼康三家厂商2018年财报显示,三家共出货光刻机374台,比上年的294台增加80台,增幅27.21%。EUV、ArFi、ArF机型,全年共出货134台。其中ASML出货120台,在高端市场占据的份额高达90%。在10nm节点以下,ASML则稳稳占据100%的市场,同业竞争对手已无力追赶。如果芯片制造商想要生产10nm节点以下的芯片,必须得有ASML供应的EUV光刻机及相应的支持服务。

中国大陆晶圆制造商若要生产10nm以下节点的芯片,该怎么解决呢?

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