关于光刻机知道一二

2020-5-2 20:31| 发布者: 南召修电视| 查看: 101| 评论: 0

摘要: 我们都知道来自荷兰ASML公司的光刻机最为先进，光刻机又被称为现代光学工业之花，制造难度非常大，全世界只有少数几家公司能够制造，其售价高达7000万美金（最贵的EUV光刻机单台售价已经超过6.3亿元，还需要排队订购 ...

我们都知道来自荷兰ASML公司的光刻机最为先进，光刻机又被称为现代光学工业之花，制造难度非常大，全世界只有少数几家公司能够制造，其售价高达7000万美金（最贵的EUV光刻机单台售价已经超过6.3亿元，还需要排队订购）。

恰恰光刻机又是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。目前在全球45纳米以下高端光刻机市场当中，荷兰ASML市场占有率达到80%以上；比如2018年全球光刻机出货量大概是600台左右，其中荷兰的ASML出货量就达到了224台，出货量占全球的比例达到30%以上。目前全球知名芯片厂商包括英特尔、三星、台积电、SK海力士、联电、格芯、中芯国际、华虹宏力、华力微等等全球一线公司都是ASML的客户。

ASML前身是从1984年飞利浦与先进半导体材料国际（ASML）合资成立；1995年，ASML收购了菲利普持有的股份，成为完全独立的公司。

ASML对于研发的投入非常大，2019年ASML的销售额大概是21亿欧元，而研发费用支出就达到了4.8亿欧元，研发费用占营收的比例达到22.8%，这个比例是非常高的，正因为有大量资金的投入，所以ASML在关键技术领域一直处于领先地位。

从1991年PAS 5000光刻机面市取得巨大成功开始，再到2000~2001年具有双工作台、浸没式光刻技术的Twinscan XT、Twinscan NXT系列研制成功，ASML的技术一直处于全球领先。

目前ASML是全球唯一能够达到7纳米精度光刻机的提供商，国内自主知识产权的光刻机还停留在90纳米。为什么差距这么大，我们先从光刻机的结构简单说起。

以ASML Twinscan光刻机为例，其构造和功能分别为：

测量台、曝光台

承载硅片的工作台，也就是双工作台。一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML有个专利，有两个工作台，实现测量与曝光同时进行。

激光器

也就是光源，光刻机核心设备之一。

光束矫正器

矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器

控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置

设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器

在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器

检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版

一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台

承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜

物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

硅片

用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。（由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、notch。）

内部封闭框架、减振器

将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

至于EUV（极紫外光源）光刻机，是生产7nm制程芯片必不可少的设备，华为麒麟芯片、高通骁龙芯片，三星Exynos芯片的制造都离不开该设备。可以说没有EUV光刻机就生产不出顶级的处理器，如果台积电不给华为代工，华为就得退出中高端手机市场！目前也仅有ASML可提供可供量产用的EUV光刻机，在全球市场处于绝对垄断地位。

从ASML Twinscan光刻机的简易工作原理图可以看出，光刻机的工作过程：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。

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。

2006年全球首台EUV光刻机原型

看似这一过程的原理很简单，但要知道第一台EUV光刻机原型从2006年就在ASML推出来了，2010年造出了第一台研发用样机NXE3100，到了2015年才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共同向ASML注资52.59亿欧元，用于支持EUV光刻机的研发。

EUV光刻机其技术难度有多大？一台EUV机台得经过十几面反射镜，将光从光源一路导到晶圆，最后大概只剩下不到2%的光线。反射镜的制造难度非常大，精度以皮米计（万亿分之一米）。ASML的总裁曾说过，如果反射镜面积有德国那么大，最高的凸起不能超过1公分。光刻机光刻过程必须在真空中实现，原因是极紫外光很娇贵，在空气中容易损耗。同时，在光刻过程中，设备的动作时间误差以皮秒计。（备注：皮秒=兆分之一秒）EUV除了售价高昂，技术复杂之外，耗电能力也十分恐怖。驱动一台能输出250瓦功率的EUV的机台，需要输入0.125万千瓦的电力才能达到。

换句话来说，就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天，将会消耗3万度电。由于极紫外光的固有特性，产生极紫外光的方式十分低效，世界第二大内存制造商、韩国的SK海力士代表曾表示，“EUV的能源转换效率（wall plug efficiency）只有0.02%左右。”

同样用同行的技术实力发展过程也可以看出EUV光刻机的难度。

2007年之前，作为全球顶尖的光刻机有三个厂家，分别是ASML，尼康和佳能。虽说193nm光源DUV早在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。

我们经常吐槽Intel的“花式挤牙膏”，这也是因为光刻机的技术和成本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，一直用到现在的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，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，因为光学镜片的进步比电子产品更难得多！

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。

又回到在上世纪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。

而2007年ASML配合台积电的技术方向，推出了193纳米的光源浸没式系统，在光学镜头和硅晶圆片导入液体作为介质，在原有光源与镜头的条件下，能显著提升蚀刻精度，并成为高端科技的主流技术方案。而当时日本的尼康与佳能却主推157纳米光源的干式光刻，这个路线后来被市场所放弃，也成为尼康跟佳能迈入衰退的一个转折点，后来才有了ASML的垄断。

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

收藏分享邀请

上一篇：广播后级扩音机运作模式A类到D类下一篇：10岁多的电视还值得修一下吗？还是买新的划算？

账号		自动登录	找回密码
密码			注册

关于光刻机知道一二

最新评论

相关分类