近日，ASML方面?zhèn)鞒鱿?，新一代極紫外光刻機（EUV）已研發(fā)完成，現(xiàn)階段正在進行最后一部分的安裝工作。據(jù)知情人士透露，這款新型EUV設(shè)備的造價將高達1.5億美元（約合人民幣9.7億元）。
巴士大小，造價昂貴，配置逆天
這臺最新的光刻機正位于美國康涅狄格州郊區(qū)的一間大型潔凈室里，工程師們正進行著最后的工作，將一塊巨大鋁材雕刻成框架，最終讓光罩以納米級的精度在其間移動，反射極紫外光束。這些光束利用幾面鏡子來回反射，以驚人精度反復(fù)修飾打磨，在硅片上蝕刻出只有幾十個原子大小的特征圖案。
這樣一臺極紫外光刻機，有望讓芯片制造行業(yè)沿著摩爾定律至少再走上10年時間。
值得注意的是，這臺新一代極紫外光刻機大約有一輛公共巴士那么大，造價高達1.5億美元。整個機器中包含10萬個部件和2公里長的電纜。更夸張的是，這樣一臺極紫外光刻機想要發(fā)貨，至少需要40個集裝箱、3架貨機或者20輛卡車。
麻省理工學院研究新型晶體管架構(gòu)的教授Jesús del Alamo認為，這是一臺不可思議的機器：“這絕對是一款革命性的產(chǎn)品，是一項突破，將給芯片行業(yè)帶來新的生命?！?/p>
據(jù)悉，造好的組件將于2021年底運往荷蘭，然后在2022年初安裝到新一代極紫外光刻機的第一臺原型機中。新一代極紫外光刻機采用更大的數(shù)值孔徑來進一步縮小芯片上的元件尺寸。這種方式允許光線以不同角度穿過光罩，從而增加圖案成像的分辨率。這就需要更大的鏡子和新的軟硬件來精確控制組件蝕刻。
ASML當前一代極紫外光刻機可以制造出分辨率為13nm的芯片。而新一代極紫外光刻機將使用更高數(shù)值孔徑來制作8nm大小的特征圖案。不出意外的話，新一代極紫外光刻機將比以往任何機器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個芯片都有數(shù)百億個元件，這臺機器在未來幾年所生產(chǎn)的芯片應(yīng)該是史上處理速度最快、效率最高的?？傊?，阿斯麥新一代極紫外光刻機有望延續(xù)芯片制造以及整個科技行業(yè)不斷進步的理念，繼續(xù)讓摩爾定律保持活力。
值得注意的是，ASML早在2017年就推出世界上第一臺可量產(chǎn)的極紫外光刻機，在芯片制造領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，已經(jīng)被用于制造iPhone手機芯片以及人工智能處理器等最先進的芯片。到最新一代極紫外光刻機設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代更替，并且全世界只有諸如臺積電、三星和英特爾等少數(shù)公司能買得起這樣的設(shè)備。
光刻機在芯片制作中的重要性
別看芯片小小的體積，內(nèi)部其實蘊含了無窮的“能量”。芯片的制造過程極其復(fù)雜，需要在晶圓片上不斷累加圖案，這些圖案縱向連接，可達100多層。
芯片的制造包含數(shù)百個步驟，從設(shè)計到量產(chǎn)可能需要四個月的時間。在晶圓廠的無塵室里，珍貴的晶圓片通過機械設(shè)備不斷傳送，整個過程中，空氣質(zhì)量和溫度都受到嚴格控制。從芯片制造的關(guān)鍵工藝上來看，分為以下10大步驟。
1）沉積：造芯片的第一步，通常是將材料薄膜沉積到晶圓上。材料可以是導體、絕緣體或半導體；
2）光刻膠涂覆：進行光刻前，首先要在晶圓上涂覆光敏材料“光刻膠”或“光阻”，然后將晶圓放入光刻機；
3）曝光：在掩模版上制作需要印刷的圖案藍圖。晶圓放入光刻機后，光束會通過掩模版投射到晶圓上。光刻機內(nèi)的光學元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發(fā)生化學反應(yīng)，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層；
4）計算光刻：光刻期間產(chǎn)生的物理、化學效應(yīng)可能造成圖案形變，因此需要事先對掩模版上的圖案進行調(diào)整，確保最終光刻圖案的準確。ASML將現(xiàn)有光刻數(shù)據(jù)及圓晶測試數(shù)據(jù)整合，制作算法模型，精確調(diào)整圖案；
5）烘烤與顯影：晶圓離開光刻機后，要進行烘烤及顯影，使光刻的圖案永久固定。洗去多余光刻膠，部分涂層留出空白部分；
6）刻蝕：顯影完成后，使用氣體等材料去除多余的空白部分，形成3D電路圖案；
7）計量和檢驗：芯片生產(chǎn)過程中，始終對晶圓進行計量和檢驗，確保沒有誤差。檢測結(jié)果反饋至光刻系統(tǒng)，進一步優(yōu)化、調(diào)整設(shè)備；
8）離子注入：在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負離子轟擊晶圓，對部分圖案的半導體特性進行調(diào)整；
9）需要重復(fù)制程步驟：從薄膜沉積到去除光刻膠，整個流程為晶圓片覆蓋上一層圖案。而要在晶圓片上形成集成電路，完成芯片制作，這一流程需要不斷重復(fù)，可多達100次；
10）封裝芯片：最后一步，切割晶圓，獲得單個芯片，封裝在保護殼中。這樣，成品芯片就可以用來生產(chǎn)電視、平板電腦或者其他數(shù)字設(shè)備了。
正如上文提到的“視需要重復(fù)制程步驟”，現(xiàn)代芯片的結(jié)構(gòu)可多達100層，需要以納米級的精度相互疊加，這精度又稱為“套刻精度”。芯片上光刻的各層圖案大小不一，這意味著，光刻各層圖案需要用到不同設(shè)備。ASML的DUV深紫外線光刻機有數(shù)種不同的機種，適合最小圖案的關(guān)鍵性光刻需求以及普通圖案的正常光刻。
如今，芯片的結(jié)構(gòu)可多達100層，需要以納米級的精度相互疊加，這精度又稱為“套刻精度”。芯片上光刻的各層圖案大小不一，這意味著，光刻各層圖案需要用到不同設(shè)備。ASML的光刻機有數(shù)種不同的機種，適合各種各樣圖案的關(guān)鍵性光刻需求以及普通圖案的正常光刻。
Intel嘗鮮？2023年下線首批芯片
眾所周知，光刻機設(shè)備極為復(fù)雜，全球只有ASML能生產(chǎn)高端光刻機，而且產(chǎn)能還極其有限。在新一代極紫外光刻機設(shè)備出現(xiàn)之前，臺積電幾乎包攬了ASML 70％的產(chǎn)能，哪怕是三星也沒有足夠的設(shè)備擴大5nm高精尖芯片的產(chǎn)能，這是臺積電能一直領(lǐng)銜三星的主要原因。
而新一代極紫外光刻機設(shè)備據(jù)悉會讓Intel率先采用。Intel表示，預(yù)計將在2023年下線第一批芯片。憑借比以往任何機器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個芯片都有數(shù)百億個元件，這臺機器在未來幾年所生產(chǎn)的芯片應(yīng)該是史上處理速度最快、效率最高的。
總而言之，從整個半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展角度來看，新一代極紫外光刻機設(shè)備的出現(xiàn)具有劃時代的意義，但對于仍處在爬坡階段的國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)來說，由于高端先進技術(shù)受到限制等原因，在尖端技術(shù)方面與頭部企業(yè)的差距或?qū)⑦M一步被拉大。
下載文檔
