• 光刻技术发展


    光刻技术发展

    光刻机作用

    光刻机(英文“Mask Aligner”) ,又名掩模对准曝光机,芯片制造流程中光刻工艺的核心设备。芯片的制造流程极其复杂,可以概括为几大步骤:硅片的制备-->外延工艺-->热氧化-->扩散掺杂-->离子注入-->薄膜制备-->光刻-->刻蚀-->工艺集成等。光刻工艺是制造流程中最关键的一步,光刻确定了芯片的关键尺寸,在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。

    光刻工艺的作用,将掩膜版(光刻版)上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面,再经过分步重复曝光和显影处理之后,在晶圆上形成需要的图形。原理示意图如下:

     

    ASML

    上世纪60~70年代是早期光刻机发展阶段。

    当时美国是走在世界前面的,那时候还没有ASML。

    光刻机的原理其实像幻灯机一样简单,就是把光通过带电路图的掩膜(Mask,后来也叫光罩)投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期60年代的光刻掩膜版以1:1的尺寸紧贴在晶圆片上,而那时的晶圆也只有1英寸大小。

     

    而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头,衰落充满偶然,始于157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。

    当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm,摆在全产业面前的一道难关。

    降低光的波长,从光源出发是根本方法,光由真空入水,因为水的折射率,光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水,由于水对 193nm 光的折射率高达 1.44,原有的193nm激光经过折射,直接越过了157nm的天堑,降低到134nm。

     

     浸没式光刻可缩短等效波长

    2002年,台积电前研发副总经理的林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都吃了闭门羹。

    当时还是小角色的ASML(1984年飞利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50组成的合资公司,最初员工只有31人)决定赌一把,相比之前在传统干式微影上的投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是ASML和林本坚一拍即合,仅用一年多的时间,就在2004年拼全力赶出了第一台样机,并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。

    ASML的崛起

    1997年,英特尔攒起了一个叫EUV LLC的联盟。联盟中的名字个个如雷贯耳:除了英特尔和牵头的美国能源部以外,还有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。

    这些实验室是美国科技发展的幕后英雄,他们之前的研究成果覆盖了物理、化学、制造业、半导体产业的各种前沿方向,有核武器、超级计算机、国家点火装置,甚至还有二十多种新发现的化学元素。

    资金到位,技术入场,人才云集,但偏偏联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落,根本烂泥扶不上墙。于是,英特尔力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但问题在于,这两家公司,一个来自日本,一个来自荷兰,都不是本土企业。

    当时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术,并不太希望外国企业参与其中,更何况是八九十年代在半导体领域压了美国风头的日本。但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高,透镜和反射镜系统也极致精密,还需要真空环境,其配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰,就算是美国,想要一己之力自主突破这项技术,可以说是比登天还难,毕竟美国已经登月了。

    最后,ASML同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。另外,还保证55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。这也是为什么美国能禁止荷兰的光刻机出口中国。

    错失EUV的尼康,还未完全失去机会,一蹶不振的,是盟友的离开。当时的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大,制作22nm的芯片还是一直采购ASML和尼康两家的光刻机。但“备胎终究是备胎”,一转身,英特尔就为了延续摩尔定律的节奏,巨资入股ASML,顺带将EUV技术托付。

    另一边,相比一步步集成了全球制造业精华的ASML,早年间就习惯单打独斗的尼康在遭遇美国封锁后,更是一步步落后,先进设备技术跟不上且不提,就连落后设备的制造效率也迟迟提不上来。而佳能在光刻机领域一直没有争过老大,当年数码相机称霸世界,利润很高,但是对一年销量只有上百台的光刻机根本没有给予重视。2012年,英特尔连同三星和台积电,三家企业共计投资52.29亿欧元,先后入股ASML,以此获得优先供货权,结成紧密的利益共同体。在2015年,第一台可量产的EUV样机正式发布,意味着在7nm以下的先进工艺节点,ASML再无对手!

    光学修正技术能够提高光刻机对硅膜片的成像质量,提高芯片的性能和良品率,一定程度上可以降低芯片制程难度。由于光学修正技术应用于光刻机设备当中,而且能够提高硅膜片的成像质量。光学修正技术可以提高光刻机水准,加速实现芯片自主化生产的脚步。

    光学邻近效应是一门技术,归属于计算机光刻工艺。

     

      光刻工艺是芯片制造的关键流程之一。其工作原理是利用光刻机光源的曝光、显影技术,在光刻胶胶层上印刻“设计图”,为硅晶圆步入刻蚀环节做好准备。常说的光刻机制程,便是光刻工艺,只不过归属于化学制品这个范畴。

    光刻工艺分为两种;采用化学制品,诸如光刻胶等化学原料,对硅基晶圆上的光刻胶图像进行光化学反应的化学过程。采用计算机模拟,从理论上探索、提高光刻分辨率与光刻工艺的新途径,为光刻制程提供工艺参数指导的计算机光刻。

    利用不同的成像异常检测模板,能够大幅节省分析故障时所耗费的时间。

    同时双采样率像素化掩模能够根据异常区域,自适应产生虚拟边,通过修正策略和修正约束,实现高效的局部修正和全局轮廓保真度控制。在此基础上兼顾成像计算效率和掩模修正分辨率。

    快速光学邻近效应修正技术,实现28纳米以下制程技术节点、集成电路制造的关键计算光刻技术之一。计算光刻技术是在摩尔定律规定下,推动芯片制程向前发展的核心动力。如果没有计算光刻技术作为指导,即便光刻机设备再先进,芯片制程的水准也难以提升。

    前面提到,快速光学邻近效应修正技术可以提高光刻机的成像质量,一定程度上降低对光刻机曝光技术的要求。上海微电子的28纳米光刻机已经投产,也实现了28纳米芯片的完全自主化生产。

     

     芯片刻蚀,有中微公司的3纳米刻蚀机。原料方面,有8英寸、12英寸晶圆减薄机和南大光电的ArF、KrF光刻胶。结合哈工大、清华团队研制的EUV曝光系统与长春光机所、上海光机所步入研究的13.5纳米光源、光学镜头项目、加上北京华卓精科的双工件台。完全具备自主生产14纳米及14纳米以下芯片的能力。

    另外,“基于虚拟边与双采样率像素化掩模图形”的快速光学邻近效应修正技术,配合上海微电子推出的28纳米制程光刻机,有望将芯片制程提升到22纳米、16纳米、14纳米。但并不代表可以大规模量产,毕竟设备才是硬伤。

    14纳米甚至7纳米芯片生产的说法是不成立的。拿DUV光刻机举例,在通过水的多次折射曝光后,DUV光刻机的确可以达到生产7纳米芯片的标准。但这样做,所付出的时间和成本是巨大的。要生产出7纳米制程芯片,EUV光刻机是不可缺少的。这一点中芯国际也提到过。

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