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当前中国芯片行业的那些“命门”:光刻机到底有多难?
2020-06-06 悉恩悉机床网



  5月15日,中国科技行业迎来噩耗,美国对中国半导体领域最尖端企业华为的制裁终于来到最后阶段。

  在将华为纳入商品管制目录刚刚1周年之时,美国商务部加大了对其技术封锁的力度,而且一次就使出了全力——从之前含有25%美国技术和组件的产品禁止出口,跳过了10%的阶段,直接宣布,只要使用美国技术和设备的厂商,想要向华为提供产品时,都要向美国商务部申请。

  考虑到美国在半导体领域的技术积累,这基本上等于切断了华为从外界获得芯片技术和产品支持的可能。

  在科技行业的全球领先地位、每年巨量的研发投入和长期被美国针对,使得在许多人眼中,华为已经成了中国科技领域的标杆。而它被美国封杀,再次引发了国内民众对于中国高科技行业发展得探讨和反思。

  作为科技领域最尖端的产业之一,中国的芯片产业有哪些弱点和“命门”?

  事到如今,大多数人对这个问题都有一定的认识,其中最受关注的无疑是光刻机。经过多年讨论,大家对“光刻机”“阿斯麦”“ASML”乃至对中国禁运光刻机的《瓦森纳协定》这些词都已经很熟悉了。

  不过到目前为止,很多人其实并不十分了解相关领域的内容,只有一个大体的“落后”印象。那么,中国在这方面到底有多落后?又有哪些关键技术需要突破?

  复杂流程

  首先要介绍一下芯片制造的流程。整个芯片产业链基本上可以分成4大块:最上游是芯片设计和晶圆制造,中游的芯片制造厂拿到设计图后,在晶圆片上刻出芯片,然后送往下游的封测厂进行封装和测试。

  目前在芯片设计领域,海思已经在今年一季度超越联发科,成为全球第4、亚洲第1的IC设计企业;在晶圆制造领域,我国晶圆虽无法满足需求,但已有大量的8寸晶圆产线投产,12寸晶圆产线也在快速建设中;在芯片封测方面,国内封测企业全球市占率已达到20%,技术上也处于第一梯队。

  我国芯片产业落后的地方集中在芯片制造环节。

  光刻是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂(或称光刻胶)的硅片上,通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去的一种图形转移技术。光刻机则是完成这一工作的机器。

  其主要过程为:首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面,引起曝光区域的光刻胶发生化学反应;再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶,后者称负性光刻胶),使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上;最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。

  有一件事需要注意——虽然光刻机频繁出现在各种科技新闻头条中,但是它并非芯片制造的全部。总体来看,整个芯片制造流程要经过清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等多个环节,光刻只是其中一部分。

  与之对应,整个流程需要的高端机械也是多种多样,包括光刻机、刻蚀机、离子注入机、晶圆划片机、晶片减薄机等等。

  之所以国内对光刻机宣传得最多,一方面是因为光刻确实是整个芯片制造环节中非常重要的流程,另一方面可能是因为全世界能生产顶级光刻机的只有1家企业,容易被卡脖子。

  光刻机

  芯片制造的详细步骤如下:

1、清洁和准备。先用化学溶液除去晶片表面的有机或无机污染物,然后将晶片加热烘干,涂上粘合促进剂,让后续光刻胶更好地粘附在硅片上。

2、光刻胶旋涂。将光刻胶涂在硅片中心,然后高速旋转硅片,用离心力让其均匀覆盖在硅片表面,并且挥发掉一部分溶剂,随后将旋涂好的硅片进行预烘烤,再除去部分溶剂。

3、去除边缘光刻胶。光刻胶涂覆后,在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积,会影响成品,要使用化学溶剂或曝光的方法将之去除。

4、对准。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,再通过激光自动对准。

5、曝光。将覆盖着光刻胶的硅片暴露在通过掩膜版照射过来强光下,使被照射到的光刻胶发生化学反应。

6、后烘。加热烘烤,减少入射光的破坏性和建设性干涉图样所引起的驻波现象。

7、显影。

8、硬烘。加热一段时间,完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂,提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力。

9、蚀刻。用液体(湿法刻蚀)或等离子体(干法刻蚀),去除掉不受光刻胶保护区域中的最上层硅片。

10、去除光刻胶。使用化学剥离剂将光刻胶从硅片表明剥离,或者用等离子体将其除去,后一种方法也叫灰化。

  其中,从2到8的步骤都属于光刻工序。此外,上述步骤只是最基本的芯片制造步骤,在如FinFET等新架构发现后,芯片制造又多了许多离子注入等步骤。

  可能会有人觉得光刻的原理很复杂,实际上很简单。

  首先要准备一张晶圆,也就是硅片,然后将光致抗蚀剂(又名光刻胶)涂在上面。这种光刻胶,你可以简单把它理解为老式相机里的胶卷,平日里是黑色的,一旦见光就会发生化学反应变白。你想要什么图案,就用什么图案的光源打上去。

  那么,怎么保证打在“胶片”上的是自己想要的准确图案呢?这里的原理就如同老式皮影戏——用纸剪裁出兔子的轮廓,再挡在光源前,幕布上就会投影出兔子的形状。

  皮影戏

  剪法分成2种,一种是将不要的地方裁掉,这样投影出来被遮挡的部分就是需要的形状;另一种相反,将需要的地方裁掉留空,这样投影出来未被遮挡的部分就是需要的形状。

  用来遮挡光源的“剪纸”就是上文提到的掩膜版,也叫“光罩”,业内交流时也会直接用英文“mask”。而2种裁剪方法则对应正性/负性光刻。

  在用这种方法将需要的图案投映到光刻胶后,用显影液将不需要的部分溶解掉,这样,需要的部分就留在了硅片上,接下来就可以使用刻蚀机在硅片上刻出形状,或者使用新材料,将所需的图案沉积在光刻胶下面的硅片上。

  那么,这项技术关键点在哪里?是硅片?是光刻胶?是掩膜版?还是显影液?

  答案是:都不是。

  光刻光刻,顾名思义,重点在“光”。

  光的艺术

  决定芯片整体性能的是晶体管密度。同样面积的芯片,放进的晶体管越多,基本上性能就越强。与晶体管密度对应的是晶体管的宽度,也叫线宽,晶体管线宽越小,密度就越大。

  我们平时听到的“7nm工艺”、“5nm工艺”等词语,实际上就是指的相应光刻工艺能加工出的晶体管线宽。

  而决定光刻工艺的,是光的波长。

  要提高光在硅片上的加工精度,就需要提高光刻分辨,也就是能清晰分辨出硅片上相隔很近的特征图形的能力。根据瑞利公式,光刻分辨率R=kλ/NA,k代表工艺因子,λ表示波长,NA表示曝光系统的数值孔径。

  显然,要提高光刻分辨率,要么提高工艺(降低k),要么减小波长(降低λ),要么提高数值孔径。其中最直接的手段是做出更短波长的光源。

  于是从上世纪80年代到本世纪初,半导体工程师们将光刻波长从436nm降到365nm,再降到248nm,在世纪初开始应用著名的ArF准分子激光,并发展处成熟的激光产业。包括近视眼手术在内的多种应用都应用这种激光,相关激光发生器和光学镜片等都比较成熟。

  与此同时,光刻技术的工艺制程也从最初的1200nm降至800nm,再降至500nm,继而是350nm……直到90nm。

  但谁也没想到,光刻光源的发展在这个阶段卡了很长时间。从2003年使用193nm波长光源开始,直到今天,我们用的所有手机电脑主芯片仍旧大多是193nm光源光刻出来的,制造工艺虽然勉强从90nm发展到7nm,但这已经是极限了。

  此时,英特尔扮演了很重要角色。早在1997年,他们就预见到了193nm的巨大难度,策划了一项庞大的行动,召集全球精英,一起开发新的光刻技术——极紫外光刻,也就是今天常说的EUV。

  他们说服美国能源部共同牵头,集合了当时如日中天的摩托罗拉以及AMD,以及享有盛誉的美国三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔实验室,劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室。更重要的是,他们还说服美国政府,希望允许ASML和尼康加入。

  最终,尼康被拒绝加入,ASML做了一堆对美国贡献的许诺后获得允许,埋下了今后走向巅峰的伏笔。

  在此后6年间,项目投资2亿美元,召集了数百位人类科学精英,发表了数百篇论文,验证了EUV光刻机的可行性。

  极紫外光源(EUV)采用将二氧化碳激光照射在锡等靶材上的方法,将激发出的13.5 nm光子,一下子将波长缩短了1个数量级。

  整个光源系统除了光的产生之外,还包括光的收集、光谱的纯化与均匀化。由于气体跟玻璃材料都会影响光源的收集,所以整个腔体必须是真空系统,同时透镜也需要使用高反射的布拉格透镜。同时光谱在实现均匀化之后才能得到平行的均匀光,曝光效果才会得到保证。

  随后,ASML经过十来年的巨大投入和艰难研发,期间三星、台积电、英特尔共同向ASML注资52.59亿欧元,终于将EUV光刻机技术实现并产业化。2015年,可量产的样机发布。虽然售价高达1.2亿美元一台,但还是收到雪片一样的订单。排队等交货,都要等好几年。

  而在ASML成功推出EUV光刻机后,在193nm时代就已经落后的2家日本竞争对手——东芝和尼康,这时更加无力追赶,前者确立了在光刻机生产领域一家独大的地位。

  这似乎给我国光刻机发展蒙上了一层阴云。国内光刻机制造企业上海微电子制造的光刻机还停留在90nm工艺的水平——刚刚进入193nm波长瓶颈期,相当于国外17年前的水平。

  而且,美国集全球顶尖科学家之力才研发出EUV技术,ASML耗费十余年、投入数十亿将其产业化,在当前美国对中国技术封锁的情况下,上海微电子将面临独自解决这一问题的挑战。

难点

  具体而言,光刻机有以下难点:

  1、组装。

  光刻机最重要的技术之一是组装,就是把所有的元件组装起来,然后使分辨率达到最高,同时套刻精度达到最佳。

  “机器内部温度的变化要控制在千分之五度,得有合适的冷却方法,精准的测温传感器。”相关业内人员表示。SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。

  2、控制。

  光刻机可能是制造业内对精密性要求最高的产品。光刻的原理就像在米粒大小的面积上,雕刻纳米级大小的文字,对于误差的要求可想而知。

  例如,光刻机里有2个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。

而且,温湿度和空气压力变化会影响对焦。

  3、光源。

  制造EUV需要极高的能量。EUV能被空气吸收,所以光刻环节必须耗电保持真空环境。更夸张的是,EUV还能被透镜吸收,所以只能用十几次面透镜,通过不断反射将光源集中。

  每反射1次,EUV的能量就会损失3成。十几次反射后,到达晶圆的光线理论上只剩下2%。从能连赶上看,韩国企业海力士曾经说过,极紫外光EUV的能源转换效率只有0.02%左右。

  反射

  以此计算,目前ASML的EUV光刻机输出功率为250瓦,那么其输入功率将高达1250000瓦!1台EUV光刻机的光源工作1天,就要消耗30000度电。

电费且不说,如何制造出合格的光源,也是一个问题。当初ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer,才制造出了合格的产品。

4、镜头。光刻机的中心镜头对于镜头要求较高,位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成,需要高纯度透光以及高抛光。

  目前,符合光刻机要求的镜片还无法靠机器制造,先进光刻机镜头全部由手工打磨而成,能够达到这一标准的公司并不多(光刻机工艺制程越高,要求也就越高)。

  早前,ASML以10亿欧元现金入股德国著名光学系统生产商卡尔·蔡司,现在用的都是这家老牌光学企业经验丰富的匠人打磨的镜头。

来源:前瞻网

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