什么是光刻机(光刻机是干什么用的?)

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当今社会中,几乎所有的电子设备,像电脑、手机、汽车、飞机都需要芯片的加持。

芯片是什么,它是怎么制造出来的?

一枚芯片,只不过指甲盖那么大,却能在几十平方毫米的空间里,运行几十亿个晶体管。

想要制造芯片,光刻机是无法绕开的核心设备。利用紫外线除去晶圆表面的保护膜,这个机器就是光刻机。它就是一个成像设备,能把光源照射到设置好的图像,通过成像系统把电路图形精确复制到晶圆上,从而制造出芯片所需的图形和功能区。

原理很简单,关键是需要纳米级别的精确度。就像原子弹爆炸的原理,早就不是什么国家机密,但真正制造出一枚核弹,却不是那么容易的事情。

制造光刻机有哪些困难?

首先是光源问题。

光刻机是用紫外光刻画在晶圆上,这就对光源有了极高的要求。

目前,世界上最先进的光刻机已经做到3纳米。这里的3纳米是指节点技术的关键尺寸,指的是栅极长度(gate length),也就是单个晶体管的长度。这个长度越小,意味着在同样面积的晶圆上可以布置的晶体管越多。栅极的缩小是提升器件开断频率的重要方法之一。频率高了,就意味着芯片跑得更快。据说这样的光刻机可以加工13 纳米线条。我们的头发丝直径大约是 50~70微米,换言之,这种光刻机可以刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。

目前世界上最先进的光刻机是荷兰ASML公司生产的极紫外光刻机(EUV)。比起DUV光刻机,它把193nm的短波紫外线替换成了13.5nm的极紫外线,能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸。

而EUV光刻机的光源来自于美国的Cymer,这个13.5nm的极紫外线是从193nm的短波紫外线多次反射之后得到的。道理是这么说的,可做起来太困难了。美国的这家生产EUV光刻机光源的公司是世界上唯一的一家公司,也就是说除了他家,别人都无法生产。

没有光源,光刻机就无法工作。这就是垄断。

其次是反射镜。

反射镜的作用是把模板上的电路图等比例缩小,在硅片上以电路图的形式呈现出来,这是制造芯片的关键元件。

ASML公司EUV光刻机的反射镜来自德国的蔡司。

EUV多层膜反射镜作为光学系统的重要元件,成为了EUV光源的一项关键技术,需实现EUV波段的高反射率。

第三就是工作台的精度。

光刻机的工作台控制了芯片在制造生产中的纹路刻蚀,工作台的移动精度越高,所加工的芯片精度就越高。

ASML公司的EUV光刻机工作台采用的是一种高精度的激光干涉仪,以此进行微动台的位移测量,构建出一个闭环的控制系统,进而实现纳米级的超精密同步运动。

在芯片制造过程中,并不是一次曝光就可以完成的,在制造过程中要经历多次曝光,这也就意味着,在芯片制作过程中要进行多次对准操作。芯片的每个元件之间都只有几纳米的间隔,在这种情况下,掩膜与硅晶圆之间的对准误差都必须控制在几纳米范围内。

ASML公司研发出了双工作台,在一个工作台完成扫描曝光的同时,另一个工作台也可以同时进行对准、调焦、下片等操作。

最后就是耗电问题。

EUV光刻机耗电非常高,它需要把整个工作环境都抽成真空以避免灰尘。EUV光刻机运行中每小时耗电至少150度。这比挖比特币还要费电!

我们自己的光刻机做到了什么水平呢?

ASML的EUV光刻机已能用13.5nm极紫外光制程7nm、甚至3nm的芯片。我国主要还是采用深紫外光的193nm制程工艺,能做26nm的芯片。据报道,上海微电子公司已经攻克了14nm光刻机,尽快还达不到国际最先进的光刻机水平,但是在手机、汽车等民用领域,以及武器装备用的芯片上,我们已经可以自给自足。

与ASML的EUV光刻机相比,我们就像是拿着一把盒尺,想要测量国际米原器的精度一样。不打破技术壁垒,难度之大,可想而知。

美国人为了遏制我们在半导体领域的发展,不但限制ASML出口给中国EUV光刻机,就连采用深紫外光的DUV光刻机都限制对我国出口。ASML公司在EUV光刻机光源的供货上受制于美国,只好停止为我国供货,但它的销售额锐减,损失很大。这次虽然喊出来为我们供货,却只是恢复DUV光刻机的出口,最好再硬气一点,直接加上EUV光刻机,看看美国人还怎么指手画脚?

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