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国产5nm刻蚀机过台积电验证 光刻机也要来了?

实验室资讯网时间:2018-12-20 点击: 百度搜索

【导读】近段时间,在美加软禁华为孟晚舟以及五眼联盟封禁华为5G等一系列针尖对麦芒的大事件笼罩下,国人对于本土技术在国际市场上的竞争力的关注又达到了一个空前的新高度。虽然上述这些事件至今仍未平息,且未来还充满变数,但这仍然阻挡不了国产技术迈向国际高水平竞争行列的脚步。 近日,全球最......
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近段时间,在“美加软禁华为孟晚舟”以及“五眼联盟封禁华为5G”等一系列针尖对麦芒的大事件笼罩下,国人对于“本土技术在国际市场上的竞争力”的关注又达到了一个空前的新高度。虽然上述这些事件至今仍未平息,且未来还充满变数,但这仍然阻挡不了国产技术迈向国际高水平竞争行列的脚步。

近日,全球最大的芯片代工厂台积电正式对外宣布,将在2019年第二季度进行5nm制程的风险试产的消息,预计2020年能够实现5nm的量产。编者获悉,其采用的半导体刻蚀设备正是由国内中微半导体供应,自28nm制程时该公司就已经开始与台积电密切合作,一直到今天的10nm和7nm,而如今该公司自主研发的5nm等离子体刻蚀机也通过了台积电的层层审核与验证,性能优良,将用于铺设全球首条5nm制程生产线。

本土5nm刻蚀机获大突破 虽打破垄断但仍前路漫漫

或许在很多人看来,刻蚀技术并不如光刻机那般“高贵”,但刻蚀在芯片的加工和生产过程中同样不可或缺。实际上,刻蚀机主要是按照前段光刻机“描绘”出来的线路来对晶片进行更深入的微观雕刻,刻出沟槽或接触孔,然后除去表面的光刻胶,从而形成刻蚀线路图案。通俗来讲,光刻机的作用就好比雕刻之前在木板或者石板上描摹绘线,而刻蚀机则需要严格按照光刻机描绘好的线条来“雕刻”出刻痕图案。所以,在芯片的整个生产工艺过程中需要先用到光刻机,然后才用到刻蚀机,接下来重复地使用两种设备,直至完整地将设计好的电路图搬运到晶圆上为止。

但在过去,由于大陆并不具备可量产半导体刻蚀设备的能力,基本上都是依靠进口,而美欧等国为防止中国半导体产业的进步,多年以来一直对该领域实行技术封锁。由于半导体设备动辄千万上亿的研发成本以及超高的技术难度,导致中国大陆在该领域一直以来走的十分艰难。不过,2015年之后,中国本土逐渐成长出了以中微半导体为代表的多家半导体刻蚀设备供应商(比如主攻硅刻蚀和金属刻蚀的北方华创等),且因中微在等离子体刻蚀机的质量和数量上逐渐比肩国际大厂,跻身一线水平,美国商务部也因此取消了对中国刻蚀机的出口管制。

国产5nm刻蚀机过台积电验证 光刻机也要来了?

中微半导体跻身国际一线刻蚀机供应商行列

今年4月,中微半导体CEO尹志尧在公开场合表示公司已在全球各地建置共计582台刻蚀反应台,并预期今年底将增长至770台。目前中微半导体产品已经进入第三代10nm、7nm工艺以及新一代5nm工艺,并通过了晶圆厂的验证生产,下一阶段将逐步进入3.5nm工艺等世代的研发。

国产5nm刻蚀机过台积电验证 光刻机也要来了?

芯片量产工艺流程

诚如上述,尽管从刻蚀设备上来看,本土企业的确是打破了美欧等大国的技术垄断,但这并不意味着量产诸如7nm、5nm甚至更低制程的芯片就没有问题了。实际上,一颗芯片的生产流程和工艺不仅耗资巨大且十分复杂,而刻蚀仅仅只是芯片生产众多工序中的一环(如上图),在其前段和后段还有非常多具备高难度的生产工艺,比如薄膜淀积、光刻以及离子注入和CMP等。而本土芯片代工企业大如中芯国际目前也仅仅攻克了14nm技术,2019年才能量产,与台积电、英特尔以及三星等国际大厂的10nm甚至7nm的进展相比仍存在很大一段距离,这并非是短短几年就能够获得突破甚至赶超的。因此,在国产半导体设备或更多先进技术取得突破与进步时,我们应该以更为理性和全局的视角来看待,不吹不擂、不骄不躁。

刻蚀机成功了!光刻机也要来了?

的确,刻蚀机我们是成功了,那光刻机呢?众所周知,相比刻蚀设备,光刻机的制造难度更大、成本也更高,被誉为现代光学工业之花。目前,全球也仅有少数几家公司能够制造,售价高达7000万甚至上亿美元,像当今全球市场占据80%份额的荷兰ASML旗下最新的EUV NXE 3350B光刻机单价就高达1亿美元,ArF Immersion的售价也大约在7000万美元左右。曾经,上海微电子装备公司总经理贺荣明去德国考察时,就有工程师告诉他:“给你们全套图纸,也做不出来。”因为光刻机的镜片就好比把反射镜放大到整个德国,还需要保证最高的凸起处不超过一公分的精度,由此足见光刻机设备的制作难度之高。

具体来讲,位于光刻机中心的镜头由20多块锅底大的镜片串联组成,每个镜片都需要高纯度的透光材料和高质量的抛光才能使用,以SMEE(上海微电子装备公司)光刻机所使用的镜片为例,每个镜片价格都高达数万美元,而业内顶级的ASML的镜片是以德国蔡司光学镜片技术为基础的,镜片的材质做的非常均匀,瑕疵仅以pm(即nm的千分之一)计,这一般需要十年到上百年的技术沉淀。正如SMEE总经理贺荣明所说,“同样一个镜片,如果由不同工人去抛光打磨的话,光洁度一般相差十倍,在德国做这类镜片抛光的工人,祖孙三代都是在同一家公司的同一个职位上一直做下去的。”

此外,光刻机需要体积非常小、功率很高且稳定的光源。像ASML目前的顶级光刻机,使用的短波长极紫外光的光学系统十分复杂,其中不仅有顶级的镜头和顶级的光源,还要做到非常极致的机械精度,机械动作误差一般在皮秒(兆分之一秒)级别,比如光刻机内部两个同步运动的工件台,底片台和胶片台都需要做到始终同步且误差在2nm以下,由静到动,二者的加速度堪比导弹发射。更形象比喻,就好似两架大飞机从起飞到降落始终齐头并进,一架飞机上伸出一把刀,在另一家飞机的米粒上进行高精度的刻字作业。而且,温湿度和空气压力变化也会影响到对焦,机器内部温度的变化要控制在千分之五度左右,这需要有合适的冷却方法和精准的测温传感器。像目前国内SMEE最好的光刻机,其中包含13个分系统、3万个机械件以及200多个传感器,其中每一个都要非常稳定,否则任何一个出状况都是全盘皆输。

随着当今全球顶级芯片量产制程从10nm逐步下探到7nm甚至5nm,未来越来越多的芯片无疑会以10nm和7nm为主,极紫外光的EUV光刻设备也将由此跻身为半导体芯片代工厂们的主要采购对象。但在单台如此高的价格压力以及ASML设备排期股东(英特尔、台积电以及三星等)优先的策略下,实现光刻机的国产化以及本土半导体芯片代工的“咸鱼翻身”就成了当前整个国家密切关注的话题。那么,我国的光刻机研发情况究竟如何了?

在企业端,目前国内半导体光刻设备领域的主要玩家是上海微电子装备公司即SMEE。据悉,清华大学联合华中科技大学、上海微电子装备有限公司和成都工具所3家单位于2016年就已完成了光刻机双工件台系统样机的验收,令我国成为国际上少数几个能够研制光刻机双工件台这一超精密机械与测控技术领域最尖端系统的国家。而在今年5月,上海微电子装备有限公司就已经完成了第100台国产高端光刻机的交付,目前该公司制造的产品主要包含90nm、130nm以及280nm等不同分辨率节点要求的ArF、KrF以及i-line步进扫描投影光刻机,其目前最好的光刻机加工精度是90nm,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准,所以技术水平还是难以媲美国际的。

除了企业端,国内研究机构也在大力开发高水平的光刻机设备。2017年6月,中国科学院长春精密机械与物理研究所开展的“极紫外光刻关键技术研究”项目就已被成功验收,该项目突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术,成功研制了波像差优于0.75nm RMS的双镜EUV光刻物镜系统,构建了EUV光刻曝光装置,是国内首次获得EUV投影光刻32nm线宽的光刻胶曝光图形。而今年11月29日,中国科学院光电技术研究所承担的国家重大科研装备即超分辨率光刻设备项目也在成都通过验收,成为国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备,据悉该设备采用的是365nm波长光源,单次曝光最高线宽分辨力可以达到22nm,结合多重曝光技术之后可以用于制造10nm级别的芯片。

小结

综上可见,半导体刻蚀技术的突破以至领先只是我国半导体设备高端化之路的第一步,在更为关键且挑战巨大的光刻技术方面,实际上我国也并没有落后多少,因此我们也不必妄自菲薄。尽管当前在企业端国内仅有SMEE一家能够实现低端光刻机的量产交付,但从整体上来看本土在光刻设备的研究上已经能够做到制造10nm芯片的水平,具备了一定的追赶国际水平的基础,相信经过未来多年的持续努力投入,本土光刻技术定能厚积薄发,像3G到4G、4G到5G技术那样,从落后到追赶、从追赶到超越!

(本文来源:华强电子网 作者:席安帝 )

(责任编辑:大林)

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