最近光刻機十分火,我們經常聽到別人說7nm光刻機,5nm光刻機,但其實嚴格意義上來說,並不存在7nm光刻機,5nm光刻機,有的只是7nm工藝,5nm工藝。
我們首先要搞清楚什麼是光刻機,光刻技術就是利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對塗有光刻膠的薄片曝光,光刻膠見光後會發生性質變化,從而使光罩上的圖形複印到薄片上,從而使薄片具有電子線路圖的作用。
簡單來說,光刻就是把晶片製作所需要的線路與功能區做出來。類似投影儀,不過光刻投的不是照片,而是電路圖和其他電子元。光刻質量,直接決定了晶片是否可用。
在這裡,最核心的就是光源了,一切光刻機的核心零件就是圍繞光源來的,所以根據光源的改進,光刻機一共可以分為5代,
分別是最早的436納米光刻機,然而第二代是365納米波長,第三代是248納米,第四代是193納米波長,第五代是13.5納米波長的EUV光刻機。
像436納米波長的第一代光刻機,可以用來製造0.5微米製程以上的晶片,而193納米波長的第四代光刻機,技術工藝則發生過變化,第四代掃描投影式光刻機能夠用來製作90納米到60納米製程的晶片。到了60納米的時候,當時的光刻機龍頭尼康想要通過改變光源來提升製程。
這個時候臺積電的林本堅發現,只要在晶圓光刻膠上方加 1mm 厚的水。水可以把 193nm 的光折射成 134nm,這就是第四代浸沒式光刻機。臺積電把這個方案給了ASML,這也讓ASML打敗了尼康,成為新的光刻機巨頭 。
後來,ASML通過增加雙工作檯,多重曝光等方式將第四代浸沒式光刻機的極限提升到了7nm,什麼是雙工作檯呢?一個工件臺進行曝光晶圓片,同時在另外一個工作檯進行預對準工作,兩個工件臺相互獨立,同時運行,生產效率提高大約35%,精度提高10%以上。
這個時候第五代EUV光刻機就開始接棒,製造7nm以來晶片,目前,第五代EUV光刻機的工藝節點在1nm左右。
所以說,並不存在幾納米的光刻機,第四代浸沒式光刻機,可以製造20nm晶片,也可以製造7nm晶片那它是幾納米光刻機
這裡我們要指出,擁有了第四代浸沒式光刻機並不意味著就可以製造出7nm的晶片,像中芯國際,目前還只能實現穩定14nm的量產,因為晶片生存一個非常複雜的工藝流程,並不是有一臺光刻機就可以的事情。
晶片的製造過程可概分為晶圓處理工序(WaferFabrication)、晶圓針測工序(WaferProbe)、構裝工序(Packaging)、測試工序(InitialTestandFinalTest)等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓針測工序為前端(FrontEnd)工序,而構裝工序、測試工序為後段(BackEnd)工序。
晶片的製備是一層一層的加工製造,製程越先進,電晶體密度越大,相應的所需要的層數也越多,因此需要各種類型的工藝反覆的進行加工。晶片從晶圓開始加工到結束可能需要300道以上的工序,而任何一道工序稍有失誤就可能導致大量的晶片報廢。
並且很多工藝都是沒有挽救餘地的,中間只要有一個工藝發生偏差就只能報廢處理,還有很多時候很小的偏差只有等到晶片製造完成進行電性能測試的時候才能發現,這樣造成的損失就更加龐大。
這樣就要求晶圓代工廠的工藝參數浮動的範圍就要不斷縮小,因此,越是先進的工藝,就越要保證工藝的穩定性。這也是為什麼中芯國際到現在也只掌握14nm工藝的原因。
目前中國已經能夠量產第四代掃描投影式光刻機,而第四代浸沒式光刻機今年年底也將實現量產,如果使用套刻精度在1.9nm左右的工作檯,在多次曝光下能夠實現11nm製程工藝的晶片生產。如果改用套刻精度更優的國產華卓精科工作檯(1.7nm),在多重曝光下更是能夠實現7nm製程工藝的晶片生產。
所以不要覺得90nm到7nm之間的路途非常漫長,光源的遞進,所帶來的變革會是革命性的,中國晶片產業的主要問題並不是在光刻機,而是沒有形成完整的產業鏈,而這許多中國晶片產業多方面的突破發展。