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光刻机的制造为什么这么难?

发表时间:2023-01-10  |  点击率:74

     近半个世纪以来,硅一直是世界科技繁荣的焦点,芯片制造商几乎都在压榨它的性能。传统上用于制造芯片的技术在2005年左右达到极限,芯片制造商不得不寻求其他技术,将更多的晶体管塞到硅上,从而制造出更强大的芯片。
    光刻机必须把工程师绘制的电路板精确无误地投到硅晶圆上,不允许有丝毫误差,可见难度之高!

      将晶体管封装到芯片上的传统工艺被称为“深紫外光刻"(DUV),这是一种类似摄影的技术,通过透镜聚焦光线,在硅晶片上刻出电路图案。受到物理定律的影响,这种技术可能很快就会出现问题。利用极紫外光(EUV)在硅晶片上雕刻,将使芯片的速度快100倍,并使存储器芯片具有类似倍数的存储容量增长。


      1. 芯片制造
      光刻与摄影相似,它利用光将图像转移到基板上。就照相机而言,它的基板是胶卷,而硅是用于芯片制造的传统基板。掩模就像电路图案的模板,为在芯片上创建集成电路设计。光被定向到一个掩模上,光线穿过掩模,然后通过一系列光学透镜将图像缩小,这个小图像被投射到硅或半导体晶片上。
      晶圆上覆盖着一种叫做光刻胶的感光液体材料,分为负性光刻胶和正性光刻胶两大类。掩模被放置在晶圆上,当光线穿过掩模照射到硅片上时,它会使没有被掩模覆盖的光刻胶变硬。而不暴露在光下的光刻胶仍然有点粘糊糊,并且会被化学清洗掉,只剩下硬化的光刻胶和暴露在外的硅片。正性光刻胶则正好相反,曝光过的光刻胶会被化学清洗掉。
      制造更强大的芯片的关键是光的波长大小。波长越短,可以蚀刻到硅片上的晶体管就越多。更多的晶体管等于一个更强大、更快的微处理器。2001年,深紫外光刻使用的波长为240纳米。随着芯片制造商将波长减少到100纳米,他们将需要一种新的芯片制造技术。使用深紫外光蚀刻技术的问题是,当光的波长变小时,光会被用于聚焦的玻璃透镜吸收,结果是光线无法到达硅片上,晶圆上没有产生电路图案。这个时候,极紫外光刻技术就登场了。

      2. 极紫外光刻原理
      2001年起,用深紫外光刻技术制造的芯片使用的是248纳米的光,也有一些制造商使用193纳米光。有了极紫外光刻技术,芯片将用13纳米的光制造。基于波长越小成像效果越好的定律,13纳米光将提高投射到硅片上的图案质量,从而提高芯片的运行速度。
      但整个过程必须在真空中进行,因为这些光的波长很短,连空气都会吸收它们。此外,EUV光刻机使用了涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜,这种涂层可以在13.4纳米的波长下反射近70%EUV光。如果没有涂层,光线在到达晶圆片之前就会被完quan吸收。镜子的表面必须近乎完mei,即使是涂层上的微小缺陷也会破坏光学器件的形状,扭曲印刷电路的图形,从而导致芯片功能上的问题。

      目前,先进的光刻机是极紫外光刻机,它已经制造数十亿颗7nm芯片了。甚至有芯片制造商声称,用极紫外光刻技术生产的5nm芯片的不良率比7nm芯片更低。


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