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[分享] 光刻机——现代光学工业之花

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发表于 2022-11-17 10:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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光刻机,被称为现代光学工业之花,制造难度非常大,全世界只有少数几家公司能够制造。其售价高达7000万美金。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。
在能够制造机器的这几家公司中,尤其以荷兰(ASML)技术最为先进。价格也最为高昂。光刻机的技术门槛极高,堪称人类智慧集大成的产物。
“十二五”科技成就展览上,上海微电子装备公司(SMEE)生产的中国最好的光刻机,与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

测量台、曝光台:承载硅片的工作台,也就是双工作台。一般的光刻机需要先测量,再曝光,只需一个工作台,而ASML有个专利,有两个工作台,实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。
激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。
光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。
能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。
遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。
能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。
掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。
掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。
物镜:物镜由20多块镜片组成,主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小,再被激光映射的硅片上,并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大,精度的要求高。
硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,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,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、notch。
内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。
光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。
位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片,得数万美元一块。
ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。
另外,光刻机需要体积小,但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极复杂。有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭。光刻机里有两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。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。一个最好的光刻机,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。
全球只有一家企业在光刻机市场上占据了80%的份额,就是处于荷兰的ASML,旗下所研发的EUV光刻机曾售价高达1亿美元一台,而且还不一定有货。皆因每台光刻机的装配大约需要50000个零件左右。国际上著名的芯片制造商如Intel、台积电、三星都是它名下的股东。
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