光刻機在積體電路中有著重要的作用,尤其是高階光刻機。積體電路產業是資訊科技產業的核心,積體電路的應用無處不在。是“現代工業的糧食”,是物聯網、大資料、雲計算等新一代資訊產業的基石。
光刻機是積體電路“IC,晶片”製造的核心裝備,它決定了IC的效能——CPU的執行速度、儲存器的容量等。
光刻機的功能:在照明系統形成的特定照明光瞳、偏振模式與照明光場照明下,掩模圖形透過投影物鏡被準確成像於矽片面制定位置的光刻膠層上,即實現IC圖形的曝光復制。
光刻機的核心指標:
光刻解析度:與曝光光源、照明系統、投影物鏡等有關
套刻精度:與照明系統、投影物鏡、掩模臺/工件臺有關
產率(良率):與鐳射器功率、照明系統透過率、掩模臺/工件臺運動速度有關
目前製造IC的主流光刻機(IC光刻機)是採用紫外汞燈(波長:365nm)、深紫外準分子鐳射器(248nm-KrF鐳射器、193nm-ArF鐳射器)與極紫外光源(波長:13。5nm-EUV光源)的步進掃描投影光刻機;隨著曝光波長的縮短,光刻機的光刻解析度逐步提高
。在Moore定律驅動下,IC的解析度越來越高,單位畫素生產成本越來越低,還需要不斷引入新的光刻技術:縮短曝光波長、提高NA、採用解析度增強技術。
摩爾定律是由英特爾(Intel)創始人之一戈登。摩爾(Gordon Moore)於1965年首次提出來的。其內容為:當價格不變時,積體電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,效能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦效能,將每隔18-24個月翻一倍以上。這一定律揭示了資訊科技進度的速度。
目前高階光刻機及其部件相關技術僅被少數國外公司(ASML/Zeiss/Cymer/Nikon/Canon)掌握,並對我國實行嚴格的技術封鎖,是“卡脖子”技術。在激烈的技術與市場競爭中,荷蘭ASML公司的產品獨佔鰲頭,其銷售份額在全球佔80%以上,Nikon、Canon逐步退出高階IC光刻機市場,轉而發展先進封裝、MEMS、顯示器光刻機市場。
ASML公司目前生產與銷售的主要光刻機型號
汞燈i線:365nm
KrF準分子鐳射器:248nm
ArF準分子鐳射器:193nm
EUV光源:13。5nm
ASML公司193nm浸沒式光刻機採用ArF準分子鐳射器作為曝光光源的浸沒式光刻機從
XT:1700i、XT:1900i、NXT:1950i、NXT:1960i、NXT:1970i、NXT:1980i、
NXT:2000,
一直髮展到
NXT:2050i
,以及未來的
NXT:2100i
…。。,其效能不斷提高,光刻解析度從45nm推進到38nm、28nm、22nm、16nm、7nm,甚至5nm,顯示出強大的生命力 。
光刻機及其部件技術僅被少數國外公司(ASML/Zeiss/Cymer、Nikon)所壟斷,且對我國嚴格封鎖,是
“卡脖子”技術;
裝備投資是IC生產線的主要投資,資金佔比超過70%,而光刻機佔20%以上
1條28nm產線投資額為50億美元,1條20nm產線投資額為100億美元
那麼IC光刻機和曝光機有什麼區別:
除了IC光刻機外,還有基於其他工作原理的“光刻機(曝光機)”,如“3D結構
直寫光刻機
”,本人建議把名稱改為“3D結構
直寫曝光機
”。這與大家熟知的IC製造光刻機完全不同,直寫曝光機主要用於微納光電子器件等非IC器件(泛半導體)的製造。
直寫曝光機主要基於
聚焦鐳射直寫、雙光束干涉直寫、全息曝光
等曝光技術而不是基於從掩模到矽片面的“
投影成像技術
”,與IC光刻機完全不同;主要用於微納結構光電子器件等非IC晶片(泛半導體)的圖形曝光,
不適合規模化要求極高的IC量產製造
。
直寫曝光機與IC光刻機相比存在多項顯而易見的劣勢:
解析度低——即使採用超分辨技術最高也只能達到百nm-幾十nm量級光刻解析度;
套刻精度低——不適合多層圖形曝光;
產率低——採用單個或多個聚焦鐳射束掃描曝光,速度低(不是大面積圖形的曝光復制);
成品率低——曝光所得圖形質量低,如圖形邊緣粗糙度大、側壁陡度小、缺陷多,不滿足IC製造中後續刻蝕等工藝的要求。
我國光刻機發展情況:
我們知道,晶片被譽為資訊產業的基石、現代工業的糧食,晶片及其製造技術、裝備是中美貿易摩擦的首要目標。
目前我國是晶片用量大國,但高度依賴進口,約為石油進口額的2倍。
2020年,晶片-3500。4億美元,石油-1763。2億美元,鐵礦石-1189。4億美元
2020年,我國晶片自給率約為15。9%,而總部位於中國企業生產的芯片價值佔比僅為5。7%,發展空間巨大。