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光刻機(jī)的制造為什么這么難?

更新時間:2023-01-11  |  點(diǎn)擊率:1339

     近半個世紀(jì)以來,硅一直是世界科技繁榮的焦點(diǎn),芯片制造商幾乎都在壓榨它的性能。傳統(tǒng)上用于制造芯片的技術(shù)在2005年左右達(dá)到極限,芯片制造商不得不尋求其他技術(shù),將更多的晶體管塞到硅上,從而制造出更強(qiáng)大的芯片。
    光刻機(jī)必須把工程師繪制的電路板精確無誤地投到硅晶圓上,不允許有絲毫誤差,可見難度之高!

      將晶體管封裝到芯片上的傳統(tǒng)工藝被稱為“深紫外光刻"(DUV),這是一種類似攝影的技術(shù),通過透鏡聚焦光線,在硅晶片上刻出電路圖案。受到物理定律的影響,這種技術(shù)可能很快就會出現(xiàn)問題。利用極紫外光(EUV)在硅晶片上雕刻,將使芯片的速度快100倍,并使存儲器芯片具有類似倍數(shù)的存儲容量增長。


      1. 芯片制造
      光刻與攝影相似,它利用光將圖像轉(zhuǎn)移到基板上。就照相機(jī)而言,它的基板是膠卷,而硅是用于芯片制造的傳統(tǒng)基板。掩模就像電路圖案的模板,為在芯片上創(chuàng)建集成電路設(shè)計(jì)。光被定向到一個掩模上,光線穿過掩模,然后通過一系列光學(xué)透鏡將圖像縮小,這個小圖像被投射到硅或半導(dǎo)體晶片上。
      晶圓上覆蓋著一種叫做光刻膠的感光液體材料,分為負(fù)性光刻膠和正性光刻膠兩大類。掩模被放置在晶圓上,當(dāng)光線穿過掩模照射到硅片上時,它會使沒有被掩模覆蓋的光刻膠變硬。而不暴露在光下的光刻膠仍然有點(diǎn)粘糊糊,并且會被化學(xué)清洗掉,只剩下硬化的光刻膠和暴露在外的硅片。正性光刻膠則正好相反,曝光過的光刻膠會被化學(xué)清洗掉。
      制造更強(qiáng)大的芯片的關(guān)鍵是光的波長大小。波長越短,可以蝕刻到硅片上的晶體管就越多。更多的晶體管等于一個更強(qiáng)大、更快的微處理器。2001年,深紫外光刻使用的波長為240納米。隨著芯片制造商將波長減少到100納米,他們將需要一種新的芯片制造技術(shù)。使用深紫外光蝕刻技術(shù)的問題是,當(dāng)光的波長變小時,光會被用于聚焦的玻璃透鏡吸收,結(jié)果是光線無法到達(dá)硅片上,晶圓上沒有產(chǎn)生電路圖案。這個時候,極紫外光刻技術(shù)就登場了。

      2. 極紫外光刻原理
      2001年起,用深紫外光刻技術(shù)制造的芯片使用的是248納米的光,也有一些制造商使用193納米光。有了極紫外光刻技術(shù),芯片將用13納米的光制造?;诓ㄩL越小成像效果越好的定律,13納米光將提高投射到硅片上的圖案質(zhì)量,從而提高芯片的運(yùn)行速度。
      但整個過程必須在真空中進(jìn)行,因?yàn)檫@些光的波長很短,連空氣都會吸收它們。此外,EUV光刻機(jī)使用了涂有多層鉬和硅的凹面和凸面鏡,這種涂層可以在13.4納米的波長下反射近70%EUV光。如果沒有涂層,光線在到達(dá)晶圓片之前就會被完quan吸收。鏡子的表面必須近乎完mei,即使是涂層上的微小缺陷也會破壞光學(xué)器件的形狀,扭曲印刷電路的圖形,從而導(dǎo)致芯片功能上的問題。

      目前,先進(jìn)的光刻機(jī)是極紫外光刻機(jī),它已經(jīng)制造數(shù)十億顆7nm芯片了。甚至有芯片制造商聲稱,用極紫外光刻技術(shù)生產(chǎn)的5nm芯片的不良率比7nm芯片更低。


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