目前整个IC产业中一颗芯片可以简单分为三个步骤:IC芯片设计—芯片制造—封装测试。一般来说,IC设计中包含及其复杂的逻辑电路设计和仿真验证,一般需要进行长期的研究才能得出一版用于制造的工程图纸;IC制造又有大大小小几百道工序对于一个指甲大小的芯片上进行nm级雕刻和填充,刻出不同的电信号通路来实现想要的电路;后端的封装测试是Fab厂制造出晶圆后经过划片减薄贴装最后注塑形成一个个元件,送去进行功能性可靠性的检查。
在整个产业链中,我国的IC设计和封装测试都有着不错的地位和市场占有,海思的移动端CPU全球领先,封测的长电和华天等都不错;而对于芯片制造这一个关键环节有待提高,虽说中芯国际的奋力追赶让我们和领先梯队的差距从之前的20多年缩短到不到10年,但是在制程更新换代如此快的今天,28nm和14nm似乎已经有要被遗弃的苗头了。
那在这芯片制程里很关键的就是光刻,那我们就来聊聊什么是光刻?
光刻起源
光刻最早可追溯到照片成像的起源上,在1826年,法国发明家约瑟夫用一块白腊板敷上一层薄沥青,然后利用阳光来拍摄窗台景色,通过长达八小时的曝光,然后用薰衣草油冲洗最后在蜡板上得到了人类拍摄的第一张照片。
等到了后面,柯达公司在1954年开发出人类历史上第一种感光聚合物-聚乙烯醇肉桂酸酯,开创了光刻胶体系,这也是人类最先应用于电子产业的光刻胶。在1958年,柯达又开发出环化橡胶--双叠氮系光刻胶,性能优良,粘附性好,被作为最广泛的硅材料光刻胶。
并且随着摩尔定律所预测的晶体管和性能每年翻倍的工艺进展,光刻机的波长也越来越短,在八十年代,半导体制程的主流工艺尺寸为1.2-0.8um之间,波长为436nm的光源被业界广泛使用。
但是等进入了2000年,光刻机已经发展到使用193nm波长的Ark准分子激光了,90年代末,科学家和产业界提出了各种超越193nm的方案,其中包括157nm F2激光,电子束投射(EPL),离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光,并形成了以下几大阵营:
157nm F2:每家都研究,但SVG和尼康离产品化最近。
157nm光会被现有193nm机器用的镜片吸收,光刻胶也要重新研制,所以改造难度极大,而对193nm的波长进步只有不到25%,研发投入产出比太低。ASML收购SVG后获取了反射技术,2003年终于出品了157nm机器,但错过时间窗口完败于低成本的浸入式193nm。
13.5nm EUV LLC:英特尔,AMD,摩托罗拉和美国能源部。ASML、英飞凌和Micron后来加入。后来很多离子光刻都是13.5nm 1nm 0.000005nm等等研究也均以失败告终。
它们败给了一个工程上最简单的解决办法,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水。193nm的光波在水中被折射成134nm。
浸入式光刻成功翻越了157nm大关,直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术,浸入式193nm光刻机一直做到今天的7nm(苹果A12和华为麒麟980)。
再后来光刻机的市场我们也都知道了凭借之浸入式光刻成功的延续到了今天7nm,而ASML也是一家独大成为现在全球最大的光刻机制造商。