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揭秘世界上最尖端的机器——光刻机

发布时间:2019年12月05日 来源:头条 作者:不求最好但求最贵 浏览量:4,156

芯片,信息时代的制造业皇冠上的明珠。可以说,谁占据了芯片技术的主动权,谁就在竞争中占得了先机。而光刻机,是生产芯片最重要的机器。那么,一台顶尖的光刻机要卖多少钱呢?

世界上最贵的机床——光刻机

光刻机

通俗点说光刻机就是一个包工头,按照工程师给的设计图,在硅片这个地基上把芯片这座城市盖起来。但是现在芯片的功能越来越复杂,电子产品的体积却越来越小,100mm²左右的面积上要集成上百亿个晶体管。

世界上最贵的机床——光刻机

芯片设计图

世界上最贵的机床——光刻机

pcb板设计图

要达到这样的水准,就必须采用7nm EUV极紫外光刻技术,能做到这个水平的,全世界只有一家——ASML。

世界上最贵的机床——光刻机

ASML

荷兰ASML(Advanced Semiconductor Material Lithography)公司 ,向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备,主要是光刻机。

世界上最贵的机床——光刻机

荷兰ASML公司

它是欧洲人均科研经费排名第二的高科技公司。日前ASML公司发布了2018年全年财报,营收109亿欧元,净利润26亿欧元,利润率高达24%。而7nm EUV光刻机,一年出货只有18台。

世界上最贵的机床——光刻机

ASML 光刻机

而且,由于各种限制,ASML无法向我国出售较为先进的光刻机。目前大陆最先进的,应该是中芯国际购买的ASML老款产品,制程为12nm。

世界上最贵的机床——光刻机

光刻机内部

ASML的工程师曾说,即使给我们完整的光刻机图纸,我们也造不出来。令人痛心的是,这话到现在为止依然非常正确。

世界上最贵的机床——光刻机

EUV工作原理

极紫外光刻机的原理很简单:激光对准氙气喷嘴,当激光击中氙气时,会使氙气变热并产生等离子体。一旦产生等离子体,电子便开始逃逸,从而发出波长为7nm的光,接着这种光进入聚光器,然后后者将光汇聚并照到掩膜上。掩膜上的图案被反射到四到六个曲面反射镜上,从而将图像微缩,并将图像聚投到硅片上。每个反射镜使光线稍微弯曲以形成晶圆上的图像,这就像照相机中的透镜将光弯曲以在胶片上形成图像一样。如下图。

世界上最贵的机床——光刻机

光刻机工作原理

整个工艺必须在真空中进行,因为这些光波长太短,甚至空气都会将它们吸收。此外,EUV使用涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜——这种涂层可以反射将近70%的波长为7nm的极紫外线光,其它30%被反射镜吸收。如果没有涂层,光在到达晶圆之前几乎就会被完全吸收。镜面必须近乎完美,即使涂层中的小缺陷也会破坏光学形状并扭曲电路图案,从而导致芯片功能出现问题。

世界上最贵的机床——光刻机

整个工艺必须在真空中进行

这简单原理的实现却极其艰难,其中的每一个部件,都凝聚着科技与技术的力量。

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。相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字。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1/200度,需要合适的冷却方法、精准的测温传感器。

世界上最贵的机床——光刻机

测量台和曝光台

能够发射出极紫外光的光源技术难度也很大。1986年,美国Cymer公司(已被ASML收购)首次掌握了深紫外光激发技术:将氪及氟气体注入2英尺长的铝管中,并在铝管两端施以12000V高压,这个电压将以每秒750亿次的方式对气体进行放电,引起氪和氟原子的暂时性结合,形成的氪氟分子,当电压拿掉时,这个不稳定分子就会解裂,同时间释放出一道0.25μm波长的深紫外线镭射光。

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极紫外光光源

世界上最贵的机床——光刻机

Cymer极紫外光光源发射机

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氟化氪

光刻机中的另一种核心部件是镜片,镜片对于光路的传导和光线的汇聚起着至关重要的作用。ASML采用的是蔡司镜片。

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卡尔蔡司

卡尔蔡司(Carl Zeiss)是一家制造光学系统、工业测量仪器和医疗设备的德国企业,且是制造相机镜头的世界级企业。位于光刻机中心的镜头,由20多块铁饼那么大的蔡司镜片串联组成。我们对蔡司的了解可能都起源于NOKIA Lumia1020上的那款4100万像素的卡尔蔡司镜头。

世界上最贵的机床——光刻机

NOKIA Lumia1020 蔡司镜头

镜片打磨不同于其他行业,极其需要经验的积累。卡尔蔡司工厂抛光镜片的工人,祖孙三代在同一个职位任职,这让蔡司镜片的精密度之高与误差之小达到了令人难以置信的地步。拿镜片研磨的光滑度来举个例子:如果我们将直径70mm的镜片放大成直径26Km的湖面,湖面上的水波波纹,波峰到波谷的差距不超过10cm。

世界上最贵的机床——光刻机

蔡司镜头

蔡司镜片批量机器制造时,表面被精密的区分为5万个点,这些点代表着800个数学方程式的组合,每个点的允许误差被严格控制在0.1微米以内,如此严格的品质管理保证了镜片的品质,每一片镜片都是精雕细琢的艺术品。而光刻机上使用的更尖端镜片,需要由有数十年经验的老工人纯手工打磨。

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纯手工打磨镜片

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蔡司镜片

以上种种,带来的后果就是,ASML一家独大。真的是ASML吼一吼,全球半导体业抖三抖。

今年刚刚发布的TWINSCAN NXE:3400C是ASML最新一代的EUV光刻系统,结合了生产力、最高分辨率、最先进的覆盖和聚焦性能,能在更高的生产率下支持7nm和5nm节点的高端芯片批量生产,每小时晶圆雕刻能力从155片提升至170片。

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雕刻后的晶圆

它的样子看来很普通,就是这样↓

世界上最贵的机床——光刻机

TWINSCAN NXE:3400C

说了这么久,这台世界上最尖端的机床,到底要卖多少钱呢?答案是5亿美元,约合人民币35亿元。而且年产量不超过20台,需要抢购。而我们,没有购买权

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