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光刻機的制造為什么這么難？

發(fā)布時間：2020-11-02

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近半個世紀以來，硅一直是世界科技繁榮的重點，芯片制造商幾乎都在壓榨它的生命。傳統(tǒng)上用于制造芯片的技術(shù)在2005年左右達到了極限。那時，芯片制造商將不得不尋求其他技術(shù)，將更多的晶體管塞到硅上，從而制造出更強大的芯片。
光刻機必須把工程師繪制的電路板精確無誤的投到硅晶圓上，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)，這是一種類似攝影技術(shù)的技術(shù)，通過透鏡聚焦光線，在硅晶片上刻出電路圖案。由于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。利用極紫外線(EUV)光在硅晶片上雕刻，將使芯片的速度比快100倍，并使存儲器芯片具有類似的存儲容量增長。

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，為了在芯片上創(chuàng)建集成電路設(shè)計，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塑料。掩模被放置在晶圓上，當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。不暴露在光下的光刻膠仍然有點粘糊糊，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。
       制造更強大的芯片的關(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大、更快的微處理器。在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)果是光線無法到達硅片上，因此晶圓上沒有產(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
       從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。基于波長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，從而提高芯片的速度。
       但整個過程必須在真空中進行，因為這些光的波長很短，連空氣都會吸收它們。此外，EUVL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%的EUV光。如果沒有涂層，光線在到達晶圓片之前就會被完全吸收。鏡子的表面必須近乎完美，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，先進的光刻機是極紫外光刻機，它已經(jīng)制造了數(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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