日前,华卓精科正在申请 IPO,这家公司以光刻机双工件台这一超精密机械领域的尖端产品为核心,与与国内的光刻机龙头厂商上海微电子保持良好的合作关系,并成为其光刻机双工件台的供应商。就技术水平而言,华卓精科的双工件台接近国际水平。如果能够顺利 IPO,则可以从资本市场融资用于双工件台技术研发,为光刻机国产化替代添砖加瓦。

 

光刻机工作原理和组成

通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,不同光刻机的成像比例不同,有 5:1,也有 4:1。然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图(即芯片)。

 

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。现在最先进的芯片有 30 多层。

 

附一张 ASML 光刻机的简易工作原理图。

 

 

简单介绍一下图中各设备的作用。

 

测量台、曝光台:承载硅片的工作台,也就是本次新闻里说的双工作台。一般的光刻机需要先测量,再曝光,只需一个工作台,而 ASML 有个专利,有两个工作台,实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破 ASML 对双工件台系统的技术垄断。

 

激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一,之前已经介绍过了。

 

光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。

 

能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

 

光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。

 

遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。

 

能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。

 

掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。

 

掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是 nm 级的。

 

物镜:物镜由 20 多块镜片组成,主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小,再被激光映射的硅片上,并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大,精度的要求高。

 

硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫 flat、notch。

 

内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。

 

光刻机双工件台系统样机意义几何

过去,光刻机只有一个工作台,所有流程都在一个工作台上完成。双工件台系统的出现,使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下,当一个工作台在进行曝光工作的同时,另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作,使得光刻机的生产效率提高大约 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻机,分辨率小于 22nm,生产效率可以达到 125 片 / 小时。

 

虽然看起来仅仅是加一个工作台,但技术难度却不容小觑——对换台的速度和精度有非常高的要求,如果换台速度慢,则影响光刻机工作效率;如果换台精度不够,则可能因此而影响了后续扫描光刻等步骤的正常开展。

 

特别是对浸没式光刻机而言,由于物镜和硅片之间增加一层特殊的液体,如何使液体在换台使依旧停留在物镜和硅片之间,不因换台发生流动,则是一个不小的技术难题。另外,还有避免污染的问题。

 

 

现今技术成熟的双工件台系统主要是导轨式,驱动方式主要分为气浮驱动和磁悬浮驱动。目前,ASML 公司已成功研发了磁悬浮工件台系统,使得系统能够忽略摩擦系数和阻尼系数,其加工速度和精度是机械式和气浮式工件台所无法比拟的。不仅如此,ASML 公司基于磁悬浮工件台的基础,研发了无导轨式的平面编码磁悬浮工件台系统,通过平面编码器对工作台进行精确定位,进一步提升了精度。

 

目前,华卓精科的 DWS 系列双工件台主要适用于干式步进式扫描光刻机,可用于 65nm 及以上工艺节点 IC 前道光刻机。正在研发的 DWSi 系列双工件台适用于浸没式光刻机,可用于 45nm 及以下工艺节点 IC 前道光刻机。

 

中外光刻机差距巨大

光刻机被称为人类最精密复杂的机器,业界将其誉为集成电路产业皇冠上的明珠,研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此,能生产高端光刻机的厂商非常少,到最先进的 14nm 光刻机就只剩下 ASML,日本佳能和尼康已经基本放弃 EUV 光刻机的研发。

 

目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰 ASML,并已经占据了高达 80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场——最先进的 EUV 光刻机售价曾高达 1 亿美元一台,且全球仅仅 ASML 能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东,重金供养 ASML,并且有技术人员驻厂,Intel、三星的 14nm 光刻机都是买自 ASML,格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自 ASML。

 

相比之下,国内光刻机厂商则显得非常寒酸,处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的是 90nm 光刻机 ...... 国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

 

这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备,对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利影响——ASML 在向国内晶圆厂出售光刻机时有保留条款 ...... 这很大程度上影响了自主技术和中国集成电路产业的发展。

 

光源、物镜目前还无法完全自主化

 

光源是光刻机的核心部件之一。在光刻机改进中,所使用的光源也不断改进发展:

第一代是 436nm g-line。

第二代是 365nm i-line。

第三代是 248nm KrF。

第四代是 193nm ArF。

最新的是 13.5nm EUV。

 

目前,在集成电路产业使用的中高端光刻机采用的是 193nmArF 光源和 13.5nmEUV 光源。

 

 

193nmArF 也被称为申紫外光源。使用 193nmArF 光源的干法光刻机,其光刻工艺节点可达 45nm,采用浸没式光刻、光学邻近效应矫正等技术后,其极限光刻工艺节点可达 28nm。

 

浸没式光刻是指在物镜和硅片之间增加一层特殊的液体,由于液体的折射率比空气的折射率高,因此成像精度更高。因此,也就有了浸没式光刻的叫法。

 

而当工艺尺寸缩小到 22nm 时,则必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而使用两次图形曝光,会带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升,另一个是工艺的循环周期延长。因而,在 22nm 的工艺节点,光刻机处于 EUV 与 ArF 两种光源共存的状态。

 

对于使用液浸式光刻+多次图形曝光的 ArF 光刻机,工艺节点的极限是 10nm,之后将很难持续。EUV 光刻机,则有可能使工艺制程继续延伸到 5nm。

 

目前,虽然在双工件台上,华卓精科的产品可以用于 65nm 光刻机,但在光源、物镜等核心器件上,依然无法完全自主化。光刻机的国产化工作任重道远。