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ASML光刻机或延迟出货?中芯国际:影响不大

2019-11-15 12:17:35 铁流 阅读:
如果美国像干涉中资收购德国爱思强那样搞干涉,或者荷兰政府脊梁骨不够硬,担心“友邦惊诧”,中芯国际的EVU光刻机恐怕是不能按期收货了。
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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。此前,国内α光刻样机的双工件台系统取得突破,采用导轨式磁悬浮系统,关键技术指标已达到国际同类光刻机双工件台水平。GxDednc

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中国在激光技术上颇有成就,国内有的单位用汞灯做光源,还由单位研发出了独一无二的固态深紫外光源,但目前,固态深紫外光源还并未用于光刻机制造,在光源上还无法彻底摆脱进口。此前,成都光机所的国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收,SP光刻机采用汞灯(365nm i-line)做光源,光刻分辨力达到22nm,结合多重曝光技术后,可用于制造制程小于10nm的芯片。就技术路线来说,SP光刻机另辟蹊径,没有采用国外主流方案,走出一条自己的路。不过,SP光刻机只能加工小尺寸芯片,只能加工特殊领域芯片,不适合商用,无法替换ASML的光刻机。 GxDednc

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光源、物镜目前还无法完全摆脱进口依赖

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:GxDednc

第一代是436nm g-line。GxDednc

第二代是365nm i-line。GxDednc

第三代是248nm KrF。GxDednc

第四代是193nm ArF。GxDednc

最新的是13.5nm EUV。GxDednc

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。GxDednc

193nmArF也被称为深紫外光源。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。GxDednc

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。GxDednc

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。GxDednc

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。GxDednc

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EUV光刻机对中芯国际不是刚需

虽然光刻机非常重要,虽然ASML在该领域占据统治地位,但国内一些媒体把EUV光刻机过度神话了。其实,当下中芯国际最大的问题倒不是EUV光刻机,而是如何使用现有的设备攻克12/14nm工艺。GxDednc

虽然一些舆论将中芯国际在工艺上落后于台积电归咎于中芯国际无法采购到最先进的光刻机,并认为如果中芯国际也有了EUV光刻机,那么在工艺上就会迅速追上台积电。但铁流要说,这种观点是片面的。事实上,目前中芯国际的光刻机和台积电用来加工10nm芯片的设备是一个等级的。台积电能用这些设备搞定10/12/16nm工艺,但中芯国际的14nm工艺还处于跌跌撞撞的状态,真正比较成熟的还是28nm工艺。GxDednc

差距在哪呢?打个比方,光刻机好比是刻刀,而如何使用这把刻刀,就要看雕刻师傅的手艺了,台积电在这方面积累了大量经验和技术,使用相同的刻刀,台积电做出比中芯国际更好的产品,这些需要大量时间和实践去磨砺和积累,并非买到EUV光刻机就能解决的。GxDednc

当下,中芯国际的设备其实完全能够支持10nm工艺量产。在加工14nm以下芯片的过程中,光刻机(193nm ArF)在曝光的时候,出来的不是一个很直的深孔或深沟,而是变成弯弯曲曲的形状,这主要是因为光的波长和波粒二象性。一般的深紫外光刻机只能刻出40nm的线条。再往下就要看极紫外光刻机(EUV),目前也只能刻出20nm线条。GxDednc

那么,台积电是怎么用深紫外光刻机做出10nm/16nm芯片的呢?GxDednc

据中微半导体创始人尹志尧介绍:GxDednc

其实靠等离子刻蚀机和薄膜的组合拳把它做出来,不是靠光刻做的。如果通过光刻机刻出一个40nm的模板,然后按这个模板刻下去,刻出一个墙,你理解它是一个重剖面。这个墙是氧化硅的材料,是40nm,这是通过光刻翻版出来,然后呢我在上面铺一层氮化硅薄膜,铺的时间控制好,这个侧面的墙是20nm,这样的话呢,第二次用等离子刻蚀机刻,有方向性地把上面的盖去掉,把底部去掉,就出来两个叫边墙。这边墙的厚度就是20nm,这是刻的氮化物。刻氮化物需要用选择性的气体刻。然后刻完以后第三次刻呢,我们换一些气体专门刻氧化物,把氧化物刻掉,这个墙就留下来了。所以一个40nm的微观结构就翻成两个20nm的结构了,这个叫二重模版。GxDednc

还有进一步的四层模板技术,在20nm的氮化物墙上,再铺一个10nm的氧化物的膜,我第四次刻的时候把上头盖去掉,底去掉以后,就出了四个边墙。然后再用不同的化学气体,把中间的核刻掉,就变成了四个10nm的边墙。20nm以下是这样做出来。这里就没有光刻的事,就是等离子与薄膜组合拳,把它翻版就越翻越小。GxDednc

那么,能不能继续这种模式把芯片做到5nm呢?理论上是可以的,但实际操作中,会遇到良率的问题。GxDednc

如果使用刻蚀设备和薄膜设备组合拳的模式,确实能做5nm芯片,但会产生一个问题,会导致加工步骤大幅增加。就以加工14nm芯片来说,会使原本的光刻、薄膜、刻蚀1:1:1的步骤,变成1:3:5的步骤。正是因此,近年来刻蚀机和薄膜的市场涨得非常快。GxDednc

就总的加工步骤来说,到了5nm的时候,最新的数据是数千个步骤。由于精度实在太高,加工过程中不可避免会出现失误,而这种失误会因为上千次的加工数量被放大,如果每次合格率99.9%,那0.999的一千次方变成52%。然而,台积电、中芯国际等晶圆厂合格率80%到85%以上才赚钱,合格率80%以下就赔钱了。如果使用EUV光刻机,那么,就可以减少5nm芯片的加工步骤,从而提升制造5nm芯片的良率。GxDednc

因此,EUV光刻机对于当下正在攻关12/14nm工艺的中芯国际而言,不是刚需。中芯国际真正需要关注的是如何提升芯片的良率,以及如何用好现有的设备,攻克12/14nm工艺。GxDednc

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对于EUV光刻机必须有两手准备

EUV光刻机技术太过高端,短时间想要攻克非常困难,即便是ASML也是集整个欧美的技术才能打造出EUV光刻机,比如ASML EUV光刻机的光源技术就源自美国,一些光学镜片源自德国,说是举欧美各国之力打造也不为过。中国在很多技术上取得了长足的进步,但在不少基础学科和欧美还有一定差距,而EUV光刻机恰恰是非常考验工业基础的设备,追赶之路任重道远。GxDednc

对于ASML出口EUV光刻机等待荷兰政府批准的事情,应当做两手准备。我们一方面基于善意,相信这是出口出口许可到期,目前正在等待荷兰政府核准。另一方面,我们也要留个心眼,没准是在美国的压力下,ASML和荷兰政府之间唱双簧,把出口许可到期作为搪塞中国的借口。毕竟,荷兰是一个小国,荷兰也有美军的基地,政治上只能屈从于美国,没准会受美国的胁迫放弃与中国企业的交易,而且这也是有前科的,此前奥巴马以国家安全为名干涉中资收购德国爱思强公司就是典型案例。另外,ASML的 EUV光刻机的光源技术就源自美国,一旦美国搞长臂管辖,拿这个要挟ASML,ASML也不可能冒着休克的危险继续和中国企业做生意。GxDednc

此前,相关部门有一个规划,时间节点是2030年攻克EUV技术,虽然实现这个目标非常困难,但铁流还是希望这个目标能够实现。GxDednc

(原作者为EDN博客资深博主铁流,原文授权转载自铁流公众号铁君,本文仅代表作者观点;责编:Demi Xia)GxDednc

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