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了解光刻机
来源: | 作者:goodprecise | 发布时间: 2020-02-25 | 3129 次浏览 | 分享到:

2018年5月,中芯国际(SMIC)订购了一套极紫外光刻(EUV)设备,该设备来自荷兰芯片设备制造商ASML,价值1.2亿美元。
长江存储的首台光刻机同样来自ASML,为193nm浸润式光刻机,售价7200万美元,用于14 nm-20 nm工艺。
11月29日,中国科学院光电技术研究所研制的“超分辨光刻装备”通过验收,新华网发布新闻并受到各媒体转载,备受业界关注,同时引发了讨论。
近乎同期,ASML供应商厂房发生火灾, 2019年初ASML光刻机出货恐受影响。
光刻机伴随着2018年,同时,贵、重要、技术难攻、ASML是围绕着他的关键词。作为贯穿2018年的关注热点,多次引发讨论。


光刻机原理
光刻机根据用途的不同,可以分为用于生产芯片、用于封装和用于LED制造。
按照光源和发展前后,依次可分为紫外光源(UV)、深紫外光源(DUV)、极紫外光源(EUV),光源的波长影响光刻机的工艺。光刻机可分为接触式光刻、直写式光刻、投影式光刻。
接近或接触式光刻通过无限靠近,复制掩模板上的图案;直写式光刻是将光束聚焦为一点,通过运动工件台或镜头扫描实现任意图形加工。投影式光刻光刻因其高效率、无损伤的优点,是集成电路主流光刻技术。
实际上,我们可以将投影式光刻想象为胶片摄影。胶片摄影是通过按下快门,光线通过镜头投射到胶卷上并曝光。之后通过“洗照片”,即将胶卷在显影液中浸泡,得到图像。
光刻机光刻的工作原理也是类似,如下图所示,光源通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面,引起曝光区域的光刻胶发生化学反应,再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶,后者称负性光刻胶),使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上,最后通过刻蚀技术将图形转移到基片上。




光刻机发展
据美国数据分析机构TIN在2018年2月数据,2017年ASML在全球半导体光刻设备厂中以85%的市占率稳居龙头,在其后是日本厂商尼康(Nikon )的10.3%、佳能 ( Canon ) 的4.3%,ASML连续16年稳居市场第一。
前文介绍了光刻机分为紫外光源(UV)、深紫外光源(DUV)、极紫外光源(EUV)。按照发展轨迹,最早的光刻机光源即为汞灯产生的紫外光源(UV)。之后行业领域内采用准分子激光的深紫外光源(DUV),将波长进一步缩小到ArF的193 nm。由于遇到了技术发展障碍,ArF加浸入技术成为主流。
浸入技术是指让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1,使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44,所以ArF加浸入技术实际等效的波长为193 nm/1.44=134 nm。从而实现更高的分辨率。由于157 nm波长的光线不能穿透纯净水,无法和浸入技术结合。因此,准分子激光光源只发展到了ArF。


国内光刻机产业进展


在光刻机领域,荷兰ASML可谓遥遥领先。对于光刻技术,我国也非常重视。自20世纪90年代起,长春光机所开始专注于EUV/X射线成像技术研究,着重开展了EUV光源、超光滑抛光技术、EUV多层膜及相关EUV成像技术研究,形成了极紫外光学的应用技术基础。2017年,“极紫外(EUV)光刻关键技术研究”项目在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过验收。
而近期广为传播的中国科学院光电技术研究所研制的“超分辨光刻装备”则可应用在小批量、小视场(几平方毫米)、工艺层少且套刻精度低、低成品率、小基片尺寸(4英寸以下)且产率低(每小时几片)的一些特殊纳米器件加工。但是在看到其线宽分辨率优势的同时,同样需要看到与主流商用的ArF浸没式投影光刻机相比,其在视场、成品率、套刻精度及产率上的不同,工业之路仍有较长一段路要走。
我国上海微电子装备(集团)股份有限公司(简称SMEE)是中国国内技术最领先的光刻机研制生产单位。根据其官网显示,目前产品有600系列光刻机主要用于 IC前道制造;500系列光刻机主要用于IC后道先进封装;300系列光刻机主要用于 LED、MEMS、Power Devices制造;200系列光刻机主要用于 TFT曝光。

从技术进展层面上来说,ASML新出的EUV光刻机可用于试产7 nm制程,SMEE已量产的光刻机中性能最好的是能用来加工90 nm芯片的SSA600/20光刻机。


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