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光刻机的工作原理及在降低芯片制程的应用

五度易链 2019-04-16 2167 0

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光刻机在现在的芯片市场中处于非常重要的位置,其技术发展水平将直接影响芯片的发展。那么现在光刻机的工作原理是什么,它是怎样在芯片制造中发挥作用的呢?


光刻机在现在的芯片市场中处于非常重要的位置,其技术发展水平将直接影响芯片的发展。那么现在光刻机的工作原理是什么,它是怎样在芯片制造中发挥作用的呢?

光刻机在芯片制造的作用

光刻机根据应用工序不同,可以分为用于生产芯片的光刻机,以及用于封装的光刻机,其中封装光刻机对于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻机低很多,价值量也相对较低。

光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备, 技术含量、价值含量极高。 光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术,是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,因此也具备极高的单台价值量,目前世界上最先进的 ASML EUV光刻机单价达到近一亿欧元,可满足 7nm 制程芯片的生产。

光刻机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,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。 不同光刻机的成像比例不同,有 5:1,也有 4:1。

制程小的芯片是需求

制程小的芯片处理速度快。小制程芯片内部晶体管导电沟道短,信号传递速度快,单位时间内芯片能处理更多的信息,时钟频率更高。单位面积性能提升,成本降低。更小的晶体管尺寸意味着单位面积芯片可以制造更多的晶体管,芯片集成度得到提升,即增加了芯片的功能,又使单位芯片的成本得到降低。光刻工艺水平决定了晶体管尺寸的大小,因此芯片制程的不断缩小必然伴随着光刻机产品的不断升级和创新,从本质上说,正是半导体产业对更高性能、更低成本芯片的不断追求推动了光刻机设备的不断创新与发展。

光刻机是延续摩尔定律的关键。摩尔定律提出,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。半导体行业最初三十年的发展能够基本满足摩尔定律, 关键就在于光刻机能不断实现更小的分辨率水平。近十年来摩尔定律的时间间隔已经延长至 3-4 年,原因就在于光刻机的发展低于行业的预期。

光刻机工作原理

测量台、曝光台:是承载硅片的工作台。

激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。

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:物镜用来补偿光学误差,并将线路图等比例缩小。

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。

在加工芯片的过程中,光刻机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,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。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。

光刻机在芯片制造中的应用在近几年的发展在放缓,主要是在提升技术的同时也会面临新的技术问题,随着现阶段对芯片工艺的要求提高,光刻机的技术问题也将逐渐得到解决。


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