近日，ASML方面?zhèn)鞒鱿ⅲ乱淮鷺O紫外光刻機(jī)（EUV）已研發(fā)完成，現(xiàn)階段正在進(jìn)行最后一部分的安裝工作。據(jù)知情人士透露，這款新型EUV設(shè)備的造價(jià)將高達(dá)1．5億美元（約合人民幣9．7億元）。

巴士大小，造價(jià)昂貴，配置逆天

這臺(tái)最新的光刻機(jī)正位于美國(guó)康涅狄格州郊區(qū)的一間大型潔凈室里，工程師們正進(jìn)行著最后的工作，將一塊巨大鋁材雕刻成框架，最終讓光罩以納米級(jí)的精度在其間移動(dòng)，反射極紫外光束。這些光束利用幾面鏡子來(lái)回反射，以驚人精度反復(fù)修飾打磨，在硅片上蝕刻出只有幾十個(gè)原子大小的特征圖案。

這樣一臺(tái)極紫外光刻機(jī)，有望讓芯片制造行業(yè)沿著摩爾定律至少再走上10年時(shí)間。

值得注意的是，這臺(tái)新一代極紫外光刻機(jī)大約有一輛公共巴士那么大，造價(jià)高達(dá)1．5億美元。整個(gè)機(jī)器中包含10萬(wàn)個(gè)部件和2公里長(zhǎng)的電纜。更夸張的是，這樣一臺(tái)極紫外光刻機(jī)想要發(fā)貨，至少需要40個(gè)集裝箱、3架貨機(jī)或者20輛卡車(chē)。

麻省理工學(xué)院研究新型晶體管架構(gòu)的教授Jesús del Alamo認(rèn)為，這是一臺(tái)不可思議的機(jī)器：“這絕對(duì)是一款革命性的產(chǎn)品，是一項(xiàng)突破，將給芯片行業(yè)帶來(lái)新的生命。”

據(jù)悉，造好的組件將于2021年底運(yùn)往荷蘭，然后在2022年初安裝到新一代極紫外光刻機(jī)的第一臺(tái)原型機(jī)中。新一代極紫外光刻機(jī)采用更大的數(shù)值孔徑來(lái)進(jìn)一步縮小芯片上的元件尺寸。這種方式允許光線以不同角度穿過(guò)光罩，從而增加圖案成像的分辨率。這就需要更大的鏡子和新的軟硬件來(lái)精確控制組件蝕刻。

ASML當(dāng)前一代極紫外光刻機(jī)可以制造出分辨率為13nm的芯片。而新一代極紫外光刻機(jī)將使用更高數(shù)值孔徑來(lái)制作8nm大小的特征圖案。不出意外的話(huà)，新一代極紫外光刻機(jī)將比以往任何機(jī)器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個(gè)芯片都有數(shù)百億個(gè)元件，這臺(tái)機(jī)器在未來(lái)幾年所生產(chǎn)的芯片應(yīng)該是史上處理速度最快、效率最高的。總之，阿斯麥新一代極紫外光刻機(jī)有望延續(xù)芯片制造以及整個(gè)科技行業(yè)不斷進(jìn)步的理念，繼續(xù)讓摩爾定律保持活力。

值得注意的是，ASML早在2017年就推出世界上第一臺(tái)可量產(chǎn)的極紫外光刻機(jī)，在芯片制造領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，已經(jīng)被用于制造iPhone手機(jī)芯片以及人工智能處理器等最先進(jìn)的芯片。到最新一代極紫外光刻機(jī)設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代更替，并且全世界只有諸如臺(tái)積電、三星和英特爾等少數(shù)公司能買(mǎi)得起這樣的設(shè)備。

光刻機(jī)在芯片制作中的重要性

別看芯片小小的體積，內(nèi)部其實(shí)蘊(yùn)含了無(wú)窮的“能量”。芯片的制造過(guò)程極其復(fù)雜，需要在晶圓片上不斷累加圖案，這些圖案縱向連接，可達(dá)100多層。

芯片的制造包含數(shù)百個(gè)步驟，從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)可能需要四個(gè)月的時(shí)間。在晶圓廠的無(wú)塵室里，珍貴的晶圓片通過(guò)機(jī)械設(shè)備不斷傳送，整個(gè)過(guò)程中，空氣質(zhì)量和溫度都受到嚴(yán)格控制。從芯片制造的關(guān)鍵工藝上來(lái)看，分為以下10大步驟。

1）沉積：造芯片的第一步，通常是將材料薄膜沉積到晶圓上。材料可以是導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體；

2）光刻膠涂覆：進(jìn)行光刻前，首先要在晶圓上涂覆光敏材料“光刻膠”或“光阻”，然后將晶圓放入光刻機(jī)；

3）曝光：在掩模版上制作需要印刷的圖案藍(lán)圖。晶圓放入光刻機(jī)后，光束會(huì)通過(guò)掩模版投射到晶圓上。光刻機(jī)內(nèi)的光學(xué)元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層；

4）計(jì)算光刻：光刻期間產(chǎn)生的物理、化學(xué)效應(yīng)可能造成圖案形變，因此需要事先對(duì)掩模版上的圖案進(jìn)行調(diào)整，確保最終光刻圖案的準(zhǔn)確。ASML將現(xiàn)有光刻數(shù)據(jù)及圓晶測(cè)試數(shù)據(jù)整合，制作算法模型，精確調(diào)整圖案；

5）烘烤與顯影：晶圓離開(kāi)光刻機(jī)后，要進(jìn)行烘烤及顯影，使光刻的圖案永久固定。洗去多余光刻膠，部分涂層留出空白部分；

6）刻蝕：顯影完成后，使用氣體等材料去除多余的空白部分，形成3D電路圖案；

7）計(jì)量和檢驗(yàn)：芯片生產(chǎn)過(guò)程中，始終對(duì)晶圓進(jìn)行計(jì)量和檢驗(yàn)，確保沒(méi)有誤差。檢測(cè)結(jié)果反饋至光刻系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整設(shè)備；

8）離子注入：在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負(fù)離子轟擊晶圓，對(duì)部分圖案的半導(dǎo)體特性進(jìn)行調(diào)整；

9）需要重復(fù)制程步驟：從薄膜沉積到去除光刻膠，整個(gè)流程為晶圓片覆蓋上一層圖案。而要在晶圓片上形成集成電路，完成芯片制作，這一流程需要不斷重復(fù)，可多達(dá)100次；

10）封裝芯片：最后一步，切割晶圓，獲得單個(gè)芯片，封裝在保護(hù)殼中。這樣，成品芯片就可以用來(lái)生產(chǎn)電視、平板電腦或者其他數(shù)字設(shè)備了。

正如上文提到的“視需要重復(fù)制程步驟”，現(xiàn)代芯片的結(jié)構(gòu)可多達(dá)100層，需要以納米級(jí)的精度相互疊加，這精度又稱(chēng)為“套刻精度”。芯片上光刻的各層圖案大小不一，這意味著，光刻各層圖案需要用到不同設(shè)備。ASML的DUV深紫外線光刻機(jī)有數(shù)種不同的機(jī)種，適合最小圖案的關(guān)鍵性光刻需求以及普通圖案的正常光刻。

如今，芯片的結(jié)構(gòu)可多達(dá)100層，需要以納米級(jí)的精度相互疊加，這精度又稱(chēng)為“套刻精度”。芯片上光刻的各層圖案大小不一，這意味著，光刻各層圖案需要用到不同設(shè)備。ASML的光刻機(jī)有數(shù)種不同的機(jī)種，適合各種各樣圖案的關(guān)鍵性光刻需求以及普通圖案的正常光刻。

Intel嘗鮮？2023年下線首批芯片

眾所周知，光刻機(jī)設(shè)備極為復(fù)雜，全球只有ASML能生產(chǎn)高端光刻機(jī)，而且產(chǎn)能還極其有限。在新一代極紫外光刻機(jī)設(shè)備出現(xiàn)之前，臺(tái)積電幾乎包攬了ASML 70％的產(chǎn)能，哪怕是三星也沒(méi)有足夠的設(shè)備擴(kuò)大5nm高精尖芯片的產(chǎn)能，這是臺(tái)積電能一直領(lǐng)銜三星的主要原因。

而新一代極紫外光刻機(jī)設(shè)備據(jù)悉會(huì)讓Intel率先采用。Intel表示，預(yù)計(jì)將在2023年下線第一批芯片。憑借比以往任何機(jī)器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個(gè)芯片都有數(shù)百億個(gè)元件，這臺(tái)機(jī)器在未來(lái)幾年所生產(chǎn)的芯片應(yīng)該是史上處理速度最快、效率最高的。

總而言之，從整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展角度來(lái)看，新一代極紫外光刻機(jī)設(shè)備的出現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，但對(duì)于仍處在爬坡階段的國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，由于高端先進(jìn)技術(shù)受到限制等原因，在尖端技術(shù)方面與頭部企業(yè)的差距或?qū)⑦M(jìn)一步被拉大。