为什么说不存在5nm光刻机?

最近光刻机十分火,我们经常听到别人说7nm光刻机,5nm光刻机,但其实严格意义上来说,并不存在7nm光刻机,5nm光刻机,有的只是7nm工艺,5nm工艺。

我们首先要搞清楚什么是光刻机,光刻技术就是利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光,光刻胶见光后会发生性质变化,从而使光罩上的图形复印到薄片上,从而使薄片具有电子线路图的作用。

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简单来说,光刻就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。类似投影仪,不过光刻投的不是照片,而是电路图和其他电子元。光刻质量,直接决定了芯片是否可用。

在这里,最核心的就是光源了,一切光刻机的核心零件就是围绕光源来的,所以根据光源的改进,光刻机一共可以分为5代,

分别是最早的436纳米光刻机,然而第二代是365纳米波长,第三代是248纳米,第四代是193纳米波长,第五代是13.5纳米波长的EUV光刻机。

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像436纳米波长的第一代光刻机,可以用来制造0.5微米制程以上的芯片,而193纳米波长的第四代光刻机,技术工艺则发生过变化,第四代扫描投影式光刻机能够用来制作90纳米到60纳米制程的芯片。到了60纳米的时候,当时的光刻机龙头尼康想要通过改变光源来提升制程。

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这个时候台积电的林本坚发现,只要在晶圆光刻胶上方加 1mm 厚的水。水可以把 193nm 的光折射成 134nm,这就是第四代浸没式光刻机。台积电把这个方案给了ASML,这也让ASML打败了尼康,成为新的光刻机巨头 。

后来,ASML通过增加双工作台,多重曝光等方式将第四代浸没式光刻机的极限提升到了7nm,什么是双工作台呢?一个工件台进行曝光晶圆片,同时在另外一个工作台进行预对准工作,两个工件台相互独立,同时运行,生产效率提高大约35%,精度提高10%以上。

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这个时候第五代EUV光刻机就开始接棒,制造7nm以来芯片,目前,第五代EUV光刻机的工艺节点在1nm左右。

所以说,并不存在几纳米的光刻机,第四代浸没式光刻机,可以制造20nm芯片,也可以制造7nm芯片那它是几纳米光刻机

这里我们要指出,拥有了第四代浸没式光刻机并不意味着就可以制造出7nm的芯片,像中芯国际,目前还只能实现稳定14nm的量产,因为芯片生存一个非常复杂的工艺流程,并不是有一台光刻机就可以的事情。

芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序(WaferFabrication)、晶圆针测工序(WaferProbe)、构装工序(Packaging)、测试工序(InitialTestandFinalTest)等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前端(FrontEnd)工序,而构装工序、测试工序为后段(BackEnd)工序。

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芯片的制备是一层一层的加工制造,制程越先进,晶体管密度越大,相应的所需要的层数也越多,因此需要各种类型的工艺反复的进行加工。芯片从晶圆开始加工到结束可能需要300道以上的工序,而任何一道工序稍有失误就可能导致大量的芯片报废。

并且很多工艺都是没有挽救余地的,中间只要有一个工艺发生偏差就只能报废处理,还有很多时候很小的偏差只有等到芯片制造完成进行电性能测试的时候才能发现,这样造成的损失就更加庞大。

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这样就要求晶圆代工厂的工艺参数浮动的范围就要不断缩小,因此,越是先进的工艺,就越要保证工艺的稳定性。这也是为什么中芯国际到现在也只掌握14nm工艺的原因。

目前中国已经能够量产第四代扫描投影式光刻机,而第四代浸没式光刻机今年年底也将实现量产,如果使用套刻精度在1.9nm左右的工作台,在多次曝光下能够实现11nm制程工艺的芯片生产。如果改用套刻精度更优的国产华卓精科工作台(1.7nm),在多重曝光下更是能够实现7nm制程工艺的芯片生产。

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所以不要觉得90nm到7nm之间的路途非常漫长,光源的递进,所带来的变革会是革命性的,中国芯片产业的主要问题并不是在光刻机,而是没有形成完整的产业链,而这许多中国芯片产业多方面的突破发展。

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