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生产芯片用的蚀刻机和光刻机有什么区别?

  光刻机和蚀刻机都是在生产现代大规模集成电路(芯片就是)过程中必不可少的设备,两者之间差别比较大,且听我细细讲来。

  什么是光刻机?什么是蚀刻机?

  最通俗的说法,所谓的大规模集成电路就是把我们正常看到的电路变得很小、很密集,所以说我们正常看到的最简单的电路和芯片里面复杂而密集的电路没有本质的区别。

  ↑最简单的电路↑

  但是,在这个让电路变得很小、很密集的过程中我们遇到了一个很严重的问题,那就是简单的电路我们可以用手搭,但是那么小的电路我们怎么搭起来呢?

  于是在长期的探索中,科学家就找到了两种物质:一种我们比较熟悉——金属,另一种是光刻胶。这两种物质有什么奇特的地方呢?又跟芯片制造有什么关系呢?

  简单说,光刻胶可以被光侵蚀掉,但是化学物质没法侵蚀掉它;金属不会被光侵蚀掉,而化学物质却可以侵蚀掉它。(虽然现在进的是用等离子蚀刻,但是我们这里先不说那个,说比较基础一点儿的原理)

  所以说制造芯片的基本原理就是利用这两种物质的性质:在金属表面覆盖一层光刻胶,然后用光先把光刻胶侵蚀掉,下一步再用化学物质浸泡,这样有光刻胶的那部分金属就不会被侵蚀、没有光刻胶的地方会被侵蚀掉——于是金属表面就形成了我们想要的形状。

  这两个过程就是所谓的光刻和蚀刻,对应的设备就是光刻机和蚀刻机。

  下面这幅图就是光刻机的原理,电路的形状一开始是画在一张比较大的分划板上的,然后通过透镜把电路的图案缩的很小,然后照射在涂抹了光刻胶的金属板上(就是所谓的晶圆了)。

  ↑光刻机的原理图↑

  下面这幅图这是蚀刻的过程。可以看到,没有光刻胶的那部分金属在化学物质的作用下被溶解了,然后晶圆表面就变成了我们想要的形状。整个大规模集成电路光刻和蚀刻的过程可以见再下一张图。

  ↑化学物质腐蚀

  ↑大规模集成电路的制造过程↑

  那么中国现在两种设备的发展如何?

  其实从刚刚的大规模集成电路的制造过程上我们也看到了,光刻的复杂程度要远远高于蚀刻,所以光刻机的复杂程度也远远高于蚀刻机。现在世界上进的光刻机制造商是荷兰的ASML,可以说是仅此一家、别无分号(占有80%的市场份额),一台进的光刻机售价一亿美元,而且还不接受讨价还价,你爱买不买。

  而在现在这个时间节点上,ASML使用的光线已经到了极紫外光(EUV),所以可以光刻7nm以下的大规模集成电路。而受制于《瓦森纳协定》,ASML不可以向中国出售先进光刻机。所以在这方面中国长期处于被封锁的状态。

  那么中国自己的光刻机是什么水平呢?非常遗憾的是,中国的光刻机水平落后世界很多,目前能够量产的光刻机只能够光刻90nm的大规模集成电路,跟进的设备差距可以说是极大的。也许试验室里有更高制程的光刻机技术,但是在量产、投入生产之前还只是镜花水月。

  相对而言,中国在蚀刻机方面做的相对较好,现在中国进的等离子蚀刻机已经制造到了5nm的制程,并且7nm制程的蚀刻机已经在去年走出试验室,开始向台积电等厂商供货,这方面中国已经是世界水平。

  ↑大国重器中的中国蚀刻机(片中用的是刻蚀机)↑

  所以,在光刻机的路上我们还有很远的路要走,在蚀刻机的路上还要再接再厉。