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富贵彩票注册:国产刻蚀机达到世界顶尖水平 美国被迫放弃对中国禁运刻蚀机
作者:管理员    发布于:2018-07-21 11:51:02    文字:【】【】【

在介绍蚀刻机之前,我们先来了解下芯片制造的设计制造大概流程。

(芯片制造过程)

芯片,本质上是一片载有集成电路(IC:Integrated circuit)的半导体元件,而IC设计就是在芯片上设计电路,用来实现逻辑功能以满富贵彩票注册足客户的特定需求,可以说,好的IC设计是后续芯片制造的基础。

除了要达到IC设计的要求外,芯片的制造还要尽量追求更小的制程(所谓芯片制程,就是晶体管中栅极的最小宽度,即栅长的数值,也就是我们经常看到的XX nm),以达到降低能耗、提高性能的目的。而芯片的性能与电路中晶体管数量息息相关,单位面积上晶体管的数量又与芯片的制程紧密联系。

随着技术的不断升级(更小的制程),栅极宽度越来越窄,当制程逼近20纳米时,栅极对电流的控制能力会急剧下降,出现“电流泄露”问题;当制程逼近10纳米后,漏电问题就会变得十分严重。而漏电率如果不能降低,CPU 整体性能和功耗控制就会变得十分不理想。

为了解决这一问题,新的芯片制造工艺设计应运而生,典型的代表就是鳍式场效应晶体管 (FinFET:Fin Field-Effect Transistor)。这种新的晶体管设计使得芯片内部平面的结构变成了3D。

栅极形状的改制使得接触面积增大了,这在减少栅极宽度的同时能够降低漏电率,并且让晶体管的空间利用率大大增加。

(常用的演算芯片完成电路布局与绕线的结果与晶圆上芯片的3D 剖面图)

现在,有了IC设计图,也有方法减小更小制程带来的漏电问题,接下来要做的,就是设计好加工的工艺流程,也就是在晶圆上把复杂的3D图形一层一层“堆叠”起来。

在芯片的实际制造过程中,步骤会因为不同的材料和工艺而有所差异,不过大体上皆采用这样的类似工艺过程,于是就需要用到光刻机和刻蚀机。

(晶圆上“雕刻”电路的流程)

首先,在晶圆表面沉积一层薄膜,紧接着再涂敷上光刻胶(光阻),这时候光刻机会按照设计好的IC电路对应制造的掩膜版(光罩)将光束打在不要的部分上,这一部分的光刻胶就会变质然后被化学药剂清洗除去。

这之后,刻蚀机要按照光刻机“描绘”出来的线路进行更深入的微观雕刻,刻出沟槽或接触孔,然后,光刻胶被除去。

(芯片制造过程中用到的掩模版)

为了保证每次往上“堆叠”新电路的过程都能顺利准确地进行,刻蚀机的加工精度必须非常高,要达到纳米级。以16纳米制程的CPU来说,刻蚀过程的加工尺度为普通人头发丝的五千分之一,而加工的精度和重复性的误差更需要控制在这一数值的十分之一以下。

作为芯片制造过程中的两种重要设备,刻蚀机和光刻机很容易被混淆。

光刻机的作用更像是雕刻之前在木板或者石板上描摹绘线,而刻蚀机则需要严格按照光刻机描绘好的线条“雕刻”出刻痕图案。所以,芯片的整个生产工艺过程是先用光刻机,然后再用刻蚀机,接下来重复地使用两种设备,直至完整地将设计好的电路图搬运到晶圆上。

目前,所有芯片巨头制定的工艺制程的可实现性都由光刻机与刻蚀机的性能来决定,也就是说如果芯片加工厂要达到7纳米这样的关键技术指标,其生产过程使用到的光刻机与刻蚀机就必须具有7纳米的工艺能力。

而高端光刻机相关技术的门槛极高,目前光刻机领域的龙头老大也只有荷兰的一家公司,它垄断了高端光刻机市场,而且对于中国来说,有钱也不一定能买到(中国在其限制购买的名单中)。

(一台一亿美元的极紫外光刻机)

但刻蚀机就不一样了。

刻蚀机的工作原理可以分为干刻、湿刻两大类。其中湿刻是将硅片浸泡在可以与被刻蚀膜层反应的化学液体中,除去不需要的部分,是早期工艺采用较多的方法。不过,湿刻不可避免的会在刻蚀的侧壁形成横向钻蚀,无法很好的控制线宽,所以,在工艺达到微米级以后,生产中更多的是采用没有液体参与的干刻技术。

(等离子体刻蚀的基本机制)

这其中,等离子体刻蚀是最常用的干法刻蚀技术。它主要利用了等离子体的两个特性:强化学活性及高选择性。通过选择合适的气体,它就能将被刻蚀材料快速反应,实现刻蚀的目的。

另外,等离子体的能量很高,当离子轰击被刻蚀物的表面时,会将被刻蚀物材料的原子击出,从而依靠物理能量的转移来实现刻蚀。

等离子体刻蚀技术在上世纪80年代就广泛的应用到了集成电路领域中,但由于刻蚀时具有复杂的物理和化学过程,加上需要用到电感耦合等离子体源等核心部件以及高真空度来保证等离子体的质量,所以这种仪器仍然是有技术门槛的高科技仪器。

以往的国际市场上,刻蚀机主要都是国外企业制造,而且这些巨头为了谋求更大的利益已经开始走向合并,一旦格局成型,就可能演变为光刻机那样一家独大的局面。

所幸的是,现在来自国内的半导体设备企业已经迅速崛起,在刻蚀机这一块也有了可以参与国际竞争的玩家。

(中国自主研发的等离子体刻蚀机)

尹志尧团在回国之后,队从零开始,重新研发申请了专利,终于在2008年,中微半导体的刻蚀机开始打进国际市场。

国外公司无法接受中国人能在3年内做出高性能刻蚀机,应用材料和科林相继对中微半导体提起专利诉讼。在中微半导体拿出了关键技术的专利证据之后,两次扩日持久的诉讼都以中微半导体获胜告终。

随着中微半导体的崛起,2015年美国商业部的工业安全局特别发布公告,由于认识到中国可以做出具有国际竞争力的,而且有大量生产的等离子刻蚀机,所以决定把等离子刻蚀机从美国对中国控制的单子上去掉了。

 
脚注信息
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