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光刻机的另外一种造法

2022-11-16 11:13

光刻机是半导体行业的专业技术名词,但不知从何时起,它所受到的关注度已经出了圈。

很多人对光刻机的了解,或许都是因为同一家公司——来自荷兰的ASML,显然,光刻机的世界并没有这么单调。

光刻机的是操纵光的魔法师。它一方面是人类所创造的最复杂的机器,但它的原理又很简单——光线透过刻录着电路图的模板,再照射到硅片的光刻胶上,让其曝光而变性,电路图案便复制到了硅片上。

听起来是不是有点像传统胶卷相机的原理?实际上,也确实有一家我们耳熟能详的相机公司,同样是光刻机的制造商。前不久这家公司还参加了2022进博会,在中国展示其在芯片制造领域的能力。

这家公司,就是佳能。对于芯片的造法,和光刻机的用法,佳能有着自己独特的方法论。

More than Moore:超越摩尔定律

我们都知道摩尔定律,每隔18个月,芯片上的晶体管数目,便会增加一倍,这也意味着芯片的性能同时也会提高一倍。正是摩尔定律,推动着芯片制程不断逼近物理极限。

佳能光学设备(上海)有限公司董事长兼总经理牧野晶接受至顶科技采访时表示,芯片的发展其实有两种路线。

图:佳能光学设备(上海)有限公司董事长兼总经理牧野晶

一般人所讨论的向7纳米、5纳米等制程发展的过程,可以称为「More Moore」,也就是深度摩尔。而EUV(极紫外光)技术,就是在迈向深度摩尔的过程中,被很多人认为是实现“几”纳米级芯片的不二法门。

其实,芯片领域还有另外一条技术路线,叫做「More than Moore」,即超越摩尔定律。这条路线,往往被很多人忽视了。

为了说明超越摩尔的重要性,牧野晶举了两个例子。第一是芯片材料,第二个是芯片封装。

首先,芯片的传统材料是我们耳熟能详的「硅」。但随着技术的发展,硅材料的潜力已经逐渐被挖掘殆尽。碳化硅和氮化镓,就是第三代新芯片材料的代表。与硅相比,它们更适用于高温、高压、高频率的工作环境,而且非常节能,契合了当下绿色低碳的时代旋律。

牧野晶指出,碳化硅这种新化合物的基板尺寸和主流硅晶圆不太一样。主流的尺寸一般是12寸或者300毫米的晶圆,而碳化硅材料则集中在5、6寸区间。材质不一样,对于光刻机的要求自然也不一样。佳能在这个领域就提供了特定的设备。

其次,芯片封装是另外一个提供了超越摩尔定律的领域。和生产制造相比,芯片封装似乎显得没那么重要。但在芯片产业链中,芯片设计、芯片生产和芯片封装的产值其实是三分天下的。

传统的芯片封装方式,逻辑和存储等不同功能的芯片,是要分开封装后,再分别放在PCB板中。但牧野晶介绍,有一种SIP(System In a Package)的先进封装方式,可以将不同功能的芯片相互连接,高度集成在同一个单位面积内,实现更低的成本和更高的良品率。

而SIP封装芯片的布线,线宽要做到微米,甚至亚微米级别,所以也必须要用光刻机来做。
通过这两个例子,牧野晶强调,除了More Moore的领域,在More than Moore还有很多广泛应用,佳能也一直在不断更新旗下的产品线,满足不同的市场需求。

More than EUV:除了EUV,还有办法做到先进制程

虽然牧野晶谈了很多超越摩尔定律的做法,但是这不代表佳能不会在深度摩尔下功夫。而且,佳能走的是不同于常规的技术路线。

目前,先进的芯片制程要用到EUV(极紫外光)光刻机,技术主要掌握在荷兰公司ASML手中。佳能则将技术押宝在一项名为「纳米压印(NIL)」的光刻技术。与EUV光刻机相比,纳米压印技术,有点类似于“盖印章”的方式来印刷电路,因此少了很多复杂的光学元器件。

据悉,目前佳能已经实现了十几纳米水平的芯片制程工艺。而牧野晶透露,虽然还在技术研发之中,但是相信5纳米的制程也是可以用「纳米压印」来实现的。有芯片分析师认为,这个时间点可能就在不远的2025年左右。

不同的工艺,也会带来另外的特性。

牧野晶在采访中多次强调了用电量问题。他开玩笑地说,业内有一个笑话,“如果买几台传统光刻机放在同一个房间,没准要配一个专门的发电站”,“虽然这是一个笑话,但是EUV光刻机的能耗很高也是一个事实”。

而且,纳米印刻的制造方法中,每一层电路都是一次压印成形的,不像传统光刻会要使用到SADP/SAQP(self-aligned double patterning,多重曝光)等复杂的工艺,在成本上也会有极大优势。“如果纳米压印接下来能够成功量产,将是一个革新产品,能压倒性地降低逻辑电路的生产成本。”牧野晶最后总结道。

除了光刻机技术本身的探索,佳能还将目光投放在了光刻机的运营上。

就在今年的9月5日,佳能发布了半导体光刻机解决方案平台“Lithography Plus”。简单而言,这是一项制造业服务化的方案。佳能以包括曝光工艺在内的、50年来沉淀下的芯片制造数据为基础,帮助客户在提升设备维护运转率的同时,实现芯片制造工艺优化,提升光刻机生产效率。

具体而言,第一,该系统具有光刻机状态分析、定期维护结果分析和光刻机停止原因分析多种功能。根据这些数据,光刻机操作员可以更轻松地制定部件更换与维护方案。其次,其中的一项 “异常检测”功能,可以监视光刻机的工作状态,及时检测出异常及征兆,防止光刻机停止。最后,该平台汇集了佳能迄今为止积累的光刻机优化案例,能帮助对相关工法(Recipe)进行更便捷的优化。

看好中国市场

虽然芯片制造是一门显学,但是芯片市场(包括对芯片的使用最具先进性和代表性的智能手机领域),已经开始出现一些低迷。牧野晶自然也注意到了这种现状。

不过,他依然认为,芯片产业的成长趋势是不会变的。而且普通消费者往往注意到了CPU、储存卡等比较大众化的芯片产品,其实还有电源管理、传感器、通信器件等多种多样的应用,都需要芯片的加持,才能发挥作用。

而对于牧野晶负责了18年左右的中国市场,他更有额外的一份乐观,“对很多半导体制造厂商来说,早从2020年起,中国市场就变成他们最大的市场,佳能也是其中一员。”佳能FPD、面板制造行业都集中在亚洲,在亚洲,中国所占的份额是佳能所有客户中最高的。

他进一步说道,“中国还有很多潜力,芯片产业也会持续增长。目前全球出现的市场低迷,会是长期增长中的暂时调整”。

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