芯片製造的核心技術

每一臺現代筆記本電腦 智能手機 臺式電腦內部 先進的人工智能服務器 或幾乎任何其他高科技設備中 都搭載着CPUGPU source DRAM 和SSD芯片等尖端微芯片 每塊芯片內部都集成着 數百億個晶體管 這些微芯片裏的晶體管 尺寸小得驚人 最細微的結構僅有10納米左右 相當於45個歸原子的寬度 這向科學與工程的壯舉 看似不可能完成 因爲一方面 每塊微芯片 都需要將數百億個晶體管 相互連接 而另一方面 每個晶體管的尺寸僅有納米級 不僅如此 這些微型芯片 無處不在應用於各種設備 因此必須實現可靠的量產 那麼製造這種微型芯片 究竟是如何實現的呢 這些是光刻設備 它們是製造芯片的關鍵 但需要注意的是 芯片製造涉及 數十種不同類型的設備 用於生產過程中的各個步驟 每臺設備在製造流程中 都起着關鍵作用 準確來說 光刻設備是其中最主要的 它們被用來複制和刻印 晶體管納米級的圖案 以及微芯片上的多層導線 因此人們是把這些光刻工具 比喻爲納米級的微芯片複印機 光刻工具在不斷進化 以複製刻印越來越小的 晶體管和電路 在本視頻中 我們將深入探索 這臺最先進的 極紫外光刻系統 瞭解其中的科學與工程原理 我們先快速概覽一下 首先 極紫外光刻機 會將微芯片單層電路的 設計圖案 加載在光照上 然後置入機器中 接着將一片 300毫米的硅晶圓 經過前置工序處理後 與光照一同放置於 機臺內的晶圓載具上 這臺機器使用 極紫外光EUV 和一組反射鏡系統 將光眼膜上的設計圖案 轉移到硅晶圓上 晶圓移動到下一個位置 然後再次複製 微芯片設計 這一複製過程不斷重複 直到整片晶圓 佈滿100多枚微芯片 接着新的晶圓再被送入 複製流程重新開始 這是光刻機的 實時工作速度 約18秒 就能在一塊 300毫米晶圓上 重複複製相同 微芯片設計約100次 讓我們來看看 其中一塊微芯芯片 瞭解一下 我們究竟在複製什麼 這塊芯片內部 約有300億個晶體管 如果你們好奇的話 這是一款GPU 一圖形處理器的設計 通常位於顯卡的 核心位置 當我們放大到 納米級視角 觀察這塊芯片 會發現一個 由晶體管構成的 立體迷宮 以及層層疊疊的 金屬導線 最底層結構的 微小尺寸 僅有10納米左右 或者說大約是 45個歸原子的寬度 具體來說就是 極紫外光刻系統 通常用於剋制 具有最精細結構的 底層電路 而其他光刻設備 則用於剋制上層電路 在包含數十億納米級 晶體管的 單個芯片層中 這種複雜結構的 精細程度 可能很難完全理解 所以我們來做個小實驗 假設這套 極紫外光刻系統 不是用來複制 晶體管和導線 而是用來複制 一本書的文字 如果每個字母的 筆畫寬度是13納米 那麼單詞CUT 大約只佔據 155×240納米的面積 一整頁文字的大小 相當於一個紅細胞 而書籍的一個章節 僅如花粉般大小 當我們縮小視野 觀察GPU芯片的 等效面積時 你覺得用這種 納米級字體 能印多少頁文字 足夠印刷 全部七部哈利波特 再加上斯蒂芬金的 所有著作 以及整個英文 爲幾百科的文本總量 空間仍然綽綽有餘 它能裝下你當地 公共圖書館裏的 每一本書 裏面包含着 海量的故事線和細節 卻只佔據一塊 微型芯片的空間 所有這些都由這臺 極紫外光刻系統 複製而成 用時不到一秒 毫不誇張地說 你現在使用的 每一項現代科技產品 都得歸功於這臺機器 在本期視頻中 我們將深入探索 它內部的關鍵組件 看看它們如何運作 讓我們直接開始吧 本視頻由ASML贊助播出 這家公司專門設計製造 極紫外光刻系統 視頻中的所有細節和事實 均經過獨立調研 撰寫和動畫製作 此外部分內容 已做簡化處理 由於涉及專有技術 以及極紫外光刻的 商業機密 我們呈現的某些細節 是近似或調整過的 在我們拆解探索 這臺極紫外光刻系統之前 我們先花幾分鐘 聊聊芯片製造 半導體制造廠 以及這臺機器的具體用途 在我們的示範工廠裏 有數百臺設備 其中大約20多臺 正是我們討論的 極紫外光刻機 製造芯片時 需要堆疊300毫米硅晶圓 裝入前開式通用晶圓盒 FUB 然後在各臺設備之間傳送 使用空中傳輸系統 將前開式晶圓傳送盒 降落到設備上 每片晶圓都會在這裏 經歷不同的加工 當設備完成加工作業後 晶圓會被重新放回傳送盒中 傳送盒被提起 並運往下一臺設備 爲下一道工序做準備 微芯片製造過程極其複雜 但可以簡單理解 有點像用噴漆製作圖案 通過一個模板 但不是用來創作藝術 這個模板上 刻有納米級的圖案 用於構建晶體管和線路 在芯片工廠內部 有些設備專門用來製作這種模板 比如極紫外光刻系統 還有許多其他機器 像是沉積設備或離子注入機 就是我們的噴漆工具 現在讓我們看看 如何在晶圓上製作這個模板 這一層在技術上 被稱爲光刻膠層 首先晶圓會被送入一臺機器 這臺名爲軌道塗膠機的設備 這種稱爲光刻膠 簡稱光膠的材料 在旋轉的晶圓上均勻鋪展開來 接着晶圓會被加熱以烘乾 並固化光膠 從而形成平整的空白模板 隨後晶圓被送入光刻機 這裏會投射極紫外光EUV 穿過被稱爲眼模板的光罩 但通常只是個短期使用的光罩 當紫外光照射到光罩上時 圖案信息就會被烙印在光束中 這些帶有圖案的光束隨後會反射 經過一組反射鏡片的調整 將光罩圖案按比例縮小投影到晶圓上 極紫外光照射到的光阻部分會發生改變 就這樣將設計圖案從光罩複製到晶圓 然後晶圓移動到下一個位置 極紫外光刻工藝便重複進行 直到整個晶圓上都佈滿光刻眼模板上的設計圖案 接着晶圓會被傳送回軌道設備中 在那裏以曝光的感光膠會被顯影溶劑沖洗掉 然後晶圓經過加熱形成硬化模板 也就是完成的光刻膠眼模層 完成圖案轉移後 晶圓會被送往晶圓廠其他噴漆般的設備中 這些設備用於時刻調位被覆蓋的區域 並注入硼或磷等摻雜劑 或是沉積一層銅烏合金等金屬 由此構建出納米級的單層結構 請注意還有其他工藝流程 這裏我們就不深入探討了 現在我們已經基本瞭解 模板和噴繪工藝如何形成單層結構 讓我們放大到納米級視角 觀察微芯片內部 可見晶體管和導線是如何構成極其複雜的三維結構 這些層級結構都是逐層堆疊建造的 先從底部的晶體管開始 再到細小的金屬導線 本質上就是不斷堆疊越來越寬的金屬層 最終構建出完整的微芯片 這種模板噴繪工藝需要反覆進行多次 每次只構建單一材料層 因此更有效的方法 是將這些工序想象成循環過程 每次循環完成一個材料層的製作 在光刻機中使用單一眼模設計 然後構建另一層結構 使用完全不同的眼模裝載進機器 最終制成這樣的GPU芯片 這一系列工藝步驟或循環需要重複約80次 總共涉及約1000道獨立工序 耗時約4個月才能完成 讓我們回到芯片的微觀視圖 在這裏我們可以看到 下層電路結構極其微小 這裏使用了13納米的極紫外光刻技術 來構建這些電路層的圖案 然而上層導線則明顯粗大得多 需要使用完全不同的設備進行光刻 這種設備被稱爲DUV 深紫外光刻系統 同樣由ASML公司製造 採用深紫外波段的光源 深紫外光刻設備最早出現於2000年 至今仍是極其尖端的製造裝備 由於深紫外光刻設備通常比極紫外光刻機便宜 在所謂的關鍵層中用深紫外技術製作晶體管 然後再使用極紫外光刻設備 製作上部較寬的非關鍵層圖案 此外那些不需要 最微小晶體管和連線的終端芯片 可能完全不需要使用極紫外光刻技術 僅使用深紫外光刻波長 比如193納米、248納米或365納米 因此頂尖晶圓廠通常會搭配使用多種光刻設備 所有這些精密設備構成一個複雜生態系統 共同製造出微型芯片 瞭解了芯片製造的基礎知識後 整個系統可分爲五個核心部分 現在讓我們打開這臺極紫外光刻機 探索其中驚人的科學與工程原理 光源系統、照明系統 眼模版傳輸系統與眼模臺投影光學系統 以及最後的晶圓傳輸系統與工作臺 我們從光源系統開始講解 它負責產生極紫外光 但首先要解答一個根本問題 爲什麼必須使用極紫外光 打個簡單的比方 用來投影和複製光眼模上的圖案 就像用馬克筆的筆尖 想必你對馬克筆很熟悉 如果要畫細線 就需要選用細筆頭的馬克筆 雖然可以傾斜筆頭來取巧 但想要畫出細100倍的線條 就需要更換筆頭 使用筆尖更細的微型筆 同理要複製尺寸僅10納米左右的電路圖案 我們需要使用13納米波長光源 這種極紫外光位於電磁波譜的最短波長端 更專業地解釋射極光的波動特性 以及光線照射光照內部納米圖案時發生的現象 這些圖案由吸收極紫外光的納米級遮光材料構成 覆蓋在反射極紫外光的基底表面 接下來我們會解析光照原理 以及系統如何運用反射透鏡組 但現在不使用反射光學元件 用透射光束光學來呈現光眼模會更直觀 這個裝置類似於著名的雙縫實驗 不過我們用的不是雙縫 而是展示光線穿過由納米及狹縫組成的複雜圖案 這只是整塊光眼模的一小部分 那麼當我們使用波長 遠大於13納米極紫外光時會發生什麼 比如這種450納米的藍光 當這種長波長的光照射到圖案上時 圖案几乎完全消失了 這是因爲圖案上孔的寬度遠小於照射光的波長 光刻機的這種分辨率極限 可以用銳利判矩方程來描述 稍後我們會解釋這個原理 現在讓我們切換到13納米的極紫外光 當極紫外光照射到圖案上時 光線會穿透過去 光照上的圖案會被轉映到光線中 光線會產生類似雙縫實驗的映射現象 這些帶有圖案的光線隨後進入投影光學系統 通過一系列反光鏡透鏡進行聚焦和圖案縮小 最終投射到晶圓上 既然我們理解了極紫外光的必要性 接下來的問題就是如何產生這種光 首先兩束高功率激光脈衝會通過多個放大器 在無塵式地板下方 這些激光脈衝的能量不斷增強 然後從下層捷徑式出發 通過一系列反射鏡路徑傳送 從設備底部向上傳輸 進入一個叫做原艙的槍室 第一道被稱爲預脈衝的激光功率約爲5000瓦 瞄準一滴吸液 通過一組可調節反射鏡 這道預脈衝激光將吸滴壓成尖柄般的扁平形狀 第二束功率約25000瓦的主激光脈衝 其強度超過工業切割激光10倍以上 擊中液態吸餅後瞬間將其氣化 轉化爲熾熱的等離子體 吸原子中的部分電子被激出 其餘電子則躍遷至更高能級 當電子從4F軌道回落至4D軌道時 就會產生13納米波長的極子外光 通過雙脈衝激光轟擊吸液滴 這個工藝看似相當冷門 但極子外光在地球上並不自然存在 這是爲數不多 能高效產生500瓦以上極子外光的方法 選用錫材料還有個重要原因 其等離子體能產生廣譜波長 並在13納米處形成明顯峯值 那麼這些吸滴從何而來 看這裏 超高純度固態吸餅 經過融化後被注入儲存罐 然後通過一根微型噴嘴輸送 壓電換能器會擠壓噴嘴尖端 由於儲罐內部有高壓氮氣 一滴吸液被強力噴出 速度高達每秒100米 接着高速攝像機會進行測量 並計算出吸滴的飛行軌跡 將數據反饋給一組可調節鏡片 以便調整激光脈衝的角度 精準命中吸滴 爲了控制紫外線的強度 有時激光會漏掉一些吸滴 這些漏網的吸滴會被收集在這裏 這就是高速噴射吸滴的生產工藝 然後用兩道激光脈衝轟擊產生極子外線 每秒要重複5萬次 現在我們有了極子外光源 一面被稱爲收集器的鏡片 將所有極子外線聚焦到一個 名爲中間焦點的小孔 只有極子外線能夠通過這個孔 光束隨後進入照明器 它由場鏡面反射鏡組成 包含瞳孔鏡面反射鏡和另一組鏡子 這些鏡面的形狀完美至極 表面偏差小於一個原子的寬度 照明器接收這種極子外光 並將其塑造成一條細長的光帶 在特定角度範圍內保持完全均勻的光強分佈 然後光線纔會照射到光眼模上 確保所有入射角度的光照均勻性一致 對形成完美的納米級圖案至關重要 通過光線將眼模上的圖案精確轉移到晶圓上 因爲ASML製造的這些機器裏 蘊含着極其複雜的科學原理和工程技術 本視頻展示的僅是冰山一角 比如極子外光的操作難度就超乎想象 因爲它會被大氣分子吸收 因此整個光路系統和晶圓載物臺 都連接着能抽走所有空氣的真空泵 此外 極子外光會被玻璃吸收 因此爲了聚焦和傳輸光線 這個系統使用的是反射鏡而非透射透鏡 不過這些被稱爲布拉格反射鏡的裝置 與你浴室裏的鏡子截然不同 它們由數十層交替堆疊的材料組成 每一層硅和木的厚度僅有幾納米 當紫外線照射到這種布拉格反射鏡表面時 每個界面僅反射3%的光線 其餘部分則會穿透過去 但由於疊加了這麼多層 累計3%的反射光會產生相掌干涉 最終單面鏡子的總反射率可達70% 同時會有30%的光線被損耗吸收 不過在這個光學系統中裝有十多面鏡子 而每面鏡子的反射率只有70% 最終照射到晶圓上的光線不足10% 西等離子體發出的光線亮度會明顯變暗 這就是爲什麼光源容器發出的初始光線 必須儘可能明亮 這臺機器內部驚人工程的另一個例證 是這個場分面鏡由數百個獨立控制的鏡片組裝而成 這些鏡片可以調整角度來引導光線 照射到分段瞳孔分面鏡的特定區域 這兩面鏡子共同將紫外光追 從中繼焦點處轉換爲 一套複雜的照明模式 比如這叫環形照明 這是雙極照明而這個叫四極照明 你可能好奇爲什麼我們需要 如此複雜的照明模式 當我們回看微芯片結構時 其中一層線路基本是水平走向 下一層是被稱爲導通孔的圓柱體陣列 再往上的層則是垂直走向的線路 每一層都使用不同的光照 之前我們提到過EUV光有點像細頭鋼筆的筆尖 採用不同的照明圖案 就相當於用不同角度握住馬克筆 相對於正在形成的線條或圓形圖案 特別是環形照明最適合用於 形成包含通孔的層 就像是垂直握住馬克筆 而這種偶集照明模式最適合用來 形成水平走向的線條 然後我們旋轉偶集子照明 用於形成垂直走向的導線圖案 讓我們繼續瞭解這臺EUV光刻機的下一部分 首先我們來看看光照也稱演模板 它也被稱作分劃板 上面包含着一整層微芯片的設計圖案 光照存放在雙層密封盒中 通過頂調運輸系統 被裝在倒機器上 外層的保護盒開啓後 機械臂會取出內層盒 並將其送入真空負載艙 密封艙關閉並被抽成真空 接着內部艙門開啓 內部艙盒隨之打開 然後另一隻機械臂將光照和機座運送到檢測站 每個光照都帶有包括調星碼在內的六種標記 以及基準標記 這些標記用於將光照對準至亞納米級精度 光照隨後被運送並裝載到演模板工作臺上 工作臺能以極高精度和速度 在極紫外光束下來回移動 這幅光照表面承受着超過7G的加速度 它採用了先前提到過的相同布拉格反射鏡面 但在表面添加了吸收體圖案 這些局部遮光結構用於生成精密的微芯片層圖案 這塊6×6英寸的光照 擁有104×132毫米的圖案區域 其吸收體像素分辨率 達到了10×10納米以下 視頻開頭我們展示了各種不同尺寸的芯片 在我們展示GPU晶片後不久 可以看到晶圓上的圖案分佈 演模板上的圖案比實際芯片大4倍 這款GPU芯片已接近演模板能容納的最大尺寸 因此一個演模板只能製作一枚芯片 最終300毫米晶圓上 可排列90個GPU芯片 而CPU芯片通常體積更小 因此在接下來的示例中 我們能在單個演模板上放置兩枚芯片 整個晶圓上共有185顆芯片 當我們觀察更小的DRM芯片時 光照上可放置12個複製單元 每片晶圓可產出978顆芯片 嚴格來說 曝光區域是將光照圖形掃描到晶圓的一次成像 每個曝光區域可以包含 從單個到十幾個甚至更多的芯片圖案 單晶圓可產出約100至1000多顆芯片 這個數量蘊含着驚人的信息 正如開場白提到的 它所包含的細節 相當於整個維基百科的文本總量 外加一個普通公共圖書館的所有藏書 這個造價約30萬美元的演模 必須完美到用我們的類比來說 相當於2100萬頁文本中 不能出現任何語法錯誤拼寫錯誤 甚至連字母多一個彎都不行 否則會損壞晶圓上的所有芯片 如果您好奇的話 這是我們使用的計算公式 關於晶體管道文本和書籍轉換的部分 請暫停視頻思考一下