桑翁是甚么？

桑翁（Mask Aligner) 是锻造晶片的核心装备。它采用类似相片照相的技术， 把面版版上的精巧绘图透过强光的曝出印刷到基板上。晶片是在特别纯洁的硅材 料上锻造的，一个晶片包涵数百万个精巧的电晶体。电晶体是小型电子控制器， 电晶体的相连接与接上刚好与十进制中的基础状况0和1相关联！众多电晶体 产生的多个1与0的特殊顺序和模式能代表相同的情况，将其表述为拉丁字母 、位数、色调和绘图。这样，计算机系统就具备了处置重要信息的潜能。因此晶片上的晶 体管数量越多，计算机系统处置重要信息的潜能就越强。苹果公司最新的M1晶片大小为120平 方毫米，但是里面透过桑翁研磨出了160万个电晶体

为甚么要使用桑翁？

我们都知道晶片所以小，所以精巧，所以是如何生产出来的呢？用泡果？用电冲？自然不行，因为晶片相比而言这大得多，非要是nm的，这些最轻也是μm等级，所以到底是甚么笔尖能努力做到所以精巧。所以就想到了，用强光在晶片所刻，是桑翁。想把晶片做小做精巧，桑翁是绕不行的壁垒。

桑翁器结构

量测台、曝出台：贯穿基板的滚珠轴承，也是本次所言的双滚珠轴承。

雷射Canillac：矫治雷射入射光方向，让激雷射尽可能相连接。

热量驱动器：控制最后照到基板上的热量，曝出不足或毛焦尔单厢严重影响成像质量。

雷射花纹增设：增设雷射为圆形、球型等相同花纹，相同的雷射状况有相同的成像优点。

贮藏器：在不需要曝出的时候，制止雷射照到基板。

热量太空船：检验雷射最后入射光热量是否符合曝出要求，并意见反馈给热量驱动器进行调整。

掩模板：一块在内部刻着公交线路草图的金箔，贵的要德武雷瓦。

面版台：贯穿掩模板运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把面版版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的基板上，并且物镜还要补偿各种成像误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

基板：用硅晶制成的圆片。基板有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，由于基板是圆的，所以需要在基板上剪一个缺口来确认基板的坐标系，根据缺口的花纹相同分为两种，分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器：将滚珠轴承与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

光刻工作流程

1、基板预处置

在基板涂胶之前首先需要使用去离子水冲洗基板表面，对其表面进行清洁，去除表面杂质，防止对桑翁造成玷污，同时提升粘附性。随后再进行烘烤和脱水，进一步提高基板和光刻胶的粘着力。

2、涂胶

先利用真空吸盘将预处置过的基板固定，随后在基板随真空吸盘旋转的同时向基板表面喷射光刻胶，开始以较低的速度旋转，当喷到一定量时，以高速旋转，使光刻胶均匀覆盖，达到指定厚度。在涂胶完成后，还需对其进行烘烤，达到蒸发溶剂的作用。

3、曝出

在基板和掩模对准，透过透镜缩放聚焦后，使用特定波长的光对基板表面进行照射，未受掩模遮挡部分的光刻胶发生曝出反应，电路图从掩模转移到基板上。调节照射位置则能在同一基板上产出500-600个晶片。曝出后还需在进行烘烤，透过光刻胶分子的热运动，使胶侧壁平滑，提高解析度。

4、显影

显影是利用显影液将被光照射过的光刻胶溶解掉，而未被分解的光刻胶仍留在基板表面。显影操作后还需进行烘烤，蒸发剩余溶剂。

注意：使用正型光刻胶，则显影过程是溶解被光照射的部分，若使用负型光刻胶，显影过程是溶解未被光照射的部分。

5、检验

对基板进行检验，不合格的去胶再进行以上流程，合格的进行后续步骤。

6、刻蚀

分为干法刻蚀与湿法刻蚀，其中干法刻蚀是常用方法。干法刻蚀是使用等离子体轰击未被光刻胶覆盖的基板表面，去掉表面材料，得到目标电子元件。

7、去胶

刻蚀过后，用特定溶剂洗去剩余光刻胶。

以上是利用桑翁制作晶片的流程。

桑翁现阶段成果

集成电路锻造的主流光刻技术是成像投影光刻，技术节点历经几个更替，从1978年的1.5μm、1μm、0.5μm、90nm、45nm、22nm、14nm、7nm, 一直到目前的5nm，目前苹果公司和高通正在积极推进基于3～5nm工艺节点晶片的开发和设计。成像投影光刻基于成像成像原理，光刻极限分辨率由瑞利公式决定

R=K1λ/NAR=K_{1}\lambda/NA

要提高分辨率，主要有三个途径：

（2）增大投影物镜数值孔径。投影物镜的数值孔径从最初的紫外光刻0.24、0.4、0.6，发展到深紫外光刻的0.75、0.82、0.93，再到深紫外浸没式光刻的1.35，数值孔径已推到了物理极限。

（3）减小工艺因子。随着光刻技术的发展，工艺因子从0.7、0.4减小到0.3。甚至推到接近物理极限的0.25。

我国一直重视对桑翁设备的研究开发。从2006年起，北京华卓精科科技股份有限公司65nm ArF干式桑翁双工件台透过评审具备投产潜能。该公司已经完成28nm及以下节点浸没式桑翁双工件台产品化开发并具备小批量供货潜能，不仅为国产化浸没桑翁迈进了重要一步，而且成功打破了ASML在工件台上的技术垄断这一困境。从2016年起，上海微电子就已经成功量产90nm、110nm和280nm 3种相同分辨率的桑翁。2018年，中科院研制的超分辨光刻装备透过验收，光刻分辨力达到22nm, 同时将最新型双重曝出技术应用生产后，未来还有希望用于10nm等级晶片锻造、批量生产。

极紫外光刻技术已经成为目前我国急需攻克的难点和重点。从2008年开始，国家将极紫外光刻(EUVL)技术列为32～22nm装备技术前瞻性研究重要攻关任务，历经8年后，长春光机项目研究团队最后研制出线宽为32nm的极紫外光刻(EUV)投影曝出器，并且在1年后透过验收。中国科学院上海成像精密机械研究所的蔡懿等，长春理工大学林景全课题组，哈尔滨工业大学李小强等以及华中科技大学、同济大学等相关课题组均对EUVL的靶材选取、驱动光源设计、碎屑处置系统等器进行了理论和实验研究。

桑翁改进方向

①由接近(触)式改为非接触式(可对面版板进行缩小，提升面版板利用率)

②改变介质(水，乙醇)

③改变光源波长(电子束，紫外，极紫外)

④改进光刻胶涂层和取下工艺(氧化层，氮化层)

⑤雷射Canillac中反射镜平整程度直接影响精度(提高平整度)

⑥物镜中用于消除成像误差的原件可增强其灵敏度

⑦纳米面版板采用多通道滤光片或用生长法形成面版

⑧无面版光刻是一类不采用光刻面版版的光刻技术，即采用电子束直接在基板上制作出需要的绘图。无面版桑翁可以读取任何CAD数据，除此之外，无面版桑翁还可以读取Bitmap, PNG, DXF, 等其它格式，无面版光刻其具备分辨率高、成本较低等优势，但也存在着生产效率低、电子束之间的干扰易造成邻近效应等缺陷。故，无面版光刻还需要进一步提高。

每块手机晶片都需要桑翁生产吗？

晶片是手机这类电子产品的最核心部件，目前手机晶片是只能由桑翁生产的。

但并不代表不会出现新的晶片或新的晶片生产技术，光子晶片是一项新的成果，其涉及到硅光子学，研究人员将磷化铟的发光属性和硅的光路由潜能整合到单一混合晶片中。当给磷化铟施加电压的时候，光进入基板的波导，产生持续的激雷射，这种激雷射可驱动其他的硅光子器件，即光子晶片。美国计算机系统晶片巨头英特尔公司日前宣布，该公司与美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人员日前成功研发出了世界上首个采用标准硅工艺锻造的电力混合硅激光器。

但是光子晶片处于试验阶段，研制成功难度大，成功率低，并且无法量产，目前是不可能应用到手机中的。而传统晶片研发与生产方兴未艾，科研人员依旧在改善桑翁精度及简化上下功夫，手机晶片只能由桑翁生产。

桑翁技术目前还无法像其它一些技术能够被替代，比如传统机动车可以被电动车取代，而如果想做一颗晶片，所以就必须要经过桑翁，否则晶片设计得再好也不过是一张图纸，而桑翁就像卡在脖子上的那个关键设备，不仅要考验你有没有，桑翁本身的先进与否也直接决定着晶片成品的竞争力。

全球的手机晶片几个亿，而桑翁一年才十几台，刻的过来吗？

1、ASML介绍

由于ASML的产能有限，从2015年交付第一台EUV桑翁以来，截止至2021年上半年一共交付了116台。

2、产业化EUV和晶片工艺简介

晶片的等级按节点的nm大小划分，结点越小，晶片就越小，能耗发热会显著下降，且算力会提高，EUV可以制作小至5-7nm级晶片，也是目前市场上的高端晶片，像麒麟9000、苹果公司A14等。

ASML的新一代的EUV桑翁，NXE D型，不低于170片12寸圆晶（wafer），可用率超过90％。

但由于晶片一般由电晶体层和金属层组成，根据具体晶片设计，层数从10-80层不等，每一层都意味着一层mask，以28nm晶片为例，28nm大概有13层metel，外加电晶体层，大概是15 片MASK，每片MASK照一次是15次。所以28nm一片wafer大概要反复光照13-15次。

3、台积电介绍

1987年台湾人张忠谋创立了台湾积体电路锻造公司，简称台积电，台积电的创立打破了旧有的晶片自产自销的模式，张忠谋说我的公司不生产自己的产品，只为半导体设计公司锻造产品，台积电为晶片设计公司进行圆晶代工。

晶片产业的老巨头intel等，一直都是从晶片的设计到生产组装，全套产业发展，台积电的出现使得一些新企业可以只出晶片设计，甚至交给外包设计公司，只要出资金就可以生产符合自己预期的晶片。

预计2022年，台积电将拥有55台EUV设备，约占全球总数的一半，根据官网数据显示，台积电年产能已经可以达到1300万片12寸圆晶，台积电目前市场份额56%，据此可对全球晶片年产能进行预估。

4、预估产能

进行预估，我们仅分析台积电官网给出的2021年预估至少生产约1300万片12寸圆晶（面积约为73060平方英寸），一般晶片都是在百平方英寸等级的，台积电年产晶片数量8,548,020,000颗，台积电晶片领域市场份额56%，粗略估算一下全球年产能是150亿颗晶片，这远不能满足全球晶片需求，仅显示驱动晶片，2021年年需求量就预计达到84亿颗，正如前段时间华为向台积电订制1500万颗麒麟9000，但只交付了880万颗，加上受疫情影响，全球晶片供给不足。