無掩膜光刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一項革命性進(jìn)展,它通過省去傳統(tǒng)光刻工藝中昂貴、耗時且難以修改的物理掩膜版,為芯片設(shè)計驗證、小批量生產(chǎn)和先進(jìn)封裝等領(lǐng)域帶來了前所未有的靈活性與效率。作為該領(lǐng)域的代表廠商之一,芯碩(通常指安徽芯碩半導(dǎo)體有限公司)在該技術(shù)上進(jìn)行了深度研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化探索。本文將對芯碩所聚焦的DMD無掩膜光刻技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性解析。
一、 技術(shù)核心:DMD的工作原理
DMD無掩膜光刻技術(shù)的核心器件是數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Device, DMD),它本質(zhì)上是一個由數(shù)百萬個可獨立控制的微型反射鏡組成的空間光調(diào)制器。每個微鏡對應(yīng)一個像素,通過施加電壓可以使其在"開"(+12°)和"關(guān)"(-12°)兩個狀態(tài)之間快速翻轉(zhuǎn)。在芯碩的系統(tǒng)中,激光或紫外光源發(fā)出的光束被均勻照射到DMD芯片表面,DMD根據(jù)輸入的數(shù)字化版圖圖形,控制每個微鏡的開關(guān)狀態(tài),從而將光束中的特定部分反射并會聚到投影物鏡中,最終在涂有光刻膠的晶圓或基板表面形成所需的曝光圖形。整個過程完全由計算機(jī)直接控制,實現(xiàn)了圖形的“所見即所得”。
二、 芯碩DMD無掩膜光刻系統(tǒng)的技術(shù)特點
芯碩將該技術(shù)應(yīng)用于多個場景,其系統(tǒng)通常具備以下顯著特點:
- 高靈活性:圖形由軟件直接生成和修改,無需制作物理掩膜版,特別適合研發(fā)階段的快速迭代、多品種小批量生產(chǎn)以及客戶定制化需求。
- 高分辨率與生產(chǎn)效率的平衡:通過使用高像素數(shù)的DMD芯片(如0.55英寸1080p或4K型號)和高精度投影光路,芯碩的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微米甚至亞微米級別的分辨率。由于采用面陣曝光而非傳統(tǒng)的掃描方式,在某些應(yīng)用中具有較高的吞吐效率。
- 成本效益顯著:省去了掩膜版制作、清洗、存儲和管理的高昂成本,使得小批量、多品種的芯片制造、MEMS、生物芯片、先進(jìn)封裝(如硅轉(zhuǎn)接板、RDL重布線)等應(yīng)用變得經(jīng)濟(jì)可行。
- 系統(tǒng)集成與智能化:芯碩的系統(tǒng)通常集成了高精度運動平臺、自動對焦、視覺對準(zhǔn)和工藝控制軟件,提供一體化的解決方案,便于用戶集成到現(xiàn)有產(chǎn)線或?qū)嶒炇噎h(huán)境中。
三、 主要應(yīng)用領(lǐng)域
芯碩的DMD無掩膜光刻技術(shù)并非旨在替代用于大規(guī)模CPU/GPU制造的尖端EUV光刻機(jī),而是在其優(yōu)勢領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用:
- 研發(fā)與原型驗證:高校、科研院所及芯片設(shè)計公司的前期研發(fā),可以快速、低成本地驗證設(shè)計。
- 小批量與特色工藝生產(chǎn):用于MEMS傳感器、功率器件、射頻器件、生物醫(yī)療芯片等非大規(guī)模數(shù)字芯片的生產(chǎn)。
- 先進(jìn)封裝:在扇出型封裝(Fan-Out)、2.5D/3D封裝中的硅轉(zhuǎn)接板(Interposer)制造、重布線層(RDL)光刻等環(huán)節(jié),無掩膜光刻提供了理想的解決方案。
- 印刷電路板(PCB)與顯示面板:用于高精度PCB的直寫曝光,以及OLED、Micro LED等顯示面板的制造和修復(fù)。
四、 技術(shù)挑戰(zhàn)與未來展望
盡管優(yōu)勢明顯,DMD無掩膜光刻技術(shù)也面臨挑戰(zhàn):其分辨率受限于DMD微鏡的物理尺寸和光學(xué)衍射極限,目前難以匹配最先進(jìn)的ArF浸沒式或EUV光刻;大面積、高均勻性曝光對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和校準(zhǔn)提出了極高要求。
對于芯碩而言,未來的發(fā)展方向可能在于:
- 持續(xù)提升光學(xué)系統(tǒng)的分辨率與套刻精度,向更小節(jié)點邁進(jìn)。
- 開發(fā)更高功率、更短波長的光源(如深紫外DUV)與DMD的適配技術(shù)。
- 增強(qiáng)軟件的智能化程度,集成更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、圖形處理和工藝補償算法。
- 進(jìn)一步拓展在化合物半導(dǎo)體、光子芯片、量子器件等新興領(lǐng)域的應(yīng)用生態(tài)。
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芯碩在DMD無掩膜光刻技術(shù)領(lǐng)域的深耕,代表了中國企業(yè)在半導(dǎo)體關(guān)鍵細(xì)分裝備上的自主創(chuàng)新努力。該技術(shù)以其獨特的靈活性與成本優(yōu)勢,正在成為連接芯片設(shè)計創(chuàng)新與制造實現(xiàn)的重要橋梁,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展的格局中扮演著日益重要的角色。隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場景的持續(xù)拓展,以芯碩為代表的廠商有望在這一利基市場中獲得更廣闊的發(fā)展空間。