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中科院光电所的“光刻机”如何与阿斯麦竞争

2019-01-10 eNet&Ciweek/轩中

对于大多数人来说,光刻机或许是一个陌生的名词,但它却是制造芯片的核心装备。作为芯片工业的母机,它的地位十分重要。当然,这个领域也是我们国家的装备制造业还没有达到世界一流水平的地方。

最近,一些媒体报道了我国在芯片制造领域取得的新进展的消息!经过近七年艰苦攻关,位于四川成都的中科院光电研究所“超分辨光刻装备研制”项目通过验收。这意味着中国有了“首台紫外超分辨光刻装备”,这一“光刻装备”被部分媒体解读为可以制造22纳米工艺制程的微电子芯片。

很多中国人为这个进展欢欣鼓舞,有人觉得中国已经在光刻机领域超越了欧美,这引起了很多的舆论混淆。

我们做了一些调研,试图还原事情的本来面目,看看中科院光电所的光刻装备如何与世界上最先进的阿斯麦光刻机竞争。

22纳米在国际上是什么水平?

光刻机是芯片制造的核心装备。我国一直在芯片行业受制于人,除了上海微电子能商品化90纳米工艺制程光刻机,其他本土企业几乎全军覆没。但上海微电子的光刻机的技术指标离阿斯麦EUV光刻机最好的指标——7纳米工艺制程还有一个数量级的距离。

因此,中国在光刻机领域主要靠进口。

荷兰的阿斯麦(ASML)是目前全球最大的光刻机生产商,这家公司脱胎于飞利浦集团。在中高端光刻机市场,阿斯麦公司占据大约60%的市场份额;而在最高端的光刻机市场,阿斯麦公司大约占据90%的市场份额。飞利浦公司是阿斯麦公司的大股东。飞利浦与阿斯麦同时也是中国台湾的芯片代工企业台积电的重要股东。所以,从这里可以看出,台积电与阿斯麦在股权结构上有深刻的联系——所以一般来说,我国内地的光刻机要比我国台湾的台积电落后2到3年。

目前,阿斯麦出品的光刻机,性能最好的是7纳米。而中科院推出的“光刻机”(不是商品化仪器,只能算“原理样机”)是22纳米,显然在技术指标上还不能与国际上最先进的7纳米相提并论。这中间的差距是比较大的,没有多年的时间是弥补不上这个差距的,所以,现在没有理由认为中国的光刻机技术已经超越了欧美,更不能盲目自大。

决定芯片的工艺制程的关键因素

现在科技界比较关心的是芯片的工艺制程,也就是大家说的7纳米或者22纳米这些关键技术参数。

数字7比22小,这说明7纳米的芯片的电路更细致,同样面积上可以放置更多的微电子电路,所以7纳米芯片是目前芯片的最好工艺制程。显然整个光刻机的性能可以决定芯片的工艺制程,但主要的决定因素是光刻机的光学成像分辨率。

但是,对光刻机说,光学成像分辨率受到物镜孔径和光源波长的限制,所以要提高芯片的工艺制程,传统的思路是增大物镜孔径和缩短光源的工作波长。这两个方法都受到现实状况的约束,比如物镜的孔径不可能无限增加,因为光刻机的机械尺寸不可能无限扩大。而光源的波长已经从紫外(波长小于380纳米,大于200纳米)走到了深紫外(波长小于200纳米),再朝外走就是X射线波段了。阿斯麦光刻机的紫外光的光源一般是激光器,比如2013年阿斯麦的EUV光刻机研发成功,当时使用的光源是波长为193纳米的准分子ArF激光,使用这种激光光源的光刻机能达到22纳米的工艺制程。当然了,如果换成波长更短的13.5纳米深紫外线光,那么就可以做到7纳米的芯片制程——这样一台光刻机售价至少1亿美元。

显然,如果采用传统的紫外激光光源的做法,那么中科院光电所的光刻机是很难与阿斯麦的光刻机竞争。因为阿斯麦已经在这个领域深耕多年,技术积累非常雄厚,而且资本相当充裕。

中科院光刻机走的是另外一个技术路线

中科院的这个“光刻机”项目并不是正面与阿斯麦较量,而是走了一条不一样的技术路线,这里面至少有2个不同点。

第一个不同点在于光源的不同。阿斯麦的光刻机都采用的是激光光源,这些激光光源都比较昂贵。而中科院的“光刻机”采用的光源不是激光,而是汞灯。

汞就是水银,高压汞灯可以发出紫外光,而且价格相对紫外激光器来说要便宜很多。正因为光源价格上的绝对优势,所以中科院的“光刻机”在一定程度上是可以有市场优势的。这是值得肯定的。中科院光电所的这台光刻设备采用的是汞灯365纳米波长光源,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米。这一做法相当于是用一支很粗的毛笔写出了蝇头小篆,所以背后必须有别的技术来支撑——这就是以下要说的第二个不同点。

第二个不同点就是中科院光电所的这条技术路线与“表面等离子体波”有关。表面等离子体波是当紫外光线以一定的角度打上金属表面的时候产生的波,这种波能吸收入射光的能量,从而显著降低反射光的能量,利用表面等离子体的短波长特性可以获得超衍射聚焦光斑,这个可以应用到超衍射纳米光刻中。这才是中科院光电研究所超分辨光刻的核心技术。该技术利用微纳结构边际作为掩模图形,对表面等离子体进行有效激发,其采用汞灯光源就可以获得了特征尺寸小于30纳米的超分辨光刻图形。

这里需要强调的是,中科院的这个“光刻机”的技术路线确实“绕过国外相关知识产权壁垒。”

但从某种意义上,中科院的“光刻机”就好像是一个还需要母乳喂养的新生婴儿,而阿斯麦的光刻机好像是一个已经可以自食其力的成年人。现在还不能说这个新生的婴儿一定会比阿斯麦成年人要优秀,我们只能花至少10多年的时间去等待这个婴儿的成长。

中科院光电所的“光刻机”还不能产业化微电子芯片

中科院光电所的光刻设备目前还没有商品化,所以与阿斯麦的光刻机还不构成直接的市场竞争。中国的芯片产业受制于国外光刻机的局面在短期内还不能被改变。

而且,更为重要的是,中科院光电所的光刻设备不单单是用来做芯片的,其实它的用途更为分散。这个设备为中国航天科技集团第八研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所、电子科技大学、四川大学华西二院、重庆大学等多家单位制备了一系列纳米功能器件,包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等,验证了超分辨光刻装备纳米功能器件(非IC芯片)加工能力,已达到实用化水平。

所以请注意,这里提到的应用是做纳米功能材料,可不完全是做微电子芯片。因此不能把中科院光电所的这个光刻设备简单定义为它就是一台专门用来做芯片的“光刻机”。从某种意义上来说,它更像是一种表面等离子体分析仪器。例如在生化传感芯片方面,通过超分辨光刻装备制备的纳米传感器件,可以实现对目标分子的高灵敏探测,避免检测过程中的接触污染,在早期癌症诊断技术方面能有所帮助。在国外确实有相关的商品化分析仪器与之类似。

目前,该装备还不具备微电子芯片的制造能力。而且有知情人士表示,从目前的技术能力来看,目前的这套光刻设备,对于微电子芯片的光刻,也只能做周期的线条和点阵,是无法制作复杂的芯片所需要的非周期性图形。

中科院光电所对光刻技术的探索是有价值的,因为他们探索了不同的技术路线,而且可以将这套设备用到芯片之外的领域,所以也许他们能在其他领域带来意想不到的产业价值。另外一方面也值得注意,其实,在目前这个时代,摩尔定律其实已经开始失效,比7纳米更小刻线的光刻机的制造越来越难,阿斯麦公司的光刻机虽然技术一流,但在未来,传统的光刻机已经不受摩尔定律的左右,更小工艺制程的光刻机的竞争其实已经意义不大。

(文/轩中)

 

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