光刻機(jī)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)接近世界先進(jìn)水平，9nm線寬光刻實(shí)現(xiàn)突破

　　SEMICON China 2017開(kāi)幕日即3月14日，上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司(后簡(jiǎn)稱“SMEE”)宣布，SMEE 與荷蘭公司 ASML 簽署戰(zhàn)略合作備忘錄(MoU)，為雙方進(jìn)一步的潛在合作奠定了基礎(chǔ)。

　　根據(jù)這項(xiàng)合作備忘錄，ASML 和 SMEE 將探索就 ASML 光刻系統(tǒng)的特定模塊或半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行采購(gòu)的可能性。此次MoU的簽署代表 ASML 繼日前與上海集成電路研發(fā)中心(ICRD)宣布合作之后，進(jìn)一步深入?yún)⑴c中國(guó)的IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　光刻機(jī)被稱為“人類最精密復(fù)雜的機(jī)器”，制造光刻機(jī)更被比作是在微觀世界里“造房子”——成像系統(tǒng)由幾十個(gè)直徑為200~300毫米的透鏡組成，定位精度都是納米級(jí)。微米級(jí)的瞬時(shí)傳輸控制技術(shù)，猶如兩架空客以1000/小時(shí)公里同步高速運(yùn)動(dòng)，在瞬間對(duì)接穿針引線;玻璃鏡面加工等精度，誤差不會(huì)超過(guò)0.5毫米。

　　為了在更小的物理空間集成更多的電子元件，單個(gè)電路的物理尺寸越來(lái)越小，主流光刻機(jī)在硅片上投射的光刻電路分辨率達(dá)到50-90nm。超高的技術(shù)難度使得光刻機(jī)在全世界集成電路設(shè)備廠商中形成了極高的技術(shù)門檻，據(jù)了解，當(dāng)今世界能夠擁有這種技術(shù)、生產(chǎn)這種產(chǎn)品的只有兩三個(gè)國(guó)家的兩三家公司。以ASML 公司最先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)為例，售價(jià)高達(dá) 1 億美元，而且只有 ASML 能夠生產(chǎn)。

　　在光刻機(jī)領(lǐng)域，SMEE 取得了重要突破，并在先進(jìn)封裝光刻機(jī)產(chǎn)品方面形成了系列化和量產(chǎn)化，在國(guó)際同類產(chǎn)品中處于先進(jìn)水平，還實(shí)現(xiàn)了光刻機(jī)海外市場(chǎng)的銷售突破。SMEE 也被列入國(guó)家發(fā)改委 2016 年 1 月底公布的國(guó)家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心名單。

　　目前，由于國(guó)內(nèi)集成電路生產(chǎn)企業(yè)沒(méi)有 20nm 以下的生產(chǎn)工藝能力，加上 ASML EUV光刻機(jī)價(jià)格昂貴、產(chǎn)能有限，還沒(méi)有安裝 ASML EUV 機(jī)臺(tái)，在國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)上與之差距太大，根本無(wú)法在高端市場(chǎng)上參與競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重制約了我國(guó)微電子信息工業(yè)的發(fā)展。據(jù)報(bào)道，近年來(lái)我國(guó)每年集成電路產(chǎn)品進(jìn)口金額與每年原油進(jìn)口金額大致相當(dāng)，每年已經(jīng)超過(guò) 2000 億美元，如何改變集成電路制造受制于人的局面是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)研發(fā)的主要目標(biāo)。

　　2002年，光刻機(jī)被列入國(guó)家 863 重大科技攻關(guān)計(jì)劃，由科技部和上海市共同推動(dòng)成立上海微電子裝備有限公司來(lái)承擔(dān)，2008年國(guó)家又啟動(dòng)了“02”科技重大專項(xiàng)予以銜接持續(xù)攻關(guān)。經(jīng)過(guò)十幾年潛心研發(fā)，我國(guó)已基本掌握了高端光刻機(jī)的集成技術(shù)，并部分掌握了核心部件的制造技術(shù)。

　　國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn) 9nm 線寬光刻

　　2016年底，華中科技大學(xué)國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室目前利用雙光束在光刻膠上首次完成了 9nm 線寬，雙線間距低至約 50nm 的超分辨光刻。未來(lái)將這一工程化應(yīng)用到光刻機(jī)上可以突破國(guó)外的專利壁壘，直接達(dá)到 EUV 的加工水平。

　　2014年10月瑞典皇家諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)決定將當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予打破光學(xué)衍射極限發(fā)明超分辨率光學(xué)顯微技術(shù)的三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诔直媛使鈱W(xué)成像方面的卓著貢獻(xiàn)。其中斯蒂芬·黑爾教授發(fā)明的STED超分辨技術(shù)采用二束激光，一束激發(fā)激光(Exciting Laser Beam)激發(fā)顯微鏡物鏡下的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，另外一束中心光強(qiáng)為零的環(huán)形淬滅激光(Inhibiting Laser beam)淬滅激發(fā)激光產(chǎn)生的熒光。這兩束光的中心重合在一起，使得只有處于納米級(jí)環(huán)形淬滅激光中心處的熒光分子才能正常發(fā)光，通過(guò)掃描的辦法就可以得到超越衍射極限的光學(xué)成像。

　　遵循這個(gè)思路，華中科技大學(xué)國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室的甘棕松教授在國(guó)外攻讀博士學(xué)位期間，采用類似方法在光刻制造技術(shù)上取得進(jìn)展，成功突破光學(xué)衍射極限，首次在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記錄的單線 9nm 線寬，雙線間距低至約 50nm 的超分辨光刻。未來(lái)將這一技術(shù)工程化應(yīng)用到光刻機(jī)上，能夠突破光學(xué)衍射極限對(duì)投射電路尺寸的限制從而實(shí)現(xiàn)超分辨光刻，有望使國(guó)產(chǎn)集成電路光刻機(jī)擺脫一味采用更短波長(zhǎng)光源的技術(shù)路線。

　　采用超分辨的方法突破光學(xué)衍射的限制，將光聚集到更小的尺寸，應(yīng)用到集成電路光刻可以帶來(lái)兩個(gè)方面的好處：一方面可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，不再需要采用更短波長(zhǎng)的光源，使得光刻機(jī)系統(tǒng)造價(jià)大大降低;另外一方面采用可見(jiàn)光進(jìn)行光刻，可以穿透普通的材料，工作環(huán)境要求不高，擺脫 EUV 光源需要真空環(huán)境、光刻能量不足的羈絆。

　　與動(dòng)輒幾千萬(wàn)美元的主流光刻機(jī)乃至一億美元售價(jià)的 EUV 光刻機(jī)相比，超分辨光刻硬件部分只需要一臺(tái)飛秒激光器和一臺(tái)普通連續(xù)激光器，成本只是主流光刻機(jī)的幾分之一。該系統(tǒng)運(yùn)行條件比紫外光刻溫和得多，不需要真空環(huán)境，不需要特殊的發(fā)光和折光元器件，和一般光刻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)僅僅是引入了第二束光，系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)上改動(dòng)比較小，光刻機(jī)工程化應(yīng)用相對(duì)容易，有希望使國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)在高端領(lǐng)域彎道超車、有所突破。

　　國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)正面臨空前機(jī)遇

　　綜觀全球半導(dǎo)體設(shè)備與材料市場(chǎng)，每年約 800 億美元，現(xiàn)狀幾乎是美國(guó)壟斷設(shè)備，日本掌控材料，除了歐洲的 ASML 光刻設(shè)備之外，連中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)與韓國(guó)的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率也很低。兩者多次設(shè)立目標(biāo)想要提升，但受限于工業(yè)基礎(chǔ)，實(shí)際上進(jìn)展也很緩慢。相比之下，在中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展中，更嚴(yán)峻的態(tài)勢(shì)是所用的設(shè)備與材料，幾乎 90%以上都需要進(jìn)口。

　　SEMI全球副總裁、中國(guó)區(qū)總裁居龍就多次指出，目前中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料占全球市場(chǎng)份額不足1%，嚴(yán)重制約著國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)的自給和健康發(fā)展。

　　根據(jù) SEMI 的預(yù)測(cè)，2016年至2017年間，綜合8英寸、12英寸廠來(lái)看，確定新建的晶圓廠就有19座，其中中國(guó)大陸就占了10座。半導(dǎo)體前道設(shè)備的銷售額，全球2013年為318.2億美元，2015年為365.3億美元，2016年為396.9億美元，預(yù)測(cè)2017年為434億美元，中國(guó)部分可達(dá)69.9億美元(包括外資在中國(guó)的投資)。

　　近期中國(guó)的芯片制造業(yè)進(jìn)入又一輪擴(kuò)充產(chǎn)能的高潮。從中芯國(guó)際在上海、深圳以及天津的擴(kuò)建，到華力微的二期建設(shè)，加上長(zhǎng)江存儲(chǔ)、福建晉華以及紫光南京成都的存儲(chǔ)器項(xiàng)目，在這樣的大好形勢(shì)下，加上國(guó)家有鼓勵(lì)采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的補(bǔ)助政策，像中微半導(dǎo)體這樣的中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)迎來(lái)又一個(gè)“春天”。

　　中微半導(dǎo)體設(shè)備有限公司，作為國(guó)內(nèi)集成電路裝備制造骨干企業(yè)，擁有三大高端設(shè)備產(chǎn)品系列，是我國(guó)集成電路裝備業(yè)界的龍頭、標(biāo)桿和旗幟。中微研發(fā)的介質(zhì)刻蝕機(jī)是半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中關(guān)鍵核心裝備之一，市場(chǎng)一直為美日等企業(yè)壟斷，其28nm-15nm的耦合等離子體介質(zhì)刻蝕機(jī)去年獲得了中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)金獎(jiǎng)，產(chǎn)品出口額占我國(guó)泛半導(dǎo)體設(shè)備出口額的僅 8 成，擁有臺(tái)積電、英特爾等客戶。

　　中微刻蝕機(jī)的研發(fā)成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，跟上國(guó)際技術(shù)發(fā)展步伐，明顯提升我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)能級(jí)，并可改變我國(guó)集成電路生產(chǎn)企業(yè)受制于人的局面，對(duì)于搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義。

　　根據(jù)行業(yè)權(quán)威研究機(jī)構(gòu) Gartner 最新發(fā)布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，中微公司介質(zhì)刻蝕設(shè)備市場(chǎng)占有率從 2013 年的全球第 6 位提升到 2014 年的全球第 4 位?？紤]到 Mattson 公司僅提供低端刻蝕設(shè)備，中微公司在高端介質(zhì)刻蝕設(shè)備領(lǐng)域已經(jīng)躋身全球三強(qiáng)。由于中微生產(chǎn)的等離子刻蝕機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在晶圓制造廠批量生產(chǎn)，2015年2月5日，美國(guó)商務(wù)部取消了對(duì)等離子干法刻蝕設(shè)備的出口限制。

　　2015年，中微半導(dǎo)體獲得國(guó)家集成電路基金的4.8億元投資，這是繼長(zhǎng)電科技后，國(guó)家集成電路基金出手的第二次投資，也是上海半導(dǎo)體行業(yè)獲得的第一筆國(guó)家基金投資。