點亮中國“芯”，這件專利會是國產光刻機的錦鯉嗎？

　　導語：

　　隨著需求越來越旺盛，工藝也越來越精細化，對光刻機的要求也越來越精密，國內光刻機市場潛力巨大。華卓精科作為中國光刻機核心零部件頂尖供應商，已經攻克高端光刻機雙工件臺這一難題，突破了荷蘭ASML公司在這一領域的技術壟斷，成為世界上第二家掌握這一核心技術的公司。目前正在開發(fā)新一代浸沒式雙工件臺，預計可以延伸至10納米工藝節(jié)點，這也為國產高端光刻機的生產迎來了曙光。

　　中美貿易大戰(zhàn)把當今最先進的半導體產業(yè)推上了風口浪尖上。半導體芯片生產主要包括IC設計、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié)。在半導體芯片的產業(yè)鏈上，前端設計環(huán)節(jié)，國際上高手如云，如Intel， 高通，博通，AMD等，國內有華為海思突破重重技術壁壘，已經研制出7nm麒麟芯片，高端芯片設計能力沖到了世界前沿水平;后端封測環(huán)節(jié)，長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技通過收購合并的方式不斷地壯大實力。整個產業(yè)鏈上，國內半導體芯片的產業(yè)發(fā)展就卡在IC制造這一塊上了。

　　圖1：IC制造圖

　　來源：方象知產研究院

　　IC制造主要包括制造晶棒、生產晶圓、晶圓涂膜、顯影和蝕刻，摻雜等，半導體線路的線寬，還有芯片的性能和功耗都與光刻工藝息息相關，光刻的耗時占到整個IC生產環(huán)節(jié)的一半左右，占芯片生產成本的1/3， 光刻在芯片制造中非常重要。光刻整個過程在光刻機上完成，光刻機就好比放大的單反，將已設計好的集成電路圖形通過光線的曝光印在光感材料上形成圖形。將數十億晶體管集成在2-3cm2的方寸之地，光刻機需達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，堪稱世界上最精密的儀器。光刻機影響到最終產品質量的核心技術指標就是分辨率、套刻精度和產率。

　　光刻的耗時占到整個IC生產環(huán)節(jié)的一半左右，占芯片生產成本的1/3。光刻整個過程在光刻機上完成，光刻機就好比放大的單反，將已設計好的集成電路圖形通過光線的曝光印在光感材料上形成圖形。將數十億晶體管集成在2-3cm2的方寸之地，光刻機需達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，堪稱世界上最精密的儀器。光刻機影響到最終產品質量的核心技術指標就是分辨率、套刻精度和產率。

　　現(xiàn)階段我國的光刻機面臨著兩大問題：

　　嚴重供不應求

　　嚴重供不應求。目前全球能生產光刻機的廠家為數不多，主要有荷蘭的ASML、日本的NIKON和CANON以及中國的上海微電子裝備公司SMEE。2017年全球晶圓需求達1160萬片，國內達到110萬片，2020年國內對12寸大硅片需求從42萬片增加到105萬片，2020年對8寸硅片需求從70萬片增加到96.5萬片，我國去年一年從西方進口芯片就超過1萬五千億人民幣，且這個趨勢還在不斷地上升。而對如此大的芯片市場，我國光刻機的設備還是以中低端為主，尤其是EUV設備的生產，處于空白狀態(tài)。ASML公司今年預計出產18臺EUV設備，明年將增長到30臺，數量極少，加之中國尖端芯片制造設備的進口受到限制，根本無法滿足中國的光刻機市場需求。而芯片的設計已經把芯片的制造甩了好幾條街，光刻機的研發(fā)跟芯片設計的節(jié)奏相差甚遠。

　　跟國際先進水平相差巨大。目前能夠生產最先進的沉浸式光刻機有ASML、尼康和佳能，佳能和尼康基本放棄EUV光刻機的研發(fā)，能夠提供EUV光刻機的目前只有ASML，也就說未來7nm以下的工藝，ASML一家獨霸天下了。ASML是光刻機領域當之無愧的龍頭老大，壟斷高端光刻機市場，占據高達80%的市場份額，是全球幾大芯片廠家的供應商。國內目前生產光刻機的有上海微電子裝備有限公司，中子科技集團公司第四十五研究所國電，合肥芯碩半導體有限公司，先騰光電科技有限公司和無錫影速半導體技術有限公司，目前代表國產化的光刻機最先進的水平就是上海微電子裝備有限公司，已經實現(xiàn)90納米的量產，還需要跨越65nm， 45nm， 32nm， 22nm， 14nm，10nm幾大技術臺階，路還很漫長。

　　國家政策和資金扶持

　　一臺EUV光刻機售價超過1億歐元，同樣，光刻機的研制成本也是非常巨大，光靠企業(yè)難以支撐。目前國家16個重大專項中的02專項(極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝專項)就提出2020年將生產22納米工藝的光刻機。國家的政策和資金的支持，也給我國光刻技術的可持續(xù)發(fā)展夯實了堅實的基礎。

　　華卓精科背負著將清華大學在02專項的高端壟斷技術成果產業(yè)化的使命，專做IC制造、光學、超精密制造等行業(yè)的整機裝備、核心子系統(tǒng)、關鍵零部件等，其中光刻機雙工件臺是華卓精科最核心主打的產品。

　　雙工件臺，指的是一片硅晶圓在一個工作臺進行光刻曝光的同時，另一片晶圓在第二個工作臺進行測量對位，這樣大幅提高工作效率與對位精度。

　　光刻機的兩大核心子系統(tǒng)雙工件臺的運動誤差必須保持在2納米以內，相當于人頭發(fā)絲直徑的四萬分之一。光刻機雙工作臺與浸沒式設備是整個行業(yè)發(fā)展的轉折點，也是近年來各梯隊的差距所在。比如之前的主要光刻設備廠商尼康和佳能，就在浸沒式光刻產品上落后于阿斯麥，直接甩到了第二梯隊。

　　從華卓精科的專利檢索可看出，華卓精科的專利申請量約1/3都與光刻工藝相關，如下圖。

　　圖2：華卓精科專利申請圖

　　來源：方象知產研究院

　　從上圖可知， G03F領域的專利申請占比最大，其專利申請主要涉及超精密加工和檢測設備，具體來說就是半導體光刻設備。華卓精科實現(xiàn)了6自由度微動工作臺，這一技術標志著國家高技術發(fā)展的水平，歐美和日本等擁有先進光刻技術的國家均把超精密微動工作臺的技術列為核心技術，嚴格限制對中國的出口。華卓精科研發(fā)成功的6自由度微動工作臺，可用于補償光刻機硅片臺的定位誤差和調平調焦的功能。

　　其次是G01B，該部分專利申請主要涉及到半導體光刻設備工作臺位移測量等，華卓精科的特色在于其提供的平面光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，不僅具有測量精度高、結構簡單和便于小型化集成等優(yōu)點，還可實現(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，能夠同時測量二個線性位移，進而將工件臺的綜合性能極致化。

　　通過技術挖掘不難發(fā)現(xiàn)，華卓精科的雙工件臺具備高精度和快速響應的特性，其技術在世界上都處于領先地位。

　　重點專利介紹

　　專利申請?zhí)枺篊N200710118130.5

　　專利名稱：一種6自由度微動工作臺

　　被引證次數：28

　　主要發(fā)明內容：本發(fā)明的微動工作臺采用并聯(lián)結構實現(xiàn)6自由度運動，具有結構簡單、緊湊、驅動質心低等優(yōu)點，采用電磁力直接驅動，不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移分辨率，其輸出推力與輸入電流之間成線性關系，運動控制技術成熟。

　　專利CN207992683U， “一種具有二級防撞保護結構的硅片臺雙臺交換系統(tǒng)”，這個就是有關華卓精科的雙工件臺的一件實用新型專利，涉及到一種6自由度微動臺的防撞結構，最大限度地減小硅片臺的尺寸和重量，并使其受力均勻，并且大提高了對硅片臺內部結構的安全防護能力。與此相對應的，還有專利Six-degree-of-freedom displacementmeasurement method for exposure region on silicon wafer stage(在硅片臺上曝光區(qū)域中的6自由度位移測量方法)，此件專利在美國申請。繼二自由度，三自由度，五自由度之后，華卓精科通過不斷地創(chuàng)新研究，在雙工件臺上的技術實現(xiàn)了6自由度位移測量，這對硅片臺調平調焦很關鍵，硅片的光刻精度提高的同時也大大降低測量的復雜性。