拒絕技術(shù)壟斷 國產(chǎn)首臺超分辨光刻機(jī)技術(shù)淺析

　　2018年11月29日，一則名為“寬刀雕細(xì)活 我國造出新式光刻機(jī)”的消息刷爆網(wǎng)絡(luò)，援引自新聞中的消息，我們可以看到，由我國中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項目“超分辨率裝備研制”通過驗(yàn)收。很多人振奮的原因在于這是我國自行研制的世界首臺利用紫外光源實(shí)現(xiàn)22nm分辨率的光刻機(jī)，這意味著我國在微電子技術(shù)領(lǐng)域再次邁出了堅實(shí)的一步，縮小了與全球在該領(lǐng)域的差距。在祝賀偉大祖國的同時，我們總結(jié)了一下目前關(guān)于這方面的學(xué)術(shù)研究，為大家淺析該技術(shù)讓所有國人為之震動，舉國歡慶的原因。

　　何為光刻機(jī)?

　　說道光刻機(jī)，就不得不說與我們生活息息相關(guān)的半導(dǎo)體芯片，在日常生活中，小到我們每天都要接觸的手機(jī)、筆記本，大到導(dǎo)彈衛(wèi)星、航天科技等高科技產(chǎn)品，其內(nèi)都包含有大量的半導(dǎo)體芯片。不客氣的說半導(dǎo)體芯片已經(jīng)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也將極大程度上促進(jìn)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。但產(chǎn)品的特性決定了半導(dǎo)體技術(shù)必須向高度集成的方向發(fā)展，集大成者——光刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

　　光刻機(jī)通又叫做掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，整個光刻過程我們可以理解為在硅片表面勻膠，然后將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移光刻膠上的過程將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時“復(fù)制”到硅片上的過程。通俗理解光刻機(jī)就是極大規(guī)模機(jī)集成電路的制造設(shè)備，其結(jié)合了光學(xué)、控制、材料、機(jī)械、測量等多領(lǐng)域的高精尖科技成果。光刻機(jī)的發(fā)展水平對于整個半導(dǎo)體芯片的集成電路以及最終性能有著決定性的作用，不夸張的說誰掌握了最高端的光刻機(jī)技術(shù)，也就掌握了當(dāng)代半導(dǎo)體制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位。由此可見，光刻機(jī)作為其中含金量最高的部分組建，在國際上的地位之重以及制造難度之大。

　　但先進(jìn)的光刻機(jī)技術(shù)一直以來都掌握在極少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中，且更新?lián)Q代的速度非常快，幾乎每兩年就會有一批新的光刻機(jī)出現(xiàn)。這對于發(fā)展中國家研究光刻機(jī)技術(shù)而言無疑的災(zāi)難性的，由于技術(shù)封鎖加上科技落后，就算致力于發(fā)展光刻機(jī)技術(shù)，往往花費(fèi)數(shù)年研制出光刻機(jī)卻已經(jīng)比國外的光刻技術(shù)晚了兩到三代的水平。這就會造成一個國家的整體科技領(lǐng)域發(fā)展要受制于人，困難重重。除了花費(fèi)高昂的價格購入先進(jìn)的半導(dǎo)體裝備外別無它路。在我國，半導(dǎo)體芯片的需求量巨大，此次成功研制出超分辨率光刻機(jī)對于國內(nèi)的半導(dǎo)體制造業(yè)而言意義重大，相信在未來必然會改變這種被動的局面。

　　“彎道超車” 原理性的勝利

　　從新聞中截取出的消息我們可以看到，此次中科院光電技術(shù)研究所研制的光刻機(jī)是在365nm波長的DUV光源下，單次曝光最高線寬分辨率達(dá)到22nm，相當(dāng)于1/17波長。對于很多略懂科技的人員來說，我們都知道22nm的光刻技術(shù)其實(shí)在幾年前就被使用，如果單拿22nm來說此次光電技術(shù)研究所的成就并不足夠震撼，但如果與全球領(lǐng)先的荷蘭ASML的尖端集成電路光刻機(jī)對比我們會發(fā)展，ASML使用的是采用EUV光刻機(jī)的13.5nm光源，加工極限為7nm，而我國的光刻機(jī)采用的是DUV下的365nm光源，加工出了22nm的分辨率，這意味這我國研制的光刻機(jī)打破了傳統(tǒng)的衍射極限，采用一種新的原理理念驗(yàn)證了表面等離子光刻加工的可行性。接下來為大家粗略解釋一下這兩種原理的光刻技術(shù)。

　　ASML光刻機(jī)光刻原理

　　上圖紅框區(qū)域?yàn)锳SML光刻機(jī)最主要的光刻過程，至于后續(xù)步驟中的檢測設(shè)備、物鏡反射等原理涉及到重復(fù)而又復(fù)雜的折射等光學(xué)原理，我們暫且不論。傳統(tǒng)光刻機(jī)的工作原理大致可以理解為在硅片表面涂上一層抗深紫外光損傷的增光型保護(hù)涂層，之后利用模板去除保護(hù)涂層表面需要光刻的區(qū)域，這就像在硅片表面形成類似圖紙一樣的結(jié)構(gòu)圖。之后利用帶有腐蝕劑的液體對硅片表面進(jìn)行侵蝕，仍涂有保護(hù)層的區(qū)域并不會受到腐蝕劑的侵蝕，而失去保護(hù)膜的部分被腐蝕后則形成電路。最后去除掉硅片表面的所有雜質(zhì)，一款硅片即光刻完成。

　　而我們看到的物鏡等系統(tǒng)作用就在于利用復(fù)雜的光學(xué)原理將模板進(jìn)行“無限小”的縮像成印，而EUV光刻機(jī)利用13.5nm的光源光刻出7nm的芯片就在于此，但受限于衍射效應(yīng)是有極限的，最終成像的分辨率等取決于波長、數(shù)值等因素，這也是目前EUV光刻機(jī)重點(diǎn)攻克的難點(diǎn)。同時，采用EUV光源的光刻機(jī)成本非常高，為攻克上述難點(diǎn)需要的成本同樣高昂。

　　國產(chǎn)超分辨率光刻機(jī)光刻原理

　　國產(chǎn)超分辨率光刻機(jī)采用的則是一種名為表面等離子光刻加工工藝，利用的是一種沿金屬表面?zhèn)鞑サ牟?，大致可以理解為?dāng)入射的光子照射在金屬表面的時候。由于光子和金屬表面的自由電子之間會相互作用，金屬表面的自由電子受到入射光子后會激發(fā)出一種震蕩狀態(tài)，這種震蕩狀態(tài)的波將就叫做表面等離子體波，這種波會隨著離開物質(zhì)表面距離的增大迅速衰減。換為普通人理解即一道光打在金屬表面會有類似球體落在地上的回彈反應(yīng)，國產(chǎn)光刻的原理即為利用這道回彈衰減的波進(jìn)行光刻，在原理上這就不在受到傳統(tǒng)衍射極限的限制。

　　光電研究所走的高分辨、大面積的技術(shù)路線采用365nmDUV紫外光的光刻機(jī)只需要幾萬元一只的汞燈即可，這也就意味著整機(jī)的成本價在百萬元-千萬元之間，成本不會太高，而性能則在DUV和EUV之間，這樣的效益對于需求量大的半導(dǎo)體芯片制造業(yè)來說意義重大。此次中國中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項目“超分辨率裝備研制”沒有沿用目前世界主流(例如ASML光刻機(jī))的光刻技術(shù)，而是采用新的光刻原理，雖然現(xiàn)階段該技術(shù)還無法應(yīng)用于我們關(guān)心的高端芯片制造行業(yè)，但在該原理下，為我國趕超國際領(lǐng)先的光刻技術(shù)提供了極大的可能性，稱其為在光刻技術(shù)這條道路上加速彎道超車一點(diǎn)都不為過。

　　雙向研究光刻技術(shù) 助力國產(chǎn)光刻機(jī)發(fā)展

　　對于很多國人而言，光刻機(jī)最近的印象應(yīng)該就是2018年4月中國向荷蘭訂購了世界上最先進(jìn)的一套極紫外光刻(EUV)設(shè)備，這是目前最昂貴和最先進(jìn)的芯片生產(chǎn)工具，單價達(dá)到1.2億美元，目前已經(jīng)交付給中國企業(yè)。在當(dāng)初一度引發(fā)轟動，很多人認(rèn)為多年來發(fā)展“中國芯”最大的技術(shù)難關(guān)得到的解決。 其實(shí)這主要源于我們在上世紀(jì)就已經(jīng)開始發(fā)展光刻技術(shù)，雖然技術(shù)與頂尖技術(shù)總是相差幾代，但差距并不大，在加上日前電子科技產(chǎn)品發(fā)展速度迅捷，技術(shù)壁壘下阻止國內(nèi)光刻技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到數(shù)十年之久，所以禁售在時間的推移下也就不攻自破。

　　通過我們上述的技術(shù)解析，其實(shí)我們已經(jīng)對此次國內(nèi)研制的超高分辨率光刻機(jī)的成功驗(yàn)收有了一次初步的認(rèn)識，不難看出，我國并沒有因?yàn)閲庀冗M(jìn)光刻機(jī)的購入而將自主研發(fā)停滯不前，而是齊頭并進(jìn)，選擇雙向發(fā)展的道路。既購入國外采用先進(jìn)光科技術(shù)的光刻機(jī)作為芯片研發(fā)的保證，也在不斷深耕屬于我們自己的全新的技術(shù)原理，打造屬于國人自己的國產(chǎn)光刻機(jī)。兩種截然不同的技術(shù)原理恰恰說明了這一點(diǎn)，雖然我們再很多領(lǐng)域都仍處于落后西方的狀態(tài)下，但沒有任何一個人說過放棄，一直都始終堅持著相關(guān)領(lǐng)域的摸索和發(fā)展，相信在不久的未來，我們不僅能夠打造出屬于我們自己的頂尖高科技芯片，而且能夠?qū)⒅袊圃斓墓饪虣C(jī)作為國際領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)銷海外。