中科院研發(fā)者回應(yīng)5納米光刻技術(shù)突破ASML壟斷

　　今年7月，在中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)上發(fā)布了一則研究進(jìn)展，中科院蘇州所聯(lián)合國(guó)家納米中心在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上發(fā)表了題為《超分辨率激光光刻技術(shù)制備5納米間隙電極和陣列》（5 nm Nano gap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究論文，介紹了該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型5 納米超高精度激光光刻加工方法。

該論文發(fā)表在《納米快報(bào)》（NanoLetters）。圖截自官網(wǎng)ACS官網(wǎng)
　　消息一經(jīng)發(fā)出，外界一片沸騰，一些媒體稱此技術(shù)可以“突破ASML的壟斷”、“中國(guó)芯取得重大進(jìn)展”，“中國(guó)不需要EUV光刻機(jī)就能制作出5納米制程的芯片”。
　　該論文的通訊作者、中科院研究員、博士生導(dǎo)師劉前告訴《財(cái)經(jīng)》記者，這是一個(gè)誤讀，這一技術(shù)與極紫外光刻技術(shù)是兩回事。
　　極紫外光刻技術(shù)解決的主要是光源波長(zhǎng)的問題，極紫外光刻技術(shù)（Extreme Ultra-violet，簡(jiǎn)稱：EUV），是以波長(zhǎng)為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。
　　集成電路線寬是指由特定工藝決定的所能光刻的最小尺寸，也就是我們通常說的“28納米”、“40納米”。 這個(gè)尺寸主要由光源波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑?jīng)Q定，掩模上電路版圖的大小也能影響光刻的尺寸。目前主流的28納米、40納米、65納米線寬制程采用的都是浸潤(rùn)式微影技術(shù)（波長(zhǎng)為134納米）。但到了5納米這樣的先進(jìn)制程，由于波長(zhǎng)限制，浸潤(rùn)式微影技術(shù)無(wú)法滿足更精細(xì)的制程需要，這是極紫外光刻機(jī)誕生的背景。
　　而中科院研發(fā)的5納米超高精度激光光刻加工方法的主要用途是制作光掩模，這是集成電路光刻制造中不可缺少的一個(gè)部分，也是限制最小線寬的瓶頸之一。目前，國(guó)內(nèi)制作的掩模版主要是中低端的，裝備材料和技術(shù)大多來自國(guó)外。
　　劉前對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說，如果超高精度激光光刻加工技術(shù)能夠用于高精度掩模版的制造，則有望提高我國(guó)掩模版的制造水平，對(duì)現(xiàn)有光刻機(jī)的芯片的線寬縮小也是十分有益的。這一技術(shù)在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上是完全自主的，成本可能比現(xiàn)在的還低，具有產(chǎn)業(yè)化的前景。
　　但是，即便這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用化，要突破荷蘭ASML（阿斯麥）（NASDAQ:ASML）在光刻機(jī)上的壟斷，還有很多核心技術(shù)需要突破，例如鏡頭的數(shù)值孔徑、光源的波長(zhǎng)等。
　　如果把光刻機(jī)想象成一個(gè)倒置的投影儀，掩模就相當(dāng)于幻燈片，光源透過掩模，把設(shè)計(jì)好的集成電路圖形投影到光感材料上，再經(jīng)蝕刻工藝將這樣的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體芯片上。

　　示意圖：電路設(shè)計(jì)圖首先通過激光寫在光掩模版上，光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面。
　　通常，每一個(gè)掩模版的版圖都不一樣，制作一枚芯片常常需要一套不同的掩模版。掩模版制作要求很高，致使其價(jià)格十分昂貴，如一套45納米節(jié)點(diǎn)的CPU的掩模版大概就需要700萬(wàn)美元。如今，隨著產(chǎn)品的個(gè)性化、小批量趨勢(shì)，致使掩模版的價(jià)格在整個(gè)芯片成本中急速飛升。
　　高端掩模版在國(guó)內(nèi)還是一項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，除了英特爾（NASDAQ:INTC）、三星（PINK:SSNLF）、臺(tái)積電（NYSE:TSM）三家能自主制造外，高端掩模版主要被美國(guó)的Photronics（NASDAQ:PLAB）、大日本印刷株式會(huì)社（DNP）以及日本凸版印刷株式會(huì)社（Toppan）（PINK:TOPPY）三家公司壟斷，根據(jù)第三方市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，這三家公司的市場(chǎng)份額占到全球的82%。

數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 制圖：陳伊凡

　　而且，這一技術(shù)如今尚在實(shí)驗(yàn)室階段，要實(shí)現(xiàn)商用還有很長(zhǎng)的路要走。ASML從1999年開始研發(fā)極紫外光刻機(jī)，到2010年才出了第一臺(tái)原型機(jī)，2019年第一款7nm極紫外工藝的芯片才開始商用，前后花了20年時(shí)間。這是一個(gè)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向商用所必須付出的時(shí)間成本。
　　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展60多年，摩爾定律基本得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于光刻機(jī)能不斷實(shí)現(xiàn)更小分辨率，在單位面積芯片上制造更多的晶體管，提高芯片的集成度。如果沒有光刻機(jī)，就沒有芯片先進(jìn)制造可言。根據(jù)第三方市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2019年全球光刻機(jī)市場(chǎng)74%被荷蘭的ASML公司壟斷。ASML也是如今全球唯一一家能夠量產(chǎn)極紫外光刻機(jī)的公司。

數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 制圖：陳伊凡

　　如何突破層層專利保護(hù)，也是要實(shí)現(xiàn)制造完全自主的光刻機(jī)的難點(diǎn)之一。極紫外光刻技術(shù)領(lǐng)域就像一個(gè)地雷密布的戰(zhàn)場(chǎng)，ASML通過大量專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，壟斷該技術(shù)。
　　一直以來，業(yè)界都在嘗試另一條技術(shù)路線，例如華裔科學(xué)家、普林斯頓大學(xué)周郁在1995年首先提出納米壓印技術(shù)，目前仍無(wú)法突破商用化的困境。

　　并且，極紫外光刻機(jī)能夠成功商用，并非僅靠ASML一家之功，它更像是一個(gè)集成創(chuàng)新的平臺(tái)，其中有將近90%的核心零部件來自全球不同企業(yè)，ASML通過收購(gòu)，打通了上游產(chǎn)業(yè)鏈，例如德國(guó)卡爾蔡司、美國(guó)硅谷光刻集團(tuán)的激光系統(tǒng)、西盟科技的紫外光源。目前沒有一個(gè)國(guó)家能夠獨(dú)立自主完成光刻機(jī)的制造，中國(guó)以一國(guó)之力，短期內(nèi)要突破ASML在極紫外光刻技術(shù)上的壟斷，幾乎是不可能的事情。
　　關(guān)鍵詞 : 中科院光刻機(jī)