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    •   中外光刻机差距巨大
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安芯半导体光刻机国产化率达70%?企业媒体不应打鸡血糊弄

2020/09/02
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此前,媒体报道福建安芯半导体已实现国产光刻机已成功出货,国产化率达到了 70%。在光刻机高度依赖 ASML 等外商的情况下,福建安芯半导体如果真能实现 70%国产化率,那绝对是大功一件。

铁流查了一下发现安芯半导体其实是做二手光刻机翻新改造的,因此,这则新闻没准有一定水分,比如这个出货的光刻机到底是前道光刻机还是后道光刻机没说清楚,也没说清楚这个光刻机是用于芯片制造还是用于液晶面板制造。至于 70%国产化率,新闻稿里也没有进一步说明。当下,本土光刻机与 ASML 还是存在很大差距的,这种含糊其辞,略带些诱导和打鸡血的新闻报道并不可取。

 
中外光刻机差距巨大

光刻机被称为人类最精密复杂的机器,业界将其誉为集成电路产业皇冠上的明珠,研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此,能生产高端光刻机的厂商非常少,到最先进的 5/7nm 光刻机就只剩下 ASML,日本佳能和尼康已经基本放弃 EUV 光刻机的研发。

目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰 ASML,并已经占据了高达 80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场。ASML 最先进的 EUV 光刻机售价曾高达 1 亿美元一台,且全球仅仅 ASML 能够生产。Intel、台积电、三星都曾经是它的股东,Intel、三星的高端光刻机都是买自 ASML,格罗方德、联电以及中芯国际晶圆厂的光刻机主要也是来自 ASML。

相比之下,国内光刻机厂商则显得寒酸,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备,对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利影响——ASML 在向国内晶圆厂出售光刻机时有限制性条款。
 

光源、物镜目前还无法完全摆脱进口依赖

光源是光刻机的核心部件之一。在光刻机改进中,所使用的光源也不断改进发展:

第一代是 436nm g-line。

第二代是 365nm i-line。

第三代是 248nm KrF。

第四代是 193nm ArF。

最新的是 13.5nm EUV。

目前,在集成电路产业使用的中高端光刻机采用的是 193nmArF 光源和 13.5nmEUV 光源。

193nmArF 也被称为申紫外光源。使用 193nmArF 光源的干法光刻机,其光刻工艺节点可达 45nm,采用浸没式光刻、光学邻近效应矫正等技术后,其极限光刻工艺节点可达 28nm。

浸没式光刻是指在物镜和硅片之间增加一层特殊的液体,由于液体的折射率比空气的折射率高,因此成像精度更高。因此,也就有了浸没式光刻的叫法。

而当工艺尺寸缩小到 22nm 时,则必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而使用两次图形曝光,会带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升,另一个是工艺的循环周期延长。因而,在 22nm 的工艺节点,光刻机处于 EUV 与 ArF 两种光源共存的状态。

对于使用液浸式光刻+多次图形曝光的 ArF 光刻机,工艺节点的极限是 10nm,之后将很难持续。EUV 光刻机,则有可能使工艺制程继续延伸到 5nm。

局部有亮点

虽然总体差距很大,但在局部,国内还是有亮点的。

在双工台方面,国内取得了突破。过去,光刻机只有一个工作台,所有流程都在一个工作台上完成。双工件台系统的出现,使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下,当一个工作台在进行曝光工作的同时,另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作,使得光刻机的生产效率提高大约 35%。ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻机,分辨率小于 22nm,生产效率可以达到 125 片 / 小时。

虽然看起来仅仅是加一个工作台,但技术难度却不容小觑——对换台的速度和精度有非常高的要求,如果换台速度慢,则影响光刻机工作效率;如果换台精度不够,则可能因此而影响了后续扫描光刻等步骤的正常开展。

现今技术成熟的双工件台系统主要是导轨式,驱动方式主要分为气浮驱动和磁悬浮驱动。目前,ASML 公司已成功研发了磁悬浮工件台系统,使得系统能够忽略摩擦系数和阻尼系数,其加工速度和精度是机械式和气浮式工件台所无法比拟的。

不仅如此,ASML 公司基于磁悬浮工件台的基础,研发了无导轨式的平面编码磁悬浮工件台系统,通过平面编码器对工作台进行精确定位,进一步提升了精度。此前,国内α光刻样机的双工件台系统取得突破,采用导轨式磁悬浮系统,关键技术指标已达到国际同类光刻机双工件台水平。

中国在激光技术上颇有成就,国内有的单位用汞灯做光源,还由单位研发出了独一无二的固态深紫外光源,但目前,固态深紫外光源还并未用于光刻机制造,在光源上还无法彻底摆脱进口。此前,成都光机所的国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收,SP 光刻机采用汞灯(365nm i-line)做光源,光刻分辨力达到 22nm,结合多重曝光技术后,可用于制造制程小于 10nm 的芯片。就技术路线来说,SP 光刻机另辟蹊径,没有采用国外主流方案,走出一条自己的路。不过,SP 光刻机只能加工小尺寸芯片,只能加工特殊领域芯片,不适合商用,无法替换 ASML 的光刻机。

稳扎稳打 真抓实干

当下,在半导体领域中外差距是比较明显的,需要较长的时间去追赶,媒体和企业在报道中应当说真话,不能搞打鸡血报道煽动民粹,不能把爱国当生意做,不能把爱国百姓当韭菜收割。企业和媒体不要动辄“2 年会战搞定 5nm 生产线”,或是搞一个具有诱导性的话术。还是应该求真务实,实事求是,稳扎稳打,真抓实干。

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