国产22纳米光刻机不能用于刻芯片

验收会上也有记者问:该光刻设备能不能刻芯片,打破国外垄断?光电所专家回答说,用于芯片需要攻克一系列技术难题,距离还很遥远。

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昨天,又一篇文章刷爆了半导体人的朋友圈。

据军报记者成都报道,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”29日通过验收,这是我国成功研制出的世界首台分辨力最高紫外超分辨光刻装备。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制,光刻分辨力达到22纳米,结合多重曝光技术后,可用于制造10纳米级别的芯片。详情可看半导体行业观察昨日的报道《国产超分辨光刻装备通过验收,可加工22纳米芯片》

这则消息出来了以后,不但让整个媒体界疯狂,类似“中国光刻机终于突破了欧美限制”、“中国集成电路最关键领域终于突破”之类报道也频频见于各个微信圈和好友的朋友圈,也有不少的行内朋友问半导体行业观察记者,这个产品是否是真的那么厉害。

在经过和行业内专家进行了一番交谈之后,本文将对这个报道和产品进行一个全面的解析。在开始之前,先纠正一下文章开头出现的常识性描述:

行业内专家告诉记者,文章开头谈到的“光刻分辨力达到22纳米,结合多重曝光技术后,可用于制造10纳米级别的芯片”的说法是错误的。

他指出,如果真的能做22nm的线宽,不用多次成像了,单次曝光就可以做10nm了。因为就design rule而言,10nm的metal层最紧的也只有44nm pitch,22nm CD,一次成像就够用了。就算是poly 66nm pitch,单次成像也足够了。

况且10nm的Fin 本来就要用SAQP也只需要单次曝光,现在可以回到14nm的SADP,Fin pitch一般是36nm和33nm,所以真能做的22nm线宽,44nm pitch,做啥layer都可以只用一次就够了。

下面我们从技术面入手,解构这个产品和报道。

一、这是个什么技术?

在文章中,作者已经提到,这个设备采用的是什么技术。他在文章中写到:“中科院光电所此次通过验收的表面等离子体超分辨光刻装备,打破了传统路线格局,形成了一条全新的纳米光学光刻技术路线,具有完全自主知识产权,为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性领域的跨越式发展提供了制造工具”。

所谓表面等离子体超分辨光刻,也就是surface plasma,我们也把其称之为表面等离子超衍射光刻,这是最近十几年兴起的新技术。据行业人士告诉半导体行业观察记者,这种光刻的工作原理是入射光照射在透镜表面的小探针上,从而激发产生plasma,产生波长非常短的等离子体,然后在光刻胶上刻出非常小的图形。

图0:国产22纳米光刻机不能用于刻芯片

传统的光刻原理图

关于这个技术,中科院王长涛、赵泽宇、高平、罗云飞和罗先刚在其写于2016年的一篇名为《表面等离子体超衍射光学光刻》的文章中提到:由于光波衍射特性,传统光学光刻面临分辨力衍射极限限制,成为传统光学光刻技术发展的原理性障碍。表面等离子体(surface plasmon,SP)是束缚在金属介质界面上的自由电子密度波,具有突破衍射极限传输、汇聚和成像的独特性能。

近年来,通过研究和利用SP超衍射光学特性,科研人员提出和建立了基于SP的纳米干涉光刻、成像光刻、直写光刻等方法,在紫外光源和单次曝光条件下,获得了突破衍射极限的光学光刻分辨力。

目前,基于SP成像结构,实验中获得了22 nm(-1/17波长)最高SP成像光刻线宽分辨力水平。SP将为发展高分辨、低成本、高效、大面积纳米光学光刻技术提供重要方法和技术途径。

但这真的是能应用到现在的产线上吗?

二、真能应用到IC制造产线上吗?

在某些媒体的报道中,这个装备的出现,打破了国产光刻机的空白,可以打破XXX公司的垄断,但很遗憾,这是一个误解。行内人士告诉半导体行业观察记者,这个技术和我们熟悉的半导体集成电路完全无关,无法应用在集成电路领域。

他指出,SP光刻的主要缺点就是聚焦的面积非常小,属于接触式光刻,一点点的defect缺陷就会造成成像品质的问题,因为是直写式光刻,所以生产效率很低,只能作为E beam光刻的竞争对手,适用于特殊应用,类似的应用范围是光纤领域,5G天线,或者是他们自己演示的用于科研领域的单光子探测器。这对于实验室科研,军工,有一定的意义,可以一定程度上替代现在的e beam光刻。

另一方面,这个技术也具有图形粗糙度糟糕的特点,从他们演示的图形就可以看到LWR粗糙,歪歪斜斜,图像保真度非常低,只能作为技术验证,不能作为真实生产,更不要说量产可能了。

图1:国产22纳米光刻机不能用于刻芯片

超分辨光刻设备加工的4英寸光刻样品

在交谈的过程中,他多次强调了这个技术和我们熟悉的半导体集成电路完全无关,无法应用在集成电路领域这个技术对于集成电路的光刻需求的不适用。

图2:国产22纳米光刻机不能用于刻芯片

国外使用SP光刻技术做的效果,明显好于中科院

再者,这一技术并非中国首创,国外有很多实验室也做出了成品验证机,效果还优于中科院,甚至都达不到国际领先的程度。

三、媒体误导还是有意为之?

这个新闻出来了以后,引发了媒体和群众的广泛讨论,在水木社区我们也看到了一个转载自知乎的、自称光电所的人的回复,回复中说到:

我就是光电所的,我们这个设备实现了激光束22纳米(国内肯定是领先的,当然国际上落后),可以做简单的线,点,光栅部件,拿来做刻芯片这种超级复杂的ic制造是完全没有可能的,那个难度是画简单线的十万倍,因为还需要高精度镜头和高精度对准技术,我们这个设备立项本来就不是拿来刻芯片的,有人说我们骗,我们光电所什么时候宣传过这个设备可以刻芯片了?都是外界一些什么都不懂的外行,包括媒体,一厢情愿的以为这个就是芯片厂的光刻机,和我们没有任何关系。饭要一口一口吃,我们已经是国内做得最好的了。

图3:国产22纳米光刻机不能用于刻芯片

笔者在知乎上找不到相关回答,也没求证过回答者的身份。但假设这个答主真的是光电所的人,这样直接甩锅给媒体的说法,笔者是有点不认同的。

在他们的的报道原文里,标题是《我国成功研制出世界首台分辨力最高紫外超分辨光刻装备》,这真的是世界上“首台吗”?至少我们从行内人士嘴里听到的答案,是否定的。当然我们也不敢保证我们是准确的,但从我的从业经验看来,一个经过采访,理应经过市场部审核的文章,应该尽量少出现“首次”这种词,毕竟在我们媒体眼里看到这个词的时候,是另一个不同感受。

另一方面,据笔者了解,文章中的某位作者曾经是光刻行业的从业人员,对于文章中的出现的“笔误”难道没察觉到?

不过在文章最后,我们必须声明一下,我们是支持并赞同这种创新的,正如上面的自称光刻所某人所说,在国内来说,应该绝对是领先的。另一方面,国产SP光刻的进步,对于我们的研究有很重要的意义。

据行业人士告诉半导体行业观察记者,现在实验室中,经常用到ebeam光刻来做研究,如华为的5G开发,就需要用到ebeam光刻来做天线。但在最近一年多里,因为受到禁运的影响,已经一年多拿不到e beam光刻胶了,国内很多研究就不能进行下去了。而SP光刻的进步,也许就能取代ebeam的作用,毕竟这个技术对光刻胶要求没那么高。

但在笔者看来,希望以后国内的专家在源头报道或者讲述这些技术的时候,一定要向执笔者讲述清楚这个技术的具体意义和差距,别用模棱两可的词语,让媒体有机会误解。这对我国的整个集成电路产业来说,也是有积极意义的。

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