中科院研制光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

华为的麒麟980芯片自己生产不了,需要台积电代加工。台积电之所以能生产,是因为它的7nm工艺,来自荷兰ASML(阿斯麦)公司生产的EUV光刻机。这种设备目前全世界只有这一家公司能生产。

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国产芯片谁最厉害?

华为的麒麟980芯片现在已经是世界一流,但自己生产不了,不只是自己,整个中国大陆也没人能生产。需要台积电代加工。台积电之所以能生产,是因为它的7nm工艺,来自荷兰ASML(阿斯麦)公司生产的EUV光刻机。这种设备目前全世界只有这一家公司能生产。

图0:中国光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

图源:中国进出口网

作为集成电路制造过程中最核心的设备,光刻机至关重要,芯片厂商想要提升工艺制程,没有它万万不行。

问题的关键在于:长期以来,一直传言——受西方《瓦森纳协议》的限制,中国只能买到ASML的中低端产品,出价再高,也无法购得ASML的高端设备。虽然ASML去年正式澄清其最高端的EUV光刻机要进口到中国大陆完全没有问题,但西方对中国在高端技术装备方面的限制一直存在。

小编认为,ASML松口的原因可能有两个:一是中国在光刻机方面一直在不断取得进步;二是全球半导体版图位移,中国的市场越来越大。

无论什么原因,自己掌握核心技术才是最靠谱的。“中兴被禁事件”已经让我们再一次痛醒。

昨天,激动人心的时刻终于来了!

图1:中国光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

由中国科学院光电技术研究所承担的国家重大科研装备——超分辨光刻装备项目29日在成都通过验收。作为项目重要成果之一,中国科学家已研制成功世界上首台分辨力最高的紫外(即22纳米@365纳米)超分辨光刻装备,并形成一条全新的纳米光学光刻工艺路线,具有完全自主知识产权。

中科院光电所所长、超分辨光刻装备项目首席科学家罗先刚研究员介绍说,2012年,该所承担了超分辨光刻装备这一国家重大科研装备项目研制任务,经过近7年艰苦攻关,在无国外成熟经验可借鉴的情况下,项目组突破了高均匀性照明、超分辨光刻镜头、纳米级分辨力检焦及间隙测量和超精密、多自由度工件台及控制等关键技术,完成国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备研制,其采用365纳米波长光源,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米(约1/17曝光波长)。在此基础上,项目组还结合超分辨光刻装备项目开发的高深宽比刻蚀、多重图形等配套工艺,实现了10纳米以下特征尺寸图形的加工。

图2:中国光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

简单总结一下:

1、达到国际领先水平。

可能有俱友会问:现在最先进的不是7nm吗?这是两个概念,7nm是工艺制程,靠多次曝光实现,其生产平台也是22nm的分辨率。我们的设备也“实现了10纳米以下特征尺寸图形的加工”。

2、全新的纳米光学光刻工艺路线,具有完全自主知识产权。

这一点非常重要,意味着我们绕过了专利壁垒。要知道现有的工艺路线演进,已经被台积电、三星、英特尔等几大巨头申请了专利,后来者已经无路可走了。硬要走就面临着侵权风险。中芯国际曾两次被台积电起诉侵权,先后赔偿数亿美元。

这件事儿有多牛?

那你得先了解一下光刻机制造有多难

光刻机,被称为现代光学工业之花,其制造难度之大,全世界只有少数几家公司能够制造:ASML、尼康、佳能。但在高端光刻机领域,基本上是ASML一家独大。价格也极其感人——中芯国际向阿斯麦下单了一台EUV(极紫外线)光刻机,高达1.2亿美元

为什么只有ASML能造?

ASML是从飞利浦独立出来的半导体部门,出生名门,有技术积累。它集众所长,90%的零部件都采购自外界,保证能用到各方面最新的技术。研发投入巨大,它是欧洲人均科研经费排名第二的公司。最重要的是敢于探索。沉浸式光刻机、EUV光刻机等革新换代的技术都是它先行尝试的。以最新的EUV光刻机为例,当初能不能研发成功还是个未知数,如果研发失败,ASML就可能被拖垮。但它想方设法吸收了英特尔、三星、台积电几大客户入股,共同承担风险,最终获得成功,独占高端市场。

光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。

图3:中国光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

图源:电子发烧友网

位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。一个镜片,就得十几万美元。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。

现在最先进的EUV光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极为复杂。

比如,反射镜面要求极高,瑕疵仅以pm(nm的千分之一)计。这是一个什么概念?若把反射镜放大到整个德国,需要保证最高的凸起处不超过1厘米。

机械精度要求高到不可思议。光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,动作误差需要以皮秒(兆分之一秒)计,而两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。

打个比方:相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。

由于EUV的能量极高且破坏力极强,对于操作的要求也非常苛刻,同时EUV会受到空气的干扰,因此需要在真空环境中作业。

……

这么难的东西,中国科学家做到了。不仅做到了,而且是独辟蹊径,走出了完全不同的另外一条路:打破了传统光学光刻分辨力受限于光源波长及镜头数值孔径的传统路线格局,形成了一条全新的超衍射纳米光刻从原理、装备到工艺的技术路线。

以下是知乎上摘抄的一些网友的评论

知乎网友:

首先应该是原理上的一大创新,用相对较长(能量应该是较低)的光源就能达到很好效果,这是个大突破,不过这样的技术未来能否顺利地带来革命性的进步是个问题,毕竟ASML目前正在研究如何突破3nm甚至是1nm的工艺

其次,我们面对的是ASML,这个西方半导体工业的集大成者的垄断,未来他们会不会在其他方面作出更好的,甚至掀桌子绕过硅材料半导体呢?

这个让专业人士解读吧。

从目前公开的资料看,这个东东早在多年前就已经有理论上的研究突破

【1】2011年,《科学时报》就登载过我国纳米光刻技术研究取得突破

【科学时报】我国纳米光刻技术研究取得突破

日前,中科院光电技术研究所微光刻技术与微光学实验室首次提出基于微结构边际的LSP超分辨光刻技术。该技术利用微纳结构边际作为掩模图形,对表面等离子体进行有效激发,其采用普通I-line、G-line光源获得了特征尺寸小于30纳米的超分辨光刻图形。

据相关负责人介绍,传统的微光刻工艺采用尽可能短的曝光波长,期望获得百纳米甚至几十纳米级别的光刻分辨率。然而,随着曝光波长的缩短,整个光刻装备的成本也急剧上升。以目前主流的193光刻机为例,其售价为几千万美元。如此高昂的成本严重限制了短波长光源光刻技术的应用。

【2】2015年,成都电视台就报道过光刻机最新进展

成都电视台《成视新闻》栏目组来到中科院光电所微细加工光学技术国家重点实验室,对实验室打造“大国重器”,同时带动产业、惠及民生等科技创新驱动发展情况进行详细报道。

光电所微细加工光学技术国家重点实验室研制出来的SP光刻机是世界上第一台单次成像达到22纳米的光刻机,结合多重曝光技术,可以用于制备10纳米以下的信息器件。这不仅是世界上光学光刻的一次重大变革,也将加快推进工业4.0,实现中国制造2025的美好愿景。

PS.我知道知乎上面不少业内人士可能会认为这些人是吹牛,这些新闻是忽悠,这台机子不可能商用之类的话。诚然这台光刻机还很不成熟,商用前景不明,不过可以预见的是,有了这样的火种,多年以后,光刻机或将被开除出高科技名单,成为喷子口中的“落后技术”

知乎网友:Mcfly

图4:中国光刻机重大突破 国产芯片最短板终于补齐

借一张别的答案的图,其实新闻写的很清楚了。

优点:用白菜价的光源只用单次曝光实现了22nm级的光刻。走了和ASML完全不同的技术道路。

缺点:目前还不能用于生产IC。只能用于制造超材料和光学器件。

知乎网友:托马斯

如果这种国产光刻机量产,相对于现在的asml有很大的优势。利用老式的光源,省去一大块光源高昂的采购费用,却能实现比其大部分先进光源还高的分辨率,可以预见会打破现有的半导体设备市场的游戏规则。中国造的光刻机说不定和其他被中国攻克的高科技设备一样,以后也成了白菜价。。

这台设备牛逼之处不在于 “光刻分辨力达到22,因为结合多重曝光技术后,可以用于制造10纳米级别的芯片。”

而在于“该光刻机在365纳米光源波长下,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米”。

asml的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。

中国科学院光电技术研究所通过通过验收的自主知识产权的光刻机,在365纳米光源波长下,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米,结合多重曝光技术后,可以用于制造10纳米级别的芯片,如果用193光源会有什么水平?

中科院成都光电所的自主知识产权的22nm精度的光刻机,是有很清晰的发展脉络的,将近七年的时间,一步一个脚印。

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