中國芯片邁出一大步 中科院造出最強(qiáng)紫外超分辨光刻機(jī)

　　我國在芯片制造領(lǐng)域取得新突破!

　　經(jīng)過近七年艱苦攻關(guān)，“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收。這意味著，現(xiàn)在中國有了“世界上首臺分辨力最高的紫外(即22納米@365納米)超分辨光刻裝備”。

　　換句話說，我國科學(xué)家研制成功了一種非常強(qiáng)大的光刻機(jī)。

　　光刻機(jī)，那可是芯片制造的核心裝備。我國一直在芯片行業(yè)受制于人，在光刻機(jī)領(lǐng)域更是如此，時常遭遇國外掐脖子、禁售等種種制約。

　　對于這次的突破，驗收專家組的意見是：

　　“該光刻機(jī)在365納米光源波長下，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22納米。項目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線，繞過國外相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)壁壘。”

　　消息一出，很多人都紛紛稱贊，但大多數(shù)都是不明覺厲，當(dāng)然也有人說是吹牛。這個消息背后，到底意味著什么呢?

　　這個突破亮點很多，其中最值得關(guān)注的有幾個點，量子位簡單總結(jié)如下：

　　光源：粗刀刻細(xì)線

　　這個國產(chǎn)的光刻機(jī)，采用365納米波長光源，屬于近紫外的范圍。

　　通常情況下，為了追求更小的納米工藝，光刻機(jī)廠商的解決方案是，使用波長越來越短的光源。ASML就是這種思路。

　　現(xiàn)在國外使用最廣泛的光刻機(jī)的光源為193納米波長深紫外激光，光刻分辨力只有38納米，約0.27倍曝光波長。

　　這臺國產(chǎn)光刻機(jī)，可以做到22納米。而且，“結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還可用于制造10納米級別的芯片”。

　　也就是說，中科院光電所研發(fā)的這臺光刻機(jī)，用波長更長(近紫外)、成本更低(汞燈)的光源，實現(xiàn)了更高的光刻分辨力(0.06倍曝光波長)。

　　項目副總設(shè)計師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松在接受《中國科學(xué)報》采訪時，打了一個比方：“這相當(dāng)于我們用很粗的刀，刻出一條很細(xì)的線。”這就是所謂的突破分辨力衍射極限。

　　因此，它也被稱為世界上首臺分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備。

　　成本：高端設(shè)備“白菜價”

　　波長越短，成本越高。

　　為獲得更高分辨力，傳統(tǒng)上采用縮短光波、增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑等技術(shù)路徑來改進(jìn)光刻機(jī)，但問題在于不僅技術(shù)難度極高，裝備成本也極高。

　　ASML最新的第五代光刻機(jī)使用波長更短的13.5納米極紫外光(EUV)，用于實現(xiàn)14納米、10納米、及7納米制程的芯片生產(chǎn)。

　　一臺這樣的光刻機(jī)售價1億美元以上。

　　而中科院光電所這臺設(shè)備，使用波長更長、更普通的紫外光，意味著國產(chǎn)光刻機(jī)使用低成本光源，實現(xiàn)了更高分辨力的光刻。

　　有網(wǎng)友評價稱，中國造的光刻機(jī)說不定和其他被中國攻克的高科技設(shè)備一樣，以后也成了白菜價。

　　突破：破局禁運(yùn)，彎道超車

　　這臺光刻機(jī)的出現(xiàn)，還有另一個重要的意義。

　　這里我們引用央廣的報道：

　　“超分辨光刻裝備項目的順利實施，打破了國外在高端光刻裝備領(lǐng)域的壟斷，為納米光學(xué)加工提供了全新的解決途徑，也為新一代信息技術(shù)、新材料、生物醫(yī)療等先進(jìn)戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)前沿和國防安全提供了核心技術(shù)保障。

　　項目副總設(shè)計師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松介紹：“第一個首先表現(xiàn)于我們現(xiàn)在的水平和國際上已經(jīng)可以達(dá)到持一致的水平。分辨率的指標(biāo)實際上也是屬于國外禁運(yùn)的一個指標(biāo)，我們這項目出來之后對打破禁運(yùn)有很大的幫助。”

　　“第二個如果國外禁運(yùn)我們也不用怕，因為我們這個技術(shù)再走下去，我們認(rèn)為可以有保證。在芯片未來發(fā)展、下一代光機(jī)電集成芯片或者我們說的廣義芯片(研制領(lǐng)域)，有可能彎道超車走在更前面。

　　局限

　　當(dāng)然，我們也不能頭腦發(fā)熱。

　　這個設(shè)備的出現(xiàn)，并不意味著我國的芯片制造立刻就能突飛猛進(jìn)。一方面，芯片制造是一個龐大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，另一方面中科院光電所的光刻機(jī)還有一定的局限。

　　據(jù)介紹，目前這個裝備已制備出一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導(dǎo)納米線單光子探測器、切倫科夫輻射器件、生化傳感芯片、超表面成像器件等，驗證了該裝備納米功能器件加工能力，已達(dá)到實用化水平。

　　也就是說，目前主要是一些光學(xué)等領(lǐng)域的器件。

　　不過也有知乎網(wǎng)友表示“以目前的技術(shù)能力，只能做周期的線條和點陣，是無法制作復(fù)雜的IC需要的圖形的”。

　　這一技術(shù)被指“在短期內(nèi)是無法應(yīng)用于IC制造領(lǐng)域的，是無法撼動ASML在IC制造領(lǐng)域分毫的……但形成了一定的威脅，長期還是有可能取得更重要的突破的。”

　　中國光刻機(jī)制造落后現(xiàn)狀

　　目前國際上生產(chǎn)光刻機(jī)的主要廠商有荷蘭的ASML、日本的尼康、佳能。其中，數(shù)ASML技術(shù)最為先進(jìn)。

　　國內(nèi)也有生產(chǎn)光刻機(jī)的公司，比如上海微電子裝備，但技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于ASML。

　　上海微電子裝備目前生產(chǎn)的光刻機(jī)僅能加工90納米工藝制程芯片，這已經(jīng)是國產(chǎn)光刻機(jī)最高水平。而ASML已經(jīng)量產(chǎn)7納米制程EUV光刻機(jī)，至少存在著十幾年的技術(shù)差距。

　　光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，過去一直是中國的技術(shù)弱項。光刻機(jī)的水平嚴(yán)重制約著中國芯片技術(shù)的發(fā)展。我們一直在被“卡脖子”。

　　國內(nèi)的芯片制造商中芯國際、長江存儲等廠商不得不高價從ASML買入光刻機(jī)。

　　今年5月，日經(jīng)亞洲評論曾報道，中芯國際向國際半導(dǎo)體設(shè)備大廠ASML下單了一臺1.2億美元的EUV光刻機(jī)，預(yù)計將于2019年初交貨。

　　另外，長江存儲今年也從ASML買入一臺浸潤式光刻機(jī)，售價高達(dá)7200萬美元。

　　那么，所謂的光刻機(jī)到底是啥?

　　光刻機(jī)原理

　　光刻機(jī)，芯片制造的核心設(shè)備之一。中科院光電所的胡松、賀曉棟在《中科院之聲》發(fā)表的一篇文章中這樣介紹它的重要性：

　　“后工業(yè)時代包括現(xiàn)在的工業(yè)3.0、工業(yè)4.0，都以芯片為基礎(chǔ)，光刻機(jī)作為制造芯片的工具，就相當(dāng)于工業(yè)時代的機(jī)床，前工業(yè)時代的人手。”

　　但比較特殊的是，光刻機(jī)以光為“刀具”。具體來說，工藝流程大致是這樣的：

　　“在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生反應(yīng)。

　　此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。”

　　這只是一個簡化的過程，通常情況下，想要用光刻機(jī)制造出一個芯片，需要在極其細(xì)微的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行上百次套刻和數(shù)千道工藝，需要幾百種設(shè)備才能完成。

　　這次中科院研制成功的光刻機(jī)，能力達(dá)到了22納米。這是什么概念呢?中科院的文章中提到了一個對比：

　　“頭發(fā)的直徑約為80微米，22納米是頭發(fā)直徑的1/3600。也就是說，這個光刻機(jī)能夠在頭發(fā)表面加工各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”

　　這臺光刻機(jī)，是誰研發(fā)出來的?

　　中科院光電所的7年探索

　　這臺光刻機(jī)背后的研究機(jī)構(gòu)是中科院光電所。

　　帶頭完成這項研發(fā)任務(wù)的，是中科院光電所所長、超分辨光刻裝備項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院大學(xué)教授&博導(dǎo)羅先剛研究員。

　　羅先剛在光電領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位從他的一長串title中可見一斑：

　　微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點實驗室主任，國家973計劃首席科學(xué)家，曾獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎，2017年中國工程院院士增選有效候選人，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，中組部首批萬人計劃科技領(lǐng)軍人才、2009年“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選，2004年中科院“百人計劃”入選者，中國光學(xué)學(xué)會、美國光學(xué)學(xué)會、國際光學(xué)工程學(xué)會、國際光電子與激光工程學(xué)會四大學(xué)會成員(Fellow)。

　　從1995年在中科院光電技術(shù)研究所讀碩士開始，羅先剛已經(jīng)從事光電領(lǐng)域20余年了，在中科院光電技術(shù)研究所讀完碩士和博士后，他去了日本理化學(xué)研究所做博士后和研究科學(xué)家。

　　2004年，羅先剛回到了他讀書的中科院光電技術(shù)研究所，開始擔(dān)任研究員。20余年的光電學(xué)術(shù)之路上，他不僅發(fā)表了SCI收錄論文100余篇，還帶出了數(shù)十名優(yōu)秀的碩士博士生。

　　項目副總師胡松也是中科院光電技術(shù)研究所的研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博導(dǎo)，在光學(xué)投影曝光微納加工技術(shù)、 微細(xì)加工光刻技術(shù)有豐富的經(jīng)驗，享受國務(wù)院政府津貼，曾主持多個國家級、部委級、省級科研項目，發(fā)表十余項專利技術(shù)。

　　中科院光電所完成這項計劃用了7年。

　　根據(jù)經(jīng)濟(jì)日報報道，2012年，中科院光電所承擔(dān)了超分辨光刻裝備這一國家重大科研裝備項目研制任務(wù)，當(dāng)時并沒有任何國外成熟經(jīng)驗可借鑒。

　　7年來，項目組突破了高均勻性照明、超分辨光刻鏡頭、納米級分辨力檢焦及間隙測量和超精密、多自由度工件臺及控制等關(guān)鍵技術(shù)，完成國際上首臺分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備研制，其采用365納米波長光源，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22納米(約1/17曝光波長)。

　　在此基礎(chǔ)上，項目組還結(jié)合超分辨光刻裝備項目開發(fā)的高深寬比刻蝕、多重圖形等配套工藝，實現(xiàn)了10納米以下特征尺寸圖形的加工。

　　另外，這個項目還發(fā)表了論文68篇，申請國家發(fā)明專利92項，其中授權(quán)47項，申請國際專利8項，授權(quán)4項，為國家培養(yǎng)了一支超分辨光刻技術(shù)和裝備研發(fā)團(tuán)隊。
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