中國芯片製造邁出一大步！中科院造出最強紫外超分辨光刻機

尼康佳能中芯國際科技量子位 2018-12-02

問耕乾明郭一璞曉查發自凹非寺量子位出品 | 公眾號 QbitAI

我國在芯片製造領域取得新突破！

經過近七年艱苦攻關，“超分辨光刻裝備研製”項目通過驗收。這意味著，現在中國有了“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，我國科學家研製成功了一種非常強大的光刻機。

光刻機，那可是芯片製造的核心裝備。我國一直在芯片行業受制於人，在光刻機領域更是如此，時常遭遇國外掐脖子、禁售等種種制約。

對於這次的突破，驗收專家組的意見是：

該光刻機在365納米光源波長下，單次曝光最高線寬分辨力達到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新路線，繞過國外相關知識產權壁壘。

消息一出，很多人都紛紛稱讚，但大多數都是不明覺厲，當然也有人說是吹牛。這個消息背後，到底意味著什麼呢？

這個突破亮點很多，其中最值得關注的有幾個點，量子位簡單總結如下：

光源：粗刀刻細線

這個國產的光刻機，採用365納米波長光源，屬於近紫外的範圍。

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

現在國外使用最廣泛的光刻機的光源為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。

這臺國產光刻機，可以做到22納米。而且，“結合雙重曝光技術後，未來還可用於製造10納米級別的芯片”。

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

項目副總設計師、中科院光電技術研究所研究員胡鬆在接受《中國科學報》採訪時，打了一個比方：“這相當於我們用很粗的刀，刻出一條很細的線。”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：高端設備“白菜價”

波長越短，成本越高。

為獲得更高分辨力，傳統上採用縮短光波、增加成像系統數值孔徑等技術路徑來改進光刻機，但問題在於不僅技術難度極高，裝備成本也極高。

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

一臺這樣的光刻機售價1億美元以上。

而中科院光電所這臺設備，使用波長更長、更普通的紫外光，意味著國產光刻機使用低成本光源，實現了更高分辨力的光刻。

有網友評價稱，中國造的光刻機說不定和其他被中國攻克的高科技設備一樣，以後也成了白菜價。

突破：破局禁運，彎道超車

這臺光刻機的出現，還有另一個重要的意義。

這裡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域的壟斷，為納米光學加工提供了全新的解決途徑，也為新一代信息技術、新材料、生物醫療等先進戰略技術領域，基礎前沿和國防安全提供了核心技術保障。項目副總設計師、中科院光電技術研究所研究員胡鬆介紹：“第一個首先表現於我們現在的水平和國際上已經可以達到持一致的水平。分辨率的指標實際上也是屬於國外禁運的一個指標，我們這項目出來之後對打破禁運有很大的幫助。”“第二個如果國外禁運我們也不用怕，因為我們這個技術再走下去，我們認為可以有保證。在芯片未來發展、下一代光機電集成芯片或者我們說的廣義芯片（研製領域），有可能彎道超車走在更前面。”

侷限

當然，我們也不能頭腦發熱。

這個設備的出現，並不意味著我國的芯片製造立刻就能突飛猛進。一方面，芯片製造是一個龐大的產業生態，另一方面中科院光電所的光刻機還有一定的侷限。

據介紹，目前這個裝備已製備出一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導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，已達到實用化水平。

也就是說，目前主要是一些光學等領域的器件。

不過也有知乎網友表示“以目前的技術能力，只能做週期的線條和點陣，是無法制作複雜的IC需要的圖形的”。

這一技術被指“在短期內是無法應用於IC製造領域的，是無法撼動ASML在IC製造領域分毫的……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。”

中國光刻機制造落後現狀

目前國際上生產光刻機的主要廠商有荷蘭的ASML、日本的尼康、佳能。其中，數ASML技術最為先進。

國內也有生產光刻機的公司，比如上海微電子裝備，但技術水平遠遠落後於ASML。

上海微電子裝備目前生產的光刻機僅能加工90納米工藝製程芯片，這已經是國產光刻機最高水平。而ASML已經量產7納米制程EUV光刻機，至少存在著十幾年的技術差距。

光刻機是製造芯片的核心裝備，過去一直是中國的技術弱項。光刻機的水平嚴重製約著中國芯片技術的發展。我們一直在被“卡脖子”。

國內的芯片製造商中芯國際、長江存儲等廠商不得不高價從ASML買入光刻機。

今年5月，日經亞洲評論曾報道，中芯國際向國際半導體設備大廠ASML下單了一臺1.2億美元的EUV光刻機，預計將於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，售價高達7200萬美元。

那麼，所謂的光刻機到底是啥？

光刻機原理

光刻機，芯片製造的核心設備之一。中科院光電所的胡鬆、賀曉棟在《中科院之聲》發表的一篇文章中這樣介紹它的重要性：

後工業時代包括現在的工業3.0、工業4.0，都以芯片為基礎，光刻機作為製造芯片的工具，就相當於工業時代的機床，前工業時代的人手。

但比較特殊的是，光刻機以光為“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生反應。此後用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。引自：《一文看懂光刻機》，華創證券

這只是一個簡化的過程，通常情況下，想要用光刻機制造出一個芯片，需要在極其細微的結構上進行上百次套刻和數千道工藝，需要幾百種設備才能完成。

這次中科院研製成功的光刻機，能力達到了22納米。這是什麼概念呢？中科院的文章中提到了一個對比：

頭髮的直徑約為80微米，22納米是頭髮直徑的1/3600。也就是說，這個光刻機能夠在頭髮表面加工各種複雜的結構。

這臺光刻機，是誰研發出來的？

中科院光電所的7年探索

這臺光刻機背後的研究機構是中科院光電所。

帶頭完成這項研發任務的，是中科院光電所所長、超分辨光刻裝備項目首席科學家、中國科學院大學教授&博導羅先剛研究員。

羅先剛在光電領域的學術地位從他的一長串title中可見一斑：

微細加工光學技術國家重點實驗室主任，國家973計劃首席科學家，曾獲2016年度國家技術發明一等獎，2017年中國工程院院士增選有效候選人，國家傑出青年科學基金獲得者，中組部首批萬人計劃科技領軍人才、2009年“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，2004年中科院“百人計劃”入選者，中國光學學會、美國光學學會、國際光學工程學會、國際光電子與激光工程學會四大學會成員（Fellow）。

從1995年在中科院光電技術研究所讀碩士開始，羅先剛已經從事光電領域20餘年了，在中科院光電技術研究所讀完碩士和博士後，他去了日本理化學研究所做博士後和研究科學家。

2004年，羅先剛回到了他讀書的中科院光電技術研究所，開始擔任研究員。20餘年的光電學術之路上，他不僅發表了SCI收錄論文100餘篇，還帶出了數十名優秀的碩士博士生。