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造光刻机需要哪些技术 国产光刻机取得了哪些重大突破

发布时间:2021-09-15 浏览次数:

  没有任何一个国家的人比中国人更想造出顶级光刻机。网友甚至表示,只要造出光刻机,无论一个人做错了什么都可以原谅。

  因为光刻机,这种高精密芯片制造设备,是当前中国半导体的软肋。2002年,光刻机就被列入国家863重大科技攻关计划,经过快20年的研发,香港马报精准,中国光刻机技术进展如何?取得了哪些重大突破?

  一台光刻机含有80000个零件,最先进的极紫外光EUV光刻机所需的零部件更是超过10万个。整机光刻机包含曝光系统(照明系统和投影物镜)、工件台掩模台系统、自动对准系统、整机软件系统等。

  高数值孔径的镜头决定了光刻机的分辨率以及套值误差能力,重要性不言而喻。EUV极紫外光刻机唯一可使用的镜头由卡尔蔡司生产。

  光源波长决定了光刻机的工艺能力。光刻机需要体积小、功率高而稳定的光源。如EUV光刻机所采用的波长13.5nm的极紫外光,光学系统极为复杂。

  光刻机工件台系其中承载硅片完成光刻过程中一系列超精密动作的运动系统(包括上下片、对准、晶圆面型测量和曝光等),将影响光刻机的精度和产效,综合技术难度较高。

  集齐所需的零部件后,需要精准的组装技术,把零部件组装起来,变成光刻机。ASML本质上更像是一家组装企业,毕竟其光刻机90%的部件是全球采购的,来自全球不同国家的超过5000家供应商。ASML能够打败尼康和佳能,称霸全球光刻机市场,离不开其超强组装技术。

  ASML是一个知识密集型企业,拥有大量的受保护的专利和知识产权。他们的工程师非常擅长系统集成方面的知识,了解如何将这些制作光刻机所需要的元件集成在一起,也知道如何组装一个光刻机。ASML已经掌握了超过一半制造光刻机的核心技术。

  经过快20年的攻关,光刻机的集成技术已经完成从0到1,取得了许多重大的突破。

  国产90nm光刻机早已商用,DUV浸润式光刻机的主要技术也都攻克了,光源、镜头、双工件台都有了,沉浸式65nm、45nm和28nm的DUV光刻机国产化是迟早的事。而最先进的EUV光刻机(7nm以下)还没有开始整机立项研发,实现仍需要一段时间,但相关研究已经开展。

  中国华卓精密生产的光刻机核心子系统双工件台打破了ASML技术垄断,成为继荷兰之后世界第二家掌握双工件台核心技术的公司。华卓精科的双工件台运用磁悬浮电机方案,可以利用磁悬浮电机驱动超精密的成片台,最高能实现纳米级分辨率的套刻精度。

  华卓精科的双工件台目前主要用于65纳米至28纳米浸没式光刻机的研发,对于国产光刻机的赋能意义重大。而且1.7纳米的华卓精科工件台结合28纳米沉浸式光刻机,在理论上可以经过多重曝光实现7纳米芯片的制造。

  但华卓精科与ASML仍一有段距离,ASML的EUV光刻机双工件台已达到7nm甚至5nm的精度,这意味着,如果中国要造EUV光刻机,必须要继续提高双工件台的精度。

  光源方面,主流的193nm(ArF)光源(DUV光源)已攻克,最前进的13.5nm EUV光源则正在努力攻坚中。

  中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器,以高质量和低成本的优势,填补中国在准分子激光技术领域的空白,打破国外厂家对该技术产品长期市场垄断局面。

  目前科益虹源已推出光刻用248nm准分子激光器、光刻用干式193nm准分子激光器、光刻用浸没式193nm准分子激光器,并完成6khz、60w光刻机光源的制造,该光源为现阶段主流ArF光刻机光源,上海微电子即将交付的28nm光刻机部分光源由科益虹源提供。

  科益虹源是中国唯一、世界第三家高能准分子激光器研发制造企业。前两名领先者是龙头Cymer和Giaphoton,超高端EUV光源唯有Cymer才能生产。

  中国科学家正在集中精力攻克光刻机EUV光源难题,如今已取得多项关键性突破。

  光源是光刻机核心中的核心,中国已成功研制出应用于EUV光源的高能同步光源设备,为我国EUV光刻机打下坚实的基础。

  2021年6月28日,由中科院高能物理研究院研制的中国首台高能同步辐射光源设备开始安装,此外,为这台光源设备提供技术支持的测试平台,也已经开始试运行。

  该高能同步光源,是目前全世界光源亮度最高的,第四代同步辐射光源之一,它能降低高端芯片对于光刻机设备制程的难度,满足大多数航天,以及半导体汗业对光源制程的要求,这也就意味着,中国的EUV光刻机攻克了最核心的技术之一,我国EUV光刻机终于有了基础。

  如今,高能同步辐射光源设备的安装,已经完成了70%,到2022年就能顺利完成安装。

  在光源方面,除了设备之外,还有一项极紫外光源技术同样重要,它是光刻中最直接对晶圆进行光刻的设备。

  2021年2月,清华大学和联邦技术学院共同提出一种新型的粒子加速器,基于ssmb(稳态微聚束)的工作原理,能够作为未来EUV光刻机需要的光源。

  光刻机需要的EUV光,要求是波长短、功率大。基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率,并具备向更短波长扩展的潜力,为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

  哈工大实验室成功研制出12瓦DPP-EUV光源,但离商用EUV所必须的250瓦有巨大差距,估计用几年时间可以到达这个水平。

  攻克光刻机镜头系统非常难,镜头系统不只是光学技术,还有加工的工艺要求,以及建立系统集成平台。

  ①我国长春国科精密已经能生产90nm DUV光刻机镜头,可用于合肥芯硕200 nm的光刻机,但暂时不能用于上微电子90nm光刻机上,主要是光学系统的加工、检测、镀膜等技术还需进一步提升。上微电子600系列的光刻机镜头应该是国外采购,目前全球能够生产此镜头厂家只有三家:德国蔡司、日本尼康、日本佳能。

  ②面向28nm节点的ArF浸没式光刻曝光光学系统正在由国望光学研发攻关,目前任务进展顺利。

  ③长春光机所研制的32nm EUV光刻曝光装置已经验收,使我国初步掌握了极紫外光刻的核心光学技术。但这距离制造EUV光刻机镜头系统还有非常大的一段距离。相当于我国已经掌握航空发动机技术,www.681122.com!但不等于就可以制造波音飞机发动机,既有技术等级的鸿沟、也有制造水平的巨大差距。

  当年ASML在2010年就完成了EUV光刻机的原型机,但一直到2019年才出货商用,光学透镜、反射镜系统的技术难关一直没有攻克是主要原因。

  镜头不受美国禁令影响,能国际采购。但未雨绸缪,建立自己完整的产业链才是实行我国半导体自强的必由之路。

  近日好消息,中科科仪公司研发出了两大镀膜设备:直线式劳埃透镜镀膜装置和纳米聚焦镜镀膜装置,并在6月28日也已经正式投入使用。

  好的镀膜工艺能控制光学零件对光的反射,滤光,偏振等要求。光刻机的镜头对光学镀膜要求非常高,EUV光刻机镜头镜面的光洁度,不得超过0.05纳米,目前唯一能生产满足要求的镜头只有蔡司。

  此次中科科仪推出的镀膜设备,水平是目前制程难度最高的真空镀膜,虽然还没有达到蔡司的水平,但是也能将膜厚的精度,控制在0.1纳米以内,更重要的是,该设备的所有技术,完全掌握在我国手里,该镀膜设备的出现,能够让我国在研制EUV光刻机上更进一步。

  我国虽然已经突破了镀膜技术,但是离镜头做出来还有一段时间,事实上,后续的很多零件都这样,即便是关键技术突破,但是其它东西依旧需要试着攻克。

  目前最先进的是荷兰ASML的EUV光刻机,已经可以达到5nm工艺,而对于目前的中国来说,造出浸入式28nm光刻机,完全实现14nm芯片国产化都已然是一项挑战。目前国内唯一顶尖的光刻机企业上海微电子(SMEE)量产的90nm光刻机也仅仅是荷兰ASML公司十几年前的水准。

  但近日传出好消息称,上海微电子研制的28nm DUV光刻机,有望近两年迎来组装下线nm芯片的生产,借助中芯国际的N 1工艺实现多重曝光,理论上还能生产7nm芯片。如成功造出28nm光刻机,国产光刻机便能成功挤入高端光刻机领域,解决大部分美国芯片制约。

  但是,即使如此,超高端EUV极紫光刻机依然是一座中国难以跨越的大山,至少需要10年时间去攻克,甚至更久。

  因为超高端EUV光刻机拥有极高技术壁垒,上海微电子与ASML的差距,本质上是中国和西方在精密制造领域差距。

  超高端光刻机关键零部件来自不同西方发达国家,来自美国光源,德国镜头和法国阀件等,所有核心零部件皆对中国禁运,中国制造的零部件达不到如此精密,目前对EUV光刻机的研究也相对薄弱,致使中国光刻机技术难以在短期内追赶世界光刻机水平。

  但仍然可以肯定,中国造出EUV光刻机,甚至是更先进的光刻机,是一定会发生的。因为这条接近人类超精密制造极限的路,ASML能走通,假以时日,中国也能走通。

  连ASML执行长温尼克都认为,若不把光刻机卖给中国,大概3年以后中国就会自己掌握这项技术。

  而且光刻机对我们难,对对手也不见得容易。与芯片产业受限于摩尔定律一样,物理极限出正在约束我们的对手,EUV光刻机想再继续向前突破将越来越难。

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