中国光刻机制造的星星之火

摘要

近几年来，以美国为首的西方国家，担心中国的快速发展，威胁美国在高科技领域的领导地位，通过禁运、封锁，企图遏制我国在半导体领域的发展。但以上海微电子为代表的众多国内公司，用实际行动在一定程度上打破了光刻设备的封锁，点燃了国产光刻机制造的星星之火。

关键词：光刻机；芯片制造；制程

各种智能设备都需要芯片来支撑运行，而芯片是由光刻机生产的。光刻机是制造芯片的核心装备。在芯片制造过程中，需要用光刻机把电路图“搬运”到晶圆片上。随着集成电路集成度越来越高，对光刻机的要求越来越苛刻，因此，光刻机也被誉为半导体制造业皇冠上的明珠。在光刻机制造领域，荷兰的ASML是当之无愧的世界第一，日本的尼康、佳能紧随其后。

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光刻机设备及制程简介

图1是光刻机内部结构的示意图。自上而下，分别是紫外光源、光掩模、缩影镜头、曝光成型及硅衬底。分别对应光刻机的光源系统、物镜系统、曝光系统和光栅系统。此外，光刻机还需要工作台和浸没系统。这就是光刻机的六大系统，也是光刻机的核心组件。在芯片制造的过程中，还会用到光刻胶、光刻气体、光掩模板、芯片检测、涂胶显影、后道封装等设备。由此可见，光刻机的设计、制造非常困难，要在全产业链、全领域都具备强大的实力。光源是光刻机的核心零部件之一，从最开始的g线、h线、i线到如今的DUV、EUV，光源的波长逐渐变短，其蚀刻能力也逐渐增加。根据光源波长的不同，可以大概将光刻机划分为五代产品。我国目前已经实现了90 nm制程光刻机的国产化，由上海微电子公司生产。

表1 五代光刻机的光源及光刻机类型

图1 光刻机内部结构的示意图（来自网络）

与某些领域的“卡脖子”技术相比，我国在低端光刻机和检测、封装设备方面已位居世界前列，而最大的挑战是高端光刻机设备。目前，芯片领域的龙头企业台积电和三星都已经开始7 nm制程芯片的量产，国内企业中芯国际目前已经完成7 nm制程技术的开发，但受限于缺少高端光刻机，并不能量产7 nm芯片。制程，专业语言为“栅长”，是栅极的最小宽度[1]。栅长越小，芯片能耗越低，单位面积上容纳的晶体管数量越多、越复杂，芯片可以实现的功能越多。单位面积上的晶体管数量、栅极间距、栅极连接距离共同决定了芯片的性能。下图是Intel和台积电先进制程的对比（图2）。

图2 Intel和台积电先进制程对比图（来自网络）

英特尔一个10 nm单位面积为54*44 nm，每平方毫米1.008亿个晶体管，而台积电的一个7 nm单位面积为57*40 nm，每平方毫米1.0123亿个晶体管，虽然两者在工艺制程上差了一代，但两者在晶体管数量上却并没有代差！这也是Intel曾多次点名批评三星、台积电美化工艺制程的原因。虽然制程有了巨大提升，但单位面积上的集体管数量并没有急剧增加，芯片的性能也就没有明显提升，这与摩尔定律有关。摩尔定律表明每两年（或三年），单位芯片面积上的晶体管数量会增加一倍。这个定律已经大概持续了60年，但随着光刻技术的进步，单位面积上的晶体管数量增加已经十分有限，制程也越来越接近理论极限。

图3 摩尔定律-单位面积晶体管数量增长图（来自网络）

目前5 nm、7 nm是最好的制程水平，但并不是所有的芯片都必须采用该制程。另外，从芯片电路设计到芯片大规模量产，要经过许多复杂的步骤，要一步一步克服。

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中国光刻机设备制造的代表公司

以目前荷兰ASML生产的最先进EUV光刻机为例，其集成了德国蔡司的光学镜头、日本的复合材料、美国的激光器和操作系统等尖端材料和技术（图4）。2010年ASML推出第一台EUV光刻机NXE3100，2013年ASML收购准分子激光源巨头美国Cymer公司，同年推出NXE3300B型光刻机，2017年推出第三款EUV光刻机NXE3400B。

自此，ASML成为全球唯一能够设计、制造EUV光刻机设备的厂商，成为超高端市场的垄断者。下图是ASML光刻机产业链的一些代表性公司。这些公司都是美国建立的光刻机联盟成员，内部可以共享技术，对外则技术封锁，限制其他国家或企业进行光刻机的生产、开发。国内以上海微电子为代表的光刻机及其他部件厂商一直努力耕耘，把光刻机设备推进到了28 nm节点[2]。有媒体称，上海微电子装备将量产28 nm浸没式光刻机，在2021年至2022年交付第一台国产SSA/800-10W光刻机设备[3]。

28 nm光刻机突破的战略意义在于：工艺进入28 nm以下制程后，20 nm和16/14 nm制程的成本高于28 nm，28 nm制程工艺极具性价比；虽然目前手机芯片即将进入5 nm制程，但在物联网等众多市场，28 nm仍然是主流制程工艺，不少晶圆厂基于28 nm推出了在成本、功耗、性能等方面更具优势的新工艺。在实际应用中，28 nm光刻机不仅能生产28 nm芯片，采用多重曝光技术后还可生产14 nm/10 nm/7 nm芯片，适应目前芯片行业的需求。国产28 nm光刻机设备在国内公司夜以继日的努力下有望早日实现突破和量产，相关产业链公司的情况如图5所示[4]。

图4 阿斯麦光刻机产业链代表公司（来自网络）

图5 国产光刻机产业链代表公司（来自网络）

上海微电子装备股份有限公司：我国光刻机设计、总体集成单位，是国产光刻机龙头，承担国家科技重大专项02专项，承担“十三五”期间标志性项目“28 nm’”节点浸没式分步重复投影光刻机的研发、产业化任务。

北京科益虹源：此前交付了40w 4kHz ArF光源样机应用于上海微电子90 nm光刻机，但主流DUV ArF浸没式光刻机一般需要60w 6kHz等级的光源。该技术已经研发成功，科益虹源成为中国第一、世界第三能够量产193 nm ArF准分子激光器的企业。

长春国科精密：2018年通过了面向90 nm节点的NA 0.75级投影光刻曝光光学系统验收，目前正开展28 nm节点的光学系统攻关。此外，哈尔滨工业大学已经研制出12W DPP-EUV光源，长春光机所基于哈工大的光源技术继续研究EUV曝光机，但距离EUV的250 W光源有很大差距。

北京国望光学：目前已收购长春国科精密，国望光学核心研发团队全部来自长春国科精密，长春国科精密则源于中科院长春光学精密机械与物理研究所、上海光学精密机械研究所为承担02专项“曝光光学系统”组建的研究团队。其中，长春光机所负责物镜系统，上海光机所负责照明系统。

北京华卓精科：2016年清华团队通过中国科技部02专项办公室验收，已经开始实施双工件台的产业化，干式和浸没式的样机都已经出货，成为仅次于ASML，全球第二个掌握该技术的公司。

启尔机电：2019年12月，“启尔机电浸液系统产品研制与能力建设”通过02专项CDR里程碑评审，成为继ASML、尼康后全球第三家掌握这一技术的公司。研发和试生产基地也建设完成。

国内光刻机产业链各公司在各自领域默默耕耘，极大促进了我国光刻机的发展和进步。随着我国光刻机产业链的壮大，光刻机制造的星星之火必将形成燎原之势！

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总结

光刻机的制造涉及到许多的企业，制造难度大。但国内公司在重重压力下，依然选择攻坚克难，勇敢地在光刻机国产化的道路上前行。我国的光刻机制造产业正在如火如荼开展，相信不久的将来，28 nm光刻机必会顺利突破，从而为高端光刻机的研制打下坚实基础。

补充说明

g线：水银蒸气灯光谱中峰值为435.8 nm。

h线：汞蒸气灯光谱中峰值为404.7 nm。

i线 ：汞光谱中峰值为365 nm。在20世纪90年代引入激光之前，汞蒸气灯被用作步进光刻机中的光源。i线继承了g线，是最后一条可使用的汞光谱线，也是最后一个非激光光源。

DUV：深紫外光，一种光的波长。准分子激光器在芯片生产中用于产生DUV激光，248 nm（氪氟化物激光）和193 nm（氟化氩激光）是最常见的波长。

EUV：极紫外光，波长10~15 nm，目前最先进光刻机采用的一种激光光源。