光刻機領(lǐng)域國內接近世界先進(jìn)水平，9nm線(xiàn)寬光刻實(shí)現突破

　　SEMICON China 2017開(kāi)幕日即3月14日，上海微電子裝備(集團)股份有限公司(后簡(jiǎn)稱(chēng)“SMEE”)宣布，SMEE 與荷蘭公司 ASML 簽署戰略合作備忘錄(MoU)，為雙方進(jìn)一步的潛在合作奠定了基礎。

　　根據這項合作備忘錄，ASML 和 SMEE 將探索就 ASML 光刻系統的特定模塊或半導體行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行采購的可能性。此次MoU的簽署代表 ASML 繼日前與上海集成電路研發(fā)中心(ICRD)宣布合作之后，進(jìn)一步深入參與中國的IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　光刻機被稱(chēng)為“人類(lèi)最精密復雜的機器”，制造光刻機更被比作是在微觀(guān)世界里“造房子”——成像系統由幾十個(gè)直徑為200~300毫米的透鏡組成，定位精度都是納米級。微米級的瞬時(shí)傳輸控制技術(shù)，猶如兩架空客以1000/小時(shí)公里同步高速運動(dòng)，在瞬間對接穿針引線(xiàn);玻璃鏡面加工等精度，誤差不會(huì )超過(guò)0.5毫米。

　　為了在更小的物理空間集成更多的電子元件，單個(gè)電路的物理尺寸越來(lái)越小，主流光刻機在硅片上投射的光刻電路分辨率達到50-90nm。超高的技術(shù)難度使得光刻機在全世界集成電路設備廠(chǎng)商中形成了極高的技術(shù)門(mén)檻，據了解，當今世界能夠擁有這種技術(shù)、生產(chǎn)這種產(chǎn)品的只有兩三個(gè)國家的兩三家公司。以ASML 公司最先進(jìn)的 EUV 光刻機為例，售價(jià)高達 1 億美元，而且只有 ASML 能夠生產(chǎn)。

　　在光刻機領(lǐng)域，SMEE 取得了重要突破，并在先進(jìn)封裝光刻機產(chǎn)品方面形成了系列化和量產(chǎn)化，在國際同類(lèi)產(chǎn)品中處于先進(jìn)水平，還實(shí)現了光刻機海外市場(chǎng)的銷(xiāo)售突破。SMEE 也被列入國家發(fā)改委 2016 年 1 月底公布的國家認定企業(yè)技術(shù)中心名單。

　　目前，由于國內集成電路生產(chǎn)企業(yè)沒(méi)有 20nm 以下的生產(chǎn)工藝能力，加上 ASML EUV光刻機價(jià)格昂貴、產(chǎn)能有限，還沒(méi)有安裝 ASML EUV 機臺，在國產(chǎn)光刻機技術(shù)上與之差距太大，根本無(wú)法在高端市場(chǎng)上參與競爭，嚴重制約了我國微電子信息工業(yè)的發(fā)展。據報道，近年來(lái)我國每年集成電路產(chǎn)品進(jìn)口金額與每年原油進(jìn)口金額大致相當，每年已經(jīng)超過(guò) 2000 億美元，如何改變集成電路制造受制于人的局面是國產(chǎn)光刻機研發(fā)的主要目標。

　　2002年，光刻機被列入國家 863 重大科技攻關(guān)計劃，由科技部和上海市共同推動(dòng)成立上海微電子裝備有限公司來(lái)承擔，2008年國家又啟動(dòng)了“02”科技重大專(zhuān)項予以銜接持續攻關(guān)。經(jīng)過(guò)十幾年潛心研發(fā)，我國已基本掌握了高端光刻機的集成技術(shù)，并部分掌握了核心部件的制造技術(shù)。

　　國家光電實(shí)驗室首次實(shí)現 9nm 線(xiàn)寬光刻

　　2016年底，華中科技大學(xué)國家光電實(shí)驗室目前利用雙光束在光刻膠上首次完成了 9nm 線(xiàn)寬，雙線(xiàn)間距低至約 50nm 的超分辨光刻。未來(lái)將這一工程化應用到光刻機上可以突破國外的專(zhuān)利壁壘，直接達到 EUV 的加工水平。

　　2014年10月瑞典皇家諾貝爾獎委員會(huì )決定將當年的諾貝爾化學(xué)獎授予打破光學(xué)衍射極限發(fā)明超分辨率光學(xué)顯微技術(shù)的三位科學(xué)家，以表彰他們在超分辨率光學(xué)成像方面的卓著(zhù)貢獻。其中斯蒂芬·黑爾教授發(fā)明的STED超分辨技術(shù)采用二束激光，一束激發(fā)激光(Exciting Laser Beam)激發(fā)顯微鏡物鏡下的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，另外一束中心光強為零的環(huán)形淬滅激光(Inhibiting Laser beam)淬滅激發(fā)激光產(chǎn)生的熒光。這兩束光的中心重合在一起，使得只有處于納米級環(huán)形淬滅激光中心處的熒光分子才能正常發(fā)光，通過(guò)掃描的辦法就可以得到超越衍射極限的光學(xué)成像。

　　遵循這個(gè)思路，華中科技大學(xué)國家光電實(shí)驗室的甘棕松教授在國外攻讀博士學(xué)位期間，采用類(lèi)似方法在光刻制造技術(shù)上取得進(jìn)展，成功突破光學(xué)衍射極限，首次在世界范圍內實(shí)現了創(chuàng )記錄的單線(xiàn) 9nm 線(xiàn)寬，雙線(xiàn)間距低至約 50nm 的超分辨光刻。未來(lái)將這一技術(shù)工程化應用到光刻機上，能夠突破光學(xué)衍射極限對投射電路尺寸的限制從而實(shí)現超分辨光刻，有望使國產(chǎn)集成電路光刻機擺脫一味采用更短波長(cháng)光源的技術(shù)路線(xiàn)。

　　采用超分辨的方法突破光學(xué)衍射的限制，將光聚集到更小的尺寸，應用到集成電路光刻可以帶來(lái)兩個(gè)方面的好處：一方面可以實(shí)現更高的分辨率，不再需要采用更短波長(cháng)的光源，使得光刻機系統造價(jià)大大降低;另外一方面采用可見(jiàn)光進(jìn)行光刻，可以穿透普通的材料，工作環(huán)境要求不高，擺脫 EUV 光源需要真空環(huán)境、光刻能量不足的羈絆。

　　與動(dòng)輒幾千萬(wàn)美元的主流光刻機乃至一億美元售價(jià)的 EUV 光刻機相比，超分辨光刻硬件部分只需要一臺飛秒激光器和一臺普通連續激光器，成本只是主流光刻機的幾分之一。該系統運行條件比紫外光刻溫和得多，不需要真空環(huán)境，不需要特殊的發(fā)光和折光元器件，和一般光刻系統相比，該系統僅僅是引入了第二束光，系統光路設計上改動(dòng)比較小，光刻機工程化應用相對容易，有希望使國產(chǎn)光刻機在高端領(lǐng)域彎道超車(chē)、有所突破。

　　國內半導體設備產(chǎn)業(yè)正面臨空前機遇

　　綜觀(guān)全球半導體設備與材料市場(chǎng)，每年約 800 億美元，現狀幾乎是美國壟斷設備，日本掌控材料，除了歐洲的 ASML 光刻設備之外，連中國臺灣地區與韓國的設備國產(chǎn)化率也很低。兩者多次設立目標想要提升，但受限于工業(yè)基礎，實(shí)際上進(jìn)展也很緩慢。相比之下，在中國半導體業(yè)發(fā)展中，更嚴峻的態(tài)勢是所用的設備與材料，幾乎 90%以上都需要進(jìn)口。

　　SEMI全球副總裁、中國區總裁居龍就多次指出，目前中國半導體設備和材料占全球市場(chǎng)份額不足1%，嚴重制約著(zhù)國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)的自給和健康發(fā)展。

　　根據 SEMI 的預測，2016年至2017年間，綜合8英寸、12英寸廠(chǎng)來(lái)看，確定新建的晶圓廠(chǎng)就有19座，其中中國大陸就占了10座。半導體前道設備的銷(xiāo)售額，全球2013年為318.2億美元，2015年為365.3億美元，2016年為396.9億美元，預測2017年為434億美元，中國部分可達69.9億美元(包括外資在中國的投資)。

　　近期中國的芯片制造業(yè)進(jìn)入又一輪擴充產(chǎn)能的高潮。從中芯國際在上海、深圳以及天津的擴建，到華力微的二期建設，加上長(cháng)江存儲、福建晉華以及紫光南京成都的存儲器項目，在這樣的大好形勢下，加上國家有鼓勵采用國產(chǎn)設備的補助政策，像中微半導體這樣的中國半導體設備企業(yè)迎來(lái)又一個(gè)“春天”。

　　中微半導體設備有限公司，作為國內集成電路裝備制造骨干企業(yè)，擁有三大高端設備產(chǎn)品系列，是我國集成電路裝備業(yè)界的龍頭、標桿和旗幟。中微研發(fā)的介質(zhì)刻蝕機是半導體生產(chǎn)設備中關(guān)鍵核心裝備之一，市場(chǎng)一直為美日等企業(yè)壟斷，其28nm-15nm的耦合等離子體介質(zhì)刻蝕機去年獲得了中國國際工業(yè)博覽會(huì )金獎，產(chǎn)品出口額占我國泛半導體設備出口額的僅 8 成，擁有臺積電、英特爾等客戶(hù)。

　　中微刻蝕機的研發(fā)成功，填補了國內空白，在技術(shù)上實(shí)現突破，跟上國際技術(shù)發(fā)展步伐，明顯提升我國半導體設備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)能級，并可改變我國集成電路生產(chǎn)企業(yè)受制于人的局面，對于搶占未來(lái)經(jīng)濟和科技發(fā)展制高點(diǎn)、加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式、實(shí)現由制造業(yè)大國向強國轉變具有重要戰略意義。

　　根據行業(yè)權威研究機構 Gartner 最新發(fā)布的統計結果，中微公司介質(zhì)刻蝕設備市場(chǎng)占有率從 2013 年的全球第 6 位提升到 2014 年的全球第 4 位?？紤]到 Mattson 公司僅提供低端刻蝕設備，中微公司在高端介質(zhì)刻蝕設備領(lǐng)域已經(jīng)躋身全球三強。由于中微生產(chǎn)的等離子刻蝕機已經(jīng)實(shí)現在晶圓制造廠(chǎng)批量生產(chǎn)，2015年2月5日，美國商務(wù)部取消了對等離子干法刻蝕設備的出口限制。

　　2015年，中微半導體獲得國家集成電路基金的4.8億元投資，這是繼長(cháng)電科技后，國家集成電路基金出手的第二次投資，也是上海半導體行業(yè)獲得的第一筆國家基金投資。