中科院研發(fā)者回應5納米光刻技術(shù)突破ASML壟斷

　　今年7月，在中國科學(xué)院官網(wǎng)上發(fā)布了一則研究進(jìn)展，中科院蘇州所聯(lián)合國家納米中心在《納米快報》（Nano Letters）上發(fā)表了題為《超分辨率激光光刻技術(shù)制備5納米間隙電極和陣列》（5 nm Nano gap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究論文，介紹了該團隊研發(fā)的新型5 納米超高精度激光光刻加工方法。

該論文發(fā)表在《納米快報》（NanoLetters）。圖截自官網(wǎng)ACS官網(wǎng)
　　消息一經(jīng)發(fā)出，外界一片沸騰，一些媒體稱(chēng)此技術(shù)可以“突破ASML的壟斷”、“中國芯取得重大進(jìn)展”，“中國不需要EUV光刻機就能制作出5納米制程的芯片”。
　　該論文的通訊作者、中科院研究員、博士生導師劉前告訴《財經(jīng)》記者，這是一個(gè)誤讀，這一技術(shù)與極紫外光刻技術(shù)是兩回事。
　　極紫外光刻技術(shù)解決的主要是光源波長(cháng)的問(wèn)題，極紫外光刻技術(shù)（Extreme Ultra-violet，簡(jiǎn)稱(chēng)：EUV），是以波長(cháng)為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。
　　集成電路線(xiàn)寬是指由特定工藝決定的所能光刻的最小尺寸，也就是我們通常說(shuō)的“28納米”、“40納米”。 這個(gè)尺寸主要由光源波長(cháng)和數值孔徑?jīng)Q定，掩模上電路版圖的大小也能影響光刻的尺寸。目前主流的28納米、40納米、65納米線(xiàn)寬制程采用的都是浸潤式微影技術(shù)（波長(cháng)為134納米）。但到了5納米這樣的先進(jìn)制程，由于波長(cháng)限制，浸潤式微影技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足更精細的制程需要，這是極紫外光刻機誕生的背景。
　　而中科院研發(fā)的5納米超高精度激光光刻加工方法的主要用途是制作光掩模，這是集成電路光刻制造中不可缺少的一個(gè)部分，也是限制最小線(xiàn)寬的瓶頸之一。目前，國內制作的掩模版主要是中低端的，裝備材料和技術(shù)大多來(lái)自國外。
　　劉前對《財經(jīng)》記者說(shuō)，如果超高精度激光光刻加工技術(shù)能夠用于高精度掩模版的制造，則有望提高我國掩模版的制造水平，對現有光刻機的芯片的線(xiàn)寬縮小也是十分有益的。這一技術(shù)在知識產(chǎn)權上是完全自主的，成本可能比現在的還低，具有產(chǎn)業(yè)化的前景。
　　但是，即便這一技術(shù)實(shí)現商用化，要突破荷蘭ASML（阿斯麥）（NASDAQ:ASML）在光刻機上的壟斷，還有很多核心技術(shù)需要突破，例如鏡頭的數值孔徑、光源的波長(cháng)等。
　　如果把光刻機想象成一個(gè)倒置的投影儀，掩模就相當于幻燈片，光源透過(guò)掩模，把設計好的集成電路圖形投影到光感材料上，再經(jīng)蝕刻工藝將這樣的圖形轉移到半導體芯片上。

　　示意圖：電路設計圖首先通過(guò)激光寫(xiě)在光掩模版上，光源通過(guò)掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面。
　　通常，每一個(gè)掩模版的版圖都不一樣，制作一枚芯片常常需要一套不同的掩模版。掩模版制作要求很高，致使其價(jià)格十分昂貴，如一套45納米節點(diǎn)的CPU的掩模版大概就需要700萬(wàn)美元。如今，隨著(zhù)產(chǎn)品的個(gè)性化、小批量趨勢，致使掩模版的價(jià)格在整個(gè)芯片成本中急速飛升。
　　高端掩模版在國內還是一項“卡脖子”技術(shù)。在半導體領(lǐng)域，除了英特爾（NASDAQ:INTC）、三星（PINK:SSNLF）、臺積電（NYSE:TSM）三家能自主制造外，高端掩模版主要被美國的Photronics（NASDAQ:PLAB）、大日本印刷株式會(huì )社（DNP）以及日本凸版印刷株式會(huì )社（Toppan）（PINK:TOPPY）三家公司壟斷，根據第三方市場(chǎng)研究機構前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數據，這三家公司的市場(chǎng)份額占到全球的82%。

數據來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 制圖：陳伊凡

　　而且，這一技術(shù)如今尚在實(shí)驗室階段，要實(shí)現商用還有很長(cháng)的路要走。ASML從1999年開(kāi)始研發(fā)極紫外光刻機，到2010年才出了第一臺原型機，2019年第一款7nm極紫外工藝的芯片才開(kāi)始商用，前后花了20年時(shí)間。這是一個(gè)技術(shù)從實(shí)驗室走向商用所必須付出的時(shí)間成本。
　　半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展60多年，摩爾定律基本得以實(shí)現的關(guān)鍵就在于光刻機能不斷實(shí)現更小分辨率，在單位面積芯片上制造更多的晶體管，提高芯片的集成度。如果沒(méi)有光刻機，就沒(méi)有芯片先進(jìn)制造可言。根據第三方市場(chǎng)研究機構前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數據，2019年全球光刻機市場(chǎng)74%被荷蘭的ASML公司壟斷。ASML也是如今全球唯一一家能夠量產(chǎn)極紫外光刻機的公司。

數據來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 制圖：陳伊凡

　　如何突破層層專(zhuān)利保護，也是要實(shí)現制造完全自主的光刻機的難點(diǎn)之一。極紫外光刻技術(shù)領(lǐng)域就像一個(gè)地雷密布的戰場(chǎng)，ASML通過(guò)大量專(zhuān)利和知識產(chǎn)權保護，壟斷該技術(shù)。
　　一直以來(lái)，業(yè)界都在嘗試另一條技術(shù)路線(xiàn)，例如華裔科學(xué)家、普林斯頓大學(xué)周郁在1995年首先提出納米壓印技術(shù)，目前仍無(wú)法突破商用化的困境。

　　并且，極紫外光刻機能夠成功商用，并非僅靠ASML一家之功，它更像是一個(gè)集成創(chuàng )新的平臺，其中有將近90%的核心零部件來(lái)自全球不同企業(yè)，ASML通過(guò)收購，打通了上游產(chǎn)業(yè)鏈，例如德國卡爾蔡司、美國硅谷光刻集團的激光系統、西盟科技的紫外光源。目前沒(méi)有一個(gè)國家能夠獨立自主完成光刻機的制造，中國以一國之力，短期內要突破ASML在極紫外光刻技術(shù)上的壟斷，幾乎是不可能的事情。
　　關(guān)鍵詞 : 中科院光刻機