国产光刻机水平进展和前景分析

　　什么是光刻机

　　光刻机（MaskAligner）又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻，所以叫MaskAlignmentSystem.

　　一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。光刻机，被誉为人类20世纪的发明奇迹之一。我们日常使用手机的CPU制造工艺都离不开光刻机。

　　传统光刻机的演变和所面临的挑战

　　光刻机是诸多现代技术高度集成的产物，这些技术是：物理、光学、化学、材料科学、精密机械、精密控制和工程学等等。在过去的二十几年中，光刻机作为器件制造业的重要工具，经历了许多次革命。这些变革是伴随着微处理器和DllAM特征尺寸的不断缩减发生的。由于光刻的分辨率与曝光波长、物镜光阑孔径的关系为：

　　因此光刻机的革命主要发生在这样几个方面：大NA非球面镜光学系统、短波长光源、分辨率增强技术（降低Kl因子）和同步扫描工作台等。20多年前，日本尼康生产的第一台光刻机是NSRl010G型光刻机，如图l所示，曝光波长为436 nm，分辨率为l”m，曝光面积为10 mm×10 mm，其产率对100 mm硅片来讲是每小时20片。而～F光刻机的分辨率在2003年将达到0，1”m，其产率对300 rflin硅片来讲是每小时100片。图2一图4给出了每一代光刻机的光源波长、分辨率、NA和K1的演变过程。

　　图2表明：20多年中，商品化光刻机分辨率从1．0Ⅲ～0．1 pm的演变过程和光源波长从436 nm（G—line），经历356 nm（I—line）和248 m（KrF），到如今193 am（mF）的过程。图3表明NA从O．35经历了0．45、0 55、0．6和0．75，预计2003年实现NA亍0．85。图4显示了K，因子的变化。

　　20世纪末开始．微处理器和DRAM特征尺寸的缩减呈现了加速和偏离摩尔定律的趋势L“，这更加快了光刻机的变革步伐。然而，短波光学系统设计加工及相关材料的开发、NA的继续增加和K．因子的不断减小正面临着一系列的困难，例如：大的NA光学系统，将导致小的焦深，造成工件台和环境控制更加苛刻，要求波面差更小。较低的Kl因子，将导致掩模误差园子（rcmF）的增大，造成复制图形精度的下降。

　　表1给出了几代光刻机分辨率增强技术、NA和相应的Kl因子的变化。Kl《0．25时，根本得不到复制的图形，目前推测的最好结论是：心F光刻机可以延伸至100 nm分辨率，正在研发中的F，光刻机可以实现70 m的分辨率8 J，但是，仅仅只有一代产品的生命周期。

　　根据2001年国际半导体协会（ITRS）发布的Roadmap，传统的光学曝光技术和设备在向100 nm以下延伸的过程中，正面临着下列挑战：（1）传统的光刻机在继续向高分辨率延展几乎到达了物理极限所面临的巨大困难；（2）欲使光刻设备进一步向高分辨率延伸并实用化，所关联的抗蚀剂、掩模、计测、材料、制作、工艺控制和检测等方面所面临的困难和挑战；（3）继续延展传统光刻技术至100 nnl甚至70 nm所需的全新技术、工艺及其产业化所需投资和成本的太幅增加，可否得到投资的合理回报（ROI）。

　　每一代光刻机的开发和产业化，必须满足在合理的成本前提下，提供用户以（1）实用性，（2）可靠性，（3）易维护性。目前世界光刻机的制造商正面临KrF（248 rim）和ArF（193 rim）在继续向100 rim分辨率延伸的过程中，如何满足自己的ROI和器件制造者对光刻设备上述的“三性要求”。考虑到每代产品的研发周，企业的经营者们已开始加速下一代光刻（NGL）的研发计划，并在迫切要求中，加大了研发的力度和强度。世界光刻机制造商、用户、研发人员早在2001年8月召开的NGLWorksix）p中已强调NGL的重要性和紧迫性。由此可见，DRAM最小特征尺寸继续向70 rlln以下延伸的使命将由下一代曝光机（NGL）的介人才能完成。

　　国产光刻机水平进展：与国外的光刻机相比仍然存在差距

　　目前，光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML，并已经占据了高达80%的市场份额，垄断了高端光刻机市场——最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台，且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东，重金供养ASML，并且有技术人员驻厂，Intel、三星的14nm光刻机都是买自ASML，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。

　　相比之下，国内光刻机厂商则显得非常寒酸，处于技术领先的上海微电子装备有限公司（SMEE）已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机，制程上的差距就很大……国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

　　这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备，对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利响——ASML在向国内晶圆厂出售光刻机时有保留条款，那就是禁止用ASML出售给国内的光刻机给国内自主CPU做代工——只要中芯国际、华力微等晶圆厂采购的ASML光刻机，虽然不影响给ARM芯片做代工，但却不可能给龙芯、申威等自主CPU做代工、商业化量产。即便是用于科研和国防领域的小批量生产，也存在一定风险——采用陶瓷加固封装、专供军用的龙芯3A1500和在党政军市场使用的龙芯3A2000，只能是小批量生产，而且在宣传上也只能含糊其辞的说明是境内流片……这很大程度上影响了自主技术和中国集成电路产业的发展。参见瓦森纳协议（THEWASSENAARARRANGEMENT-DUAL-USELIST-CATEGORY3-ELECTRONICS）在纳斯达克上市的中芯国际都没办法搞到最先进制程的光刻机，只能去以色列拆二手生产线，甚至买二手设备都必须向美帝商务部申请经验证最终许可用户名单，明令禁止给国内研究所流片，谁让我朝是人家的头条竞争对手呢？

　　国产光刻机前景分析

　　目前技术领先的是上海微电子装备有限公司（SMEE），国家科技重大专项”极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”（02专项）的65nm光刻机研制，目前正在进行整机考核。65纳米到32纳米的具体技术分析：光刻机技术在90纳米是一个技术台阶，迈过90纳米那么很容易做到45纳米，也就是你可以做65纳米的光刻机，那么对65纳米的进行升级可以做到45纳米。45纳米又是一个技术台阶。迈过45纳米的那么就可以升级到22纳米比较容易。22纳米也是一个台阶。迈过22纳米的，升级到14纳米不难。中国目前有90纳米。用90纳米的升级到65纳米不难。但是45纳米就是一个技术台阶了。45纳米的研发比90纳米的和65纳米难很多。如果解决了45纳米那个可以升级到32纳米不难。但是下一步升级到22纳米，不能直接45纳米升级到22纳米了。22纳米用到了很多新的技术。

　　中国16个重大专项中的02专项提出光刻机到2020年出22纳米的。2015年出45纳米的并且65纳米的产业化。下面具体说一下45纳米的。因为目前主流的光刻机。包括32纳米的还有28纳米基本都是在45纳米的侵入深紫外光刻机上面改进升级来的。所以中国掌握45纳米的很重要。65纳米的在90纳米上面升级物镜到1.2口径就可以了。45纳米光刻机是一个很重要的台阶，达到这个水平后，在45纳米光刻机上面进行物镜和偏振光升级可以达到32纳米。

　　经过多年潜心攻关，中国终于取得了重要突破：

　　2017年3月11日央视《中国“芯”力量》介绍了中国在半导体设备和半导体原材料上取得的成绩和进步。其中，最引人瞩目的莫过于中国企业在刻蚀机上取得的成绩——16nm刻蚀机实现商业化量产并在客户的生产线上运行，7-10nm刻蚀机设备可以与世界最前沿技术比肩。更加令人振奋的是中国研发的5纳米芯片刻蚀机，也就是5纳米芯片制造设备成功问世。中国的光刻机也将发展的越来越好。