俄羅斯預(yù)計(jì)2028年生產(chǎn)7nm工藝制造的光刻機(jī)

近日，俄羅斯下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展(Nizhy Novgorod Strategy Development)網(wǎng)站發(fā)布一則計(jì)劃，俄羅斯科學(xué)院下屬俄羅斯應(yīng)用物理研究所(Russian Institute of Applied Physics，IAP RAS)打算超越所有人的預(yù)期，到 2028 年生產(chǎn)出具有 7nm 工藝制造的光刻機(jī)。

據(jù)維基百科消息，俄羅斯科學(xué)院是俄羅斯的國家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)公共且非營利組織，也是世界上重要研究機(jī)構(gòu)之一。截至2022年10月1日，俄羅斯科學(xué)院共有877名院士、1130名通訊院士和715名俄羅斯科學(xué)院教授(其中的163名俄羅斯科學(xué)院教授兼有通訊院士身份、16名俄羅斯科學(xué)院教授兼有院士身份)。下諾夫哥羅德是俄羅斯重要的經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、科學(xué)、教育和文化中心，位于東歐平原的中心、伏爾加河與其最大支流奧卡河的交匯處，是伏爾加聯(lián)邦管區(qū)和下諾夫哥羅德州的行政中心(首府)。

這則消息似乎有些離譜?畢竟俄羅斯目前最先進(jìn)的晶圓廠也就能使用65nm工藝技術(shù)生產(chǎn)芯片。由于美國制裁，美國、英國、歐盟和臺(tái)灣地區(qū)等實(shí)際上禁止了幾乎所有擁有先進(jìn)晶圓廠與俄羅斯實(shí)體企業(yè)合作。

光刻機(jī)譽(yù)為“現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)皇冠上的明珠”，是一種高度復(fù)雜的設(shè)備。光刻機(jī)是通過紫外光作為“畫筆”，把預(yù)先設(shè)計(jì)好的芯片電路路線書寫在硅晶圓旋涂的光刻膠上，光刻工藝直接決定了芯片中晶體管的尺寸和性能，是芯片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的過程。當(dāng)前市場主流采用深紫外(DUV，193 nm)光源和極紫外(EUV，13.5 nm)光源，DUV能覆蓋7nm及以上工藝需求，但想要先進(jìn)工藝向5nm及以下先進(jìn)工藝就需要EUV。

不過下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展網(wǎng)站公布的信息指出，下諾夫哥羅德的物理學(xué)家、工程師和設(shè)計(jì)師選擇了 X 射線輻射源，這意味著俄羅斯計(jì)劃生產(chǎn)的 “光刻機(jī)”與ASML等公司的有所不同。例如，IAP RAS 計(jì)劃使用大于 600W 的光源(總功率，不是中焦功率)，曝光波長為 11.3nm(EUV 波長為 13.5nm)，這將需要比現(xiàn)在更復(fù)雜的光學(xué)器件。由于該設(shè)備的光源功率相對(duì)較低，這將使該工具更緊湊，更易于構(gòu)建。

圖注：示范站方案。來源下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展

為此，俄羅斯的開發(fā)商們將走上自己獨(dú)特的道路。但同時(shí)，這種光刻機(jī)的產(chǎn)量將大大低于目前市場上主流的深紫外(DUV)光刻機(jī)。

與ASML的平板印刷機(jī)相比，在下諾夫哥羅德模型中，輻射源在運(yùn)行中更加緊湊和清潔，最終顯著影響設(shè)備的成本、尺寸和復(fù)雜性。下諾夫哥羅德的科學(xué)家們預(yù)測，在輻射源功率相同的情況下，下諾夫哥羅德設(shè)備——不再是演示設(shè)備，而是完全可操作的設(shè)備——將比荷蘭ASML的光刻機(jī)的效率高 1.5-2 倍。他們認(rèn)為，這樣的預(yù)測是有根據(jù)的：僅憑演示器，就可以在基板上獲得分辨率高達(dá) 7 nm 的單個(gè)圖像。

該版畫計(jì)劃于 2028 年完成。來源下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展

俄羅斯IAP RAS為在2028年制造出光刻機(jī)的工業(yè)原型，該計(jì)劃共分為3個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。

圖注：未來的三步驟。來源下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展

第一階段：在2024 年開發(fā)一臺(tái) alpha 機(jī)器。從這一刻起，該設(shè)備將成為工作設(shè)備，并將被設(shè)計(jì)為執(zhí)行一個(gè)完整的操作周期。然而，現(xiàn)階段的重點(diǎn)不在于其工作或解決的高速性，而是所有系統(tǒng)的全面實(shí)施。

第二階段：到 2026 年，alpha 應(yīng)該被 beta 所取代。這意味著屆時(shí)所有系統(tǒng)都將得到改進(jìn)和優(yōu)化，分辨率也將得到大大提升，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合格率，如真能實(shí)現(xiàn)，那么將來的許多操作都可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化。該階段最重要的是將其集成到實(shí)際的技術(shù)流程中，再通過“拉起”適合其他生產(chǎn)階段的設(shè)備對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

第三階段：在開發(fā)的最后階段，也是核心的部分。那就是將為光刻機(jī)帶來更強(qiáng)的光源、改進(jìn)的定位和饋送系統(tǒng)，從而讓一套光刻系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地工作。預(yù)計(jì)該工作將在2028年內(nèi)完成。

下諾夫哥羅德代表團(tuán)展示了光刻設(shè)備的演示樣品，該設(shè)備是在下諾夫哥羅德的 IAP RAS 開發(fā)、制造和安裝的。到目前為止，這甚至不是設(shè)備原型，而是“原型的原型”。

演示版不能解決實(shí)際的工業(yè)問題，但它的主要功能是讓俄羅斯的科學(xué)家們有機(jī)會(huì)驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的可行性，并測試進(jìn)一步工作所必須的其他關(guān)鍵假設(shè)。也就是實(shí)踐出真知，盡管制造光刻機(jī)比原子彈還難，但面對(duì)“卡脖子”的困境，邁出第一步才有解決問題的希望。

于俄羅斯而言，其汽車、航天、工業(yè)等半導(dǎo)體設(shè)備很大一部分是按照360nm-65nm的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，盡管當(dāng)前最先進(jìn)的工藝已經(jīng)達(dá)到了3nm工藝，2nm工藝也將在近幾年推出。這種嚴(yán)重工藝滯后的風(fēng)險(xiǎn)，將在不久的將來帶來嚴(yán)重的后果。

世界上沒有任何一個(gè)國家/地區(qū)能擁有半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈，芯片制造的過程含有數(shù)百道復(fù)雜且精密的工序，涉及多種設(shè)備和數(shù)百種不同的材料。光刻機(jī)更是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，ASML 于 2003 年底推出了其第一款浸沒式光刻系統(tǒng)——Twinscan XT:1250i，并計(jì)劃在 2004 年第三季度交付一個(gè)，以生產(chǎn) 65nm 邏輯芯片和 70nm 半間距 DRAM。ASML花了大約5年時(shí)間，才在 2008 年底宣布其另一代 32nm 功能的 Twinscan NXT:1950i，并于 2009 年開始向客戶交付。

作為光刻機(jī)龍頭ASML也是花了大約9年時(shí)間才在2018年交付其支持 7nm 和 5nm 的 Twinscan NXT:2000i DUV 工具。ASML的光刻機(jī) 從 65nm 到 7nm工藝也是花了14年時(shí)間，從時(shí)間跨度上可見其難度。

在財(cái)力上，僅2021年，ASML每年的研發(fā)支出達(dá)到25億歐元。

圖注：2015年-2021年ASML研發(fā)成本(單位：百萬歐元)

如今，俄羅斯在芯片生產(chǎn)方面沒有經(jīng)驗(yàn)，而且晶圓廠設(shè)備不限于光刻機(jī)，還有刻蝕、沉積、抗試劑去除、計(jì)量、檢查操作等，想要在6年時(shí)間內(nèi)從頭開始制造一臺(tái)7nm的光刻機(jī)，確實(shí)需要打一個(gè)問號(hào)。

圖注：俄羅斯科學(xué)院微結(jié)構(gòu)物理研究所副所長尼古拉·奇哈洛語錄。來源下諾夫哥羅德戰(zhàn)略發(fā)展

不過，俄羅斯科學(xué)院微結(jié)構(gòu)物理研究所副所長尼古拉·奇哈洛表示，“ASML近20年一直在調(diào)試其EUV光刻系統(tǒng)，事實(shí)證明其技術(shù)是非常復(fù)雜的。ASML的目標(biāo)是保持只有世界上最大的工廠才需要的極高性能，但俄羅斯并不需要這么高的精密度，我們從國內(nèi)微電子面臨的需求和任務(wù)出發(fā)，是質(zhì)量而不是數(shù)量。首先，我們需要過渡到自己的流程，開發(fā)新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括儀器、工程、材料等都是不可避免的，不過我們試圖在簡單性和性能之間取得平衡。”

編輯：黃飛

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