國(guó)產(chǎn)SP光刻機(jī)到底牛在哪里

據(jù)中新網(wǎng)報(bào)道，由中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備——超分辨光刻裝備項(xiàng)目于11月29日在成都通過(guò)驗(yàn)收，作為項(xiàng)目重要成果之一，中國(guó)科學(xué)家已研制成功世界上首臺(tái)分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備，并形成一條全新的納米光學(xué)光刻工藝路線，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

中科院光電所所長(zhǎng)、超分辨光刻裝備項(xiàng)目首席科學(xué)家羅先剛研究員介紹說(shuō)，2012年，該所承擔(dān)了超分辨光刻裝備這一國(guó)家重大科研裝備項(xiàng)目研制任務(wù)，經(jīng)過(guò)近7年艱苦攻關(guān)，在無(wú)國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，項(xiàng)目組突破了高均勻性照明、超分辨光刻鏡頭、納米級(jí)分辨力檢焦及間隙測(cè)量和超精密、多自由度工件臺(tái)及控制等關(guān)鍵技術(shù)，完成國(guó)際上首臺(tái)分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備研制，其采用365納米波長(zhǎng)光源，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22納米(約1/17曝光波長(zhǎng))。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組還結(jié)合超分辨光刻裝備項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的高深寬比刻蝕、多重圖形等配套工藝，實(shí)現(xiàn)了10納米以下特征尺寸圖形的加工。

▲超分辨光刻設(shè)備加工的4英寸光刻樣品。

這一世界首臺(tái)分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備是基于表面等離子體超衍射研制而成，它打破了傳統(tǒng)光學(xué)光刻分辨力受限于光源波長(zhǎng)及鏡頭數(shù)值孔徑的傳統(tǒng)路線格局，形成了一條全新的超衍射納米光刻從原理、裝備到工藝的技術(shù)路線，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為超材料/超表面、第三代光學(xué)器件、廣義芯片等變革性戰(zhàn)略領(lǐng)域的跨越式發(fā)展提供了制造工具。

驗(yàn)收專家認(rèn)為，中科光電所研制成功的超分辨光刻裝備所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于實(shí)施方案規(guī)定的考核指標(biāo)要求，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到超分辨成像光刻領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先水平。該項(xiàng)目在原理上突破分辨力衍射極限，建立一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線，繞過(guò)了國(guó)外高分辨光刻裝備技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，實(shí)現(xiàn)中國(guó)技術(shù)源頭創(chuàng)新，研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)自主可控的超分辨光刻裝備，也是世界上首臺(tái)分辨力最高紫外超分辨光刻裝備。

同時(shí)，利用研制成功的超分辨光刻裝備已制備出一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、切倫科夫輻射器件、生化傳感芯片、超表面成像器件等，驗(yàn)證了該裝備納米功能器件加工能力，已達(dá)到實(shí)用化水平。

中科院光電所超分辨光刻裝備項(xiàng)目已發(fā)表論文68篇，目前已獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利47項(xiàng)，授權(quán)國(guó)際專利4項(xiàng)，并培養(yǎng)出一支超分辨光刻技術(shù)和裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)。羅先剛表示，中科院光電所后續(xù)將進(jìn)一步加大超分辨光刻裝備的功能多樣化研發(fā)和推廣應(yīng)用力度，推動(dòng)國(guó)家相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展。

爭(zhēng)議不斷

當(dāng)這則“中國(guó)成功研制世界上首臺(tái)分辨力最高的紫外(即22納米@365納米)超分辨光刻裝備”的消息一經(jīng)報(bào)道，立刻引發(fā)了兩種完全對(duì)立的聲音。

很多人認(rèn)為這是“歷史性的突破”，中國(guó)芯片制造將走向完全自主；而另一群人則認(rèn)為是在“吹牛”、“放衛(wèi)星”。那么究竟哪種觀點(diǎn)才靠譜呢？

今天業(yè)內(nèi)人士——認(rèn)證信息為“中國(guó)科學(xué)院/新加坡國(guó)立大學(xué)光學(xué)工程博士在讀”的知乎網(wǎng)友@看風(fēng)景的蝸牛君 對(duì)此進(jìn)行了解析。

先回答大家最關(guān)心的兩個(gè)問(wèn)題：

1、我們可以實(shí)現(xiàn)芯片徹底國(guó)產(chǎn)化了嗎？

答：暫時(shí)還不行。

2、不吹不黑，這個(gè)裝備真的這么厲害嗎，還是只是吹牛？

答：確實(shí)很厲害。

很多人只盯著新聞里22nm這個(gè)指標(biāo)，其實(shí)大家要關(guān)注的是“365nm的光源，單次曝光線寬可達(dá)22nm”。注意到我加黑的那幾個(gè)關(guān)鍵詞了嗎？22nm指標(biāo)雖然很棒但是業(yè)界早就做過(guò)了，到底哪里厲害呢？所以關(guān)鍵是用365nm的光源單次曝光做到22nm，懂點(diǎn)光學(xué)的就知道這意味著什么：打破了傳統(tǒng)的衍射極限。

所以在我看來(lái)，這臺(tái)機(jī)器最大的價(jià)值是驗(yàn)證了表面等離子體（SP）光刻加工的可行性。

這臺(tái)SP***與ASML***對(duì)比怎么樣呢？舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦影?，這就像是初期的槍械與最厲害的弓箭的對(duì)比。早期槍械，比如火銃，無(wú)論是射擊精度還是射擊距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上厲害的弓箭，但是如今的狙擊槍早已把弓箭甩開(kāi)十萬(wàn)八千里了，這就是原理性的勝利。

要理解剛才說(shuō)的這個(gè)“原理性的勝利”到底是怎么回事，我們首先得回顧一下以ASML為代表的傳統(tǒng)***是怎么做的。

上面是ASML***簡(jiǎn)單的原理圖，拋開(kāi)復(fù)雜的監(jiān)測(cè)設(shè)備不談，最核心的原理就是通過(guò)物鏡系統(tǒng)將掩膜版上的圖案進(jìn)行縮印成像。涉及到成像過(guò)程，就不得不考慮光的衍射極限。即便拋開(kāi)所有的幾何像差，由于衍射的作用，一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)成像后也會(huì)變成一個(gè)彌散斑，被稱為“艾里斑”。因此實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率就是兩個(gè)艾里斑恰好能夠分開(kāi)的距離。

所以由于衍射效應(yīng)，成像分辨率會(huì)受到限制，最終的分辨率取決于波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑等參數(shù)，波長(zhǎng)越小、數(shù)值孔徑越大分辨率則越高。所以ASML這些年來(lái)主要的研究方向就是利用更短的波長(zhǎng)（近紫外-深紫外-極紫外）、增大數(shù)值孔徑（更復(fù)雜的物鏡、液體浸沒(méi)）。但是每進(jìn)一步都變得更加艱難，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工裝配、誤差檢測(cè)等等諸多方面都提出了更為苛刻的要求，成本也越來(lái)越高昂。

那么表面等離子體光刻又是怎么一回事呢？表面等離子體指的是一種局域在物質(zhì)表面的特殊的電磁波，隨著離開(kāi)物質(zhì)表面距離的增大迅速衰減，一般認(rèn)為波長(zhǎng)量級(jí)以上的區(qū)域就不存在了。

更為神奇的是，雖然表面等離子體波是由其他電磁波激發(fā)的，但是波長(zhǎng)會(huì)被極大地壓縮，而壓縮的比例取決于材料的電磁性質(zhì)等參數(shù)。

這就意味著，利用表面等離子體波進(jìn)行光刻時(shí)，從原理上就不在受到傳統(tǒng)衍射極限的限制了。

在***研制方面，我們一直有兩個(gè)選擇：沿用ASML的老路走一遍，還是另辟蹊徑通過(guò)新原理彎道超車(chē)？我們國(guó)家目前兩個(gè)選擇都在做。而這臺(tái)SP***的研制成功，就是讓我們看到了彎道超車(chē)的可能性。其實(shí)從原理上，這簡(jiǎn)直就不是彎道超車(chē)了，而是在別的人還在繞山路的時(shí)候，我們嘗試著打了一條隧道……雖然還沒(méi)有完全挖通，但曙光就在眼前了。