中國(guó)與國(guó)外相比較光刻工藝差別到底在哪里

作為制造芯片的核心裝備，***一直是中國(guó)的技術(shù)弱項(xiàng),其技術(shù)水平嚴(yán)重制約著中國(guó)芯片技術(shù)的發(fā)展。荷蘭ASML公司的***設(shè)備處于世界先進(jìn)水平，日本光刻設(shè)備大廠都逐漸被邊緣化，國(guó)內(nèi)更是還有很大的差距。那么中國(guó)光刻工藝與國(guó)外頂尖公司究竟相差多少代技術(shù)呢？

半導(dǎo)體制造工藝復(fù)雜，制造一顆芯片要經(jīng)過(guò)很多的工序，每一個(gè)工序都有核心的技術(shù)，光刻也是其中之一，***是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的設(shè)備。芯片制造可以用點(diǎn)石成金來(lái)形容，從最初的硅晶片到芯片價(jià)值可以翻12倍。當(dāng)原材料加工成晶圓后，將感光材料覆蓋在晶圓上，利用***光線的反射將復(fù)雜的電路圖復(fù)制到感光材料上，再用刻蝕機(jī)將暴露出來(lái)多余的硅片刻蝕掉。經(jīng)過(guò)離子注入其它復(fù)雜的工藝便有了半導(dǎo)體的特性，最后進(jìn)行測(cè)試，分割，封裝完成成品芯片。這些流程中，***起到了很重要的作用。

以便大家更直觀地了解光刻，我們?cè)僖匀粘Ｉ钪械某Ｒ?jiàn)事物為例：LED燈是節(jié)能環(huán)保的綠色能源，它正是利用***加工出的微納結(jié)構(gòu)(P、N結(jié))實(shí)現(xiàn)發(fā)光;電視、手機(jī)、電腦之所以能夠顯示各種圖像，是源于***在面板內(nèi)部加工出每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的多種微納結(jié)構(gòu);計(jì)算機(jī)更是光刻技術(shù)的集中體現(xiàn)，CPU、內(nèi)存、主板、顯卡等都是光刻加工的產(chǎn)物，正是得益于***技術(shù)的進(jìn)步(最小加工尺寸減小)，使得我們的CPU越來(lái)越快、內(nèi)存越來(lái)越大;汽車(chē)之所以知道空調(diào)溫度、安全帶是否系緊、車(chē)門(mén)是否關(guān)好、當(dāng)前車(chē)速、油量等等信息，正是源于利用光刻技術(shù)所加工的各種微型傳感器;機(jī)器人之所以能夠完成各種復(fù)雜動(dòng)作，也是利用***所加工的各種控制芯片、傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制;利用***加工的納米微針，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)痛注射，減輕病人痛苦……***的應(yīng)用在現(xiàn)代生活中不勝枚舉。

作為制造芯片的核心裝備，***一直是中國(guó)的技術(shù)弱項(xiàng),其技術(shù)水平嚴(yán)重制約著中國(guó)芯片技術(shù)的發(fā)展。荷蘭ASML公司的***設(shè)備處于世界先進(jìn)水平，日本光刻設(shè)備大廠(如佳能和尼康)都逐漸被邊緣化，國(guó)內(nèi)更是還有很大的差距，目前***設(shè)備82%的市場(chǎng)都被荷蘭ASML公司壟斷，最先進(jìn)7nm、5nm工藝的***設(shè)備也只有ASML公司制造，我國(guó)也有在研發(fā)生產(chǎn)***，但技術(shù)水平還比較落后，無(wú)法滿足現(xiàn)代芯片工藝要求。

***的中外發(fā)展史對(duì)比

中國(guó)的***研制在70年代后期起步，初期型號(hào)為接觸式或接近式***，85年完成第一臺(tái)分步***，此后技術(shù)一直在推進(jìn)。

1977年，我國(guó)最早的***GK-3型半自動(dòng)***誕生，JKG-3型***是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的制造中大規(guī)模集成電路的光刻設(shè)備，這是一臺(tái)接觸式***。(吳先升.φ75毫米圓片半自動(dòng)***[J].半導(dǎo)體設(shè)備,1979(04):24-28.)

JKG-3型***

1978年，1445所在GK-3的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了GK-4，把加工圓片直徑從50毫米提高到75毫米，自動(dòng)化程度有所提高，但同樣是接觸式***。

同期，中科院半導(dǎo)體所開(kāi)始研制JK-1型半自動(dòng)接近式***，于1981年研制成功兩臺(tái)樣機(jī)。

而美國(guó)在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)擁有了接觸式***，期間相差了二十幾年。此時(shí)的***巨頭ASML還沒(méi)有出現(xiàn)(1984年，ASML才誕生)，日本的尼康和佳能已于60年代末開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

1979年，機(jī)電部45所開(kāi)展了分步***的研制，對(duì)標(biāo)的是美國(guó)的4800DSW。1985年，研制出了樣機(jī)，通過(guò)電子部技術(shù)鑒定，認(rèn)為達(dá)到4800DSW的水平。如果資料沒(méi)有錯(cuò)誤，這應(yīng)當(dāng)是中國(guó)第一臺(tái)分步投影式***，采用的是436納米G線光源(周得時(shí).為研制我國(guó)自己的分步***(DSW)而拼搏[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,1991(03):30-38.)。按照這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)算，中國(guó)在分步***上與國(guó)外的差距不超過(guò)7年(美國(guó)是1978年)。

1990年3月，中科院光電所研制的IOE1010G直接分步重復(fù)投影***樣機(jī)通過(guò)評(píng)議，工作分辨率1.25微米，主要技術(shù)指標(biāo)接受美國(guó)GCA8000型的水平，相當(dāng)于國(guó)外80年代中期水平。

國(guó)家在2000年前后啟動(dòng)了193納米ArF***項(xiàng)目。而ASML已經(jīng)開(kāi)始EUV***的研發(fā)工作，并于2010年研發(fā)出第一臺(tái)EUV原型機(jī)，由三星、臺(tái)積電、英特爾共同入股推動(dòng)研發(fā)。這足足落后ASML 20多年。

中國(guó)目前能生產(chǎn)***的廠家及技術(shù)現(xiàn)狀

1、上海微電子裝備有限公司

上海微電成立于2002年3月，鄰近國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)基地、國(guó)家半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)基地和國(guó)家863信息安全成果產(chǎn)業(yè)化(東部)基地等多個(gè)國(guó)家級(jí)基地。該公司自主研發(fā)的600系列***，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)90nm的量產(chǎn)，目前正在研究65nm的工藝。

上海微電子的封裝***在市場(chǎng)上的占有率就相當(dāng)?shù)母吡?，尤其在?guó)內(nèi)的市場(chǎng)上。其后道封裝***已經(jīng)可以滿足各類(lèi)先進(jìn)的封裝工藝，且具備向客戶批量供貨的能力，還出口到了國(guó)外。上海微電子的芯片后道封裝***在國(guó)內(nèi)的市占率有80%，在全球的市占率達(dá)40%。另外，該公司研制并用于LED制造的投影***，在市場(chǎng)上的占有率為20%。

2、中子科技集團(tuán)公司第四十五研究所國(guó)電

中子科技集團(tuán)公司第四十五研究所國(guó)電，隸屬于中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司，其在CMP設(shè)備、濕化學(xué)處理設(shè)備、光刻設(shè)備、電子圖形印刷設(shè)備、材料加工設(shè)備和先進(jìn)封裝設(shè)備等領(lǐng)域具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。目前，其光刻設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1500nm的量產(chǎn)。

3、合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司

合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司成立與2006年4月，是國(guó)內(nèi)首家半導(dǎo)體直寫(xiě)光刻設(shè)備制造商。該公司自主研發(fā)的ATD4000，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)。

4、先騰光電科技有限公司

先騰光電成立于2013年4月，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)，在2014國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備及材料展覽會(huì)上，先騰光電亮出了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED***生產(chǎn)技術(shù)，震驚四座。

5、無(wú)錫影速半導(dǎo)體科技有限公司

無(wú)錫影速成立與2015年1月，影速公司是由中科院微電子研究所聯(lián)合業(yè)內(nèi)資深技術(shù)團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)基金共同發(fā)起成立的專業(yè)微電子裝備高科技企業(yè)。影速公司已成功研制用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的激光直寫(xiě)/制版光刻設(shè)備、國(guó)際首臺(tái)雙臺(tái)面高速激光直接成像連線設(shè)備(LDI)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)。

目前我國(guó)能生產(chǎn)***的企業(yè)有上述5家，其中最先進(jìn)的是上海微電子裝備有限公司，***量產(chǎn)的芯片工藝是90納米。據(jù)業(yè)界傳言，上海微電子也已經(jīng)在對(duì)65nm制程的前道光刻設(shè)備進(jìn)行研制(目前正在進(jìn)行整機(jī)考核)。***技術(shù)到了90nm是一個(gè)很關(guān)鍵的臺(tái)階，設(shè)備制造商一旦邁過(guò)90nm的臺(tái)階，后面就很容易研制出65nm的光刻設(shè)備，之后再對(duì)65nm的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，就可以研制出45nm的***。有業(yè)者預(yù)估，上海微電子的***設(shè)備有望在未來(lái)幾年內(nèi)達(dá)到45nm的水平。

一臺(tái)“分辨力最高”真能打破國(guó)際壟斷局面?

在去年年底，11月29日，由中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的超分辨光刻裝備項(xiàng)目在成都通過(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)。據(jù)介紹，該項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)近7年攻關(guān)，突破多項(xiàng)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，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22納米。22納米的***可以刻出來(lái)10納米的芯片。因?yàn)樽贤夤庾钚∈{米，所以說(shuō)十納米以下都得用多重曝光?！敖Y(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來(lái)還可用于制造10納米級(jí)別的芯片”。

當(dāng)時(shí)央視對(duì)此臺(tái)***如此報(bào)道：

超分辨光刻裝備項(xiàng)目的順利實(shí)施，打破了國(guó)外在高端光刻裝備領(lǐng)域的壟斷，為納米光學(xué)加工提供了全新的解決途徑，也為新一代信息技術(shù)、新材料、生物醫(yī)療等先進(jìn)戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)前沿和國(guó)防安全提供了核心技術(shù)保障。

項(xiàng)目副總設(shè)計(jì)師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松介紹：“第一個(gè)首先表現(xiàn)于我們現(xiàn)在的水平和國(guó)際上已經(jīng)可以達(dá)到持一致的水平。分辨率的指標(biāo)實(shí)際上也是屬于國(guó)外禁運(yùn)的一個(gè)指標(biāo)，我們這項(xiàng)目出來(lái)之后對(duì)打破禁運(yùn)有很大的幫助?！?/p>

“第二個(gè)如果國(guó)外禁運(yùn)我們也不用怕，因?yàn)槲覀冞@個(gè)技術(shù)再走下去，我們認(rèn)為可以有保證。在芯片未來(lái)發(fā)展、下一代光機(jī)電集成芯片或者我們說(shuō)的廣義芯片(研制領(lǐng)域)，有可能彎道超車(chē)走在更前面?！?/p>

然而，事實(shí)上真的如此嗎?連日本設(shè)備大廠都逐漸被邊緣化的***技術(shù)，真的被“7 年”磨一劍的中科院光電追趕上了嗎?答案：肯定不是真的。

國(guó)際上首臺(tái)分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備的出現(xiàn)，并不意味著中國(guó)的芯片制造立刻就能突飛猛進(jìn)。中科院光電所的這臺(tái)***還有一定的局限，據(jù)介紹，目前這個(gè)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。

也就是說(shuō)，目前該裝備主要適合生產(chǎn)制造一些光學(xué)等領(lǐng)域的器件。其工業(yè)之路仍有較長(zhǎng)一段路要走。這臺(tái)“超分辨光刻”裝備只可應(yīng)用在小批量、小視場(chǎng)(幾平方毫米)、工藝層少且套刻精度低、低成品率、小基片尺寸(4英寸以下)且產(chǎn)率低(每小時(shí)幾片)的一些特殊納米器件加工。但是在看到其線寬分辨率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，同樣需要看到與主流商用的ArF浸沒(méi)式投影***相比，其在視場(chǎng)、成品率、套刻精度及產(chǎn)率上的不同。所以其工業(yè)之路還比較坎坷。

有網(wǎng)友表示，以目前的技術(shù)能力，這臺(tái)設(shè)備只能做周期的線條和點(diǎn)陣，是無(wú)法制作復(fù)雜的IC需要的圖形的。所以，無(wú)法撼動(dòng)ASML在IC制造領(lǐng)域分毫的地位。