全球光刻機(jī)發(fā)展概況以及光刻機(jī)裝備國產(chǎn)化

張 霞，劉宏波，顧 文，周細(xì)應(yīng)，于治水

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

光刻機(jī)，被譽(yù)為人類20世紀(jì)的發(fā)明奇跡之一，是集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術(shù)門檻和資金門檻非常高。

光刻機(jī)是一種夸張類型的單反相機(jī)，將該層次光掩膜版上的事實圖形縮小幾百萬倍，并實際制造出來。最核心的是鏡頭，這個不是一般的鏡頭，可以達(dá)到高2 m、直徑1 m，甚至更大。光刻機(jī)是集成電路制造中最龐大、最精密復(fù)雜、難度最大、價格最昂貴的設(shè)備。光刻機(jī)就是將光掩膜版上的設(shè)計好的集成電路圖形（宏觀）通過光線的曝光印制到硅襯底的光感材料（微觀）上，實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。

這一系列的光刻工藝過程在芯片生產(chǎn)過程中需要重復(fù)25次左右。整個流程決定了半導(dǎo)體線路納米級的加工精度，對于功率以及光源的要求也十分復(fù)雜，對光刻機(jī)的技術(shù)要求十分苛刻，對誤差和穩(wěn)定性的要求極高，相關(guān)部件需要集成材料、光學(xué)、機(jī)電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。因而光刻機(jī)的分辨率、精度也成為其性能的評價指數(shù)，直接影響到芯片的工藝精度以及芯片功耗、性能水平[1]。

1 光刻原理

光刻（lithography）設(shè)備是一種投影曝光系統(tǒng)，由紫外光源、光學(xué)鏡片、對準(zhǔn)系統(tǒng)等部件組裝而成。在半導(dǎo)體制作過程中，光刻設(shè)備會投射光束，穿過印著圖案的光掩膜版及光學(xué)鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上，如圖1所示。通過蝕刻曝光或未受曝光的部份來形成溝槽，然后再進(jìn)行沉積、蝕刻、摻雜，架構(gòu)出不同材質(zhì)的線路[2]。此工藝過程被一再重復(fù)，將數(shù)十億計的MOSFET或其他晶體管建構(gòu)在硅晶圓上，形成一般所稱的集成電路。

圖1 光刻原理

半導(dǎo)體制程越先進(jìn)，光刻設(shè)備便需要越精密復(fù)雜，包括高頻率的激光光源、光掩模的對位精度、設(shè)備穩(wěn)定度等，集合了許多領(lǐng)域的最尖端技術(shù)。圖2是一張ASML的雙工作臺Twinscan光刻機(jī)介紹，各模塊的作用如圖2所示。

圖2 光刻機(jī)結(jié)構(gòu)

激光器（Laser）：也就是光源的發(fā)源地，光刻機(jī)核心設(shè)備之一。

束流輸送（Beam Delivery）：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光。

束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

物鏡（Projection Lens）：物鏡用來補(bǔ)償光學(xué)誤差，并將線路圖等比例縮小。

操作控制單元（Operate Control Unit）：操作控制設(shè)備的運(yùn)行控制電腦面板。

光源（Illuminator）：是光刻的利刃。光源的要求：有適當(dāng)?shù)牟ㄩL（波長越短，曝光的特征尺寸就越小），同時有足夠的能量，并且均勻地分布在曝光區(qū)。紫外光源的高壓弧光燈（高壓汞燈）的g線（436 nm）或i線（365 nm）；準(zhǔn)分子激光（Excimer laser）光源，比如KrF（248 nm）、ArF（193 nm）和 F2（157 nm）。

硅片傳輸系統(tǒng)（Wafer Transport System，WTS）：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，圓片尺寸越大，產(chǎn)率越高。曝光的特征尺寸越小，產(chǎn)率越高。

掃描刻線階段（Scanning Reticle Stage）：整個掃描曝光過程中由于硅片臺存在急劇的加速階段及減速階段，且加速度和減速度a大小一般會達(dá)到1～4 g（g代表重力加速度），因此會對步進(jìn)掃描光刻機(jī)造成擾動。由于硅片臺和掩模臺的運(yùn)動精度、同步精度等要求，必須對步進(jìn)掃描光刻機(jī)受到的擾動進(jìn)行有效抑制和補(bǔ)償，以提高硅片上形成圖形的精度。

掃描硅片階段（Scanning Wafer Stage，SWS）：硅片是圓的，需要在硅片上剪一個缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫 flat，notch。

隔震器（Airmounts）：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

2 全球光刻機(jī)發(fā)展概況

目前業(yè)界有5家公司，分別是荷蘭的ASML、日本的Nikon、日本的canon、美國的ultratech以及我國的SMEE。

阿斯麥（Advanced Semiconductor Materials Lithography，ASML）1971年脫胎于飛利浦光刻設(shè)備研發(fā)小組，1973年成功推出新型光刻設(shè)備。早期的發(fā)展慘潰，幾乎陷入破產(chǎn)境界。一是因為技術(shù)落后，飛利浦公司先前研發(fā)的技術(shù)在漫長的等待中已經(jīng)過時，遠(yuǎn)不能滿足客戶要求；二是市場已經(jīng)飽和，競爭非常激烈，強(qiáng)手如林，日本的Nikon，Canon，Hitachi，美國的GCA，SVG，Ultratch，ASET，Perkin-Elmer，Eaton，民主德國的Zeiss等相繼推出了自己的光刻機(jī)產(chǎn)品；三是資金嚴(yán)重匱乏。

但是ASML殺出重圍，并成長為光刻機(jī)領(lǐng)域的絕對龍頭，全球市占率達(dá)到近70%，壟斷高端EUV（深紫外）光刻機(jī)市場。觀其成長之路，可謂一段產(chǎn)業(yè)傳奇。1995年上市，充裕的資金讓公司發(fā)展提速；2000年推出Twinscan雙工件臺光刻機(jī)（見圖2），一舉奠定霸主地位；進(jìn)入EUV時代，得到大客戶支持，更是一騎絕塵?？梢哉fASML的龍頭之路既與產(chǎn)業(yè)大環(huán)境密切相關(guān)，也是其自身重視研發(fā)，對研究創(chuàng)新始終采取開放態(tài)度的必然結(jié)果。

隨著芯片尺寸不斷縮小，EUV設(shè)備未形成行業(yè)剛需，目前全球一線的邏輯晶圓與存儲晶圓廠商，均采購ASML的Twinscan機(jī)型，其中英特爾、三星、臺積電三大巨頭，紛紛入股ASML，以謀求其高端光刻設(shè)備共同開發(fā)與優(yōu)先采購權(quán)。

ASML的研究團(tuán)隊與供應(yīng)商及全球頂尖的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)建立廣泛的合作，采用開放式創(chuàng)新模式，大家在利己最擅長的尖端技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，分享專利成果和研發(fā)風(fēng)險，合作伙伴也可以將這些技術(shù)用于其他領(lǐng)域。并且鼓勵供應(yīng)商在制造過程中提出改進(jìn)意見，具有極高的效率和靈活性。

3 光刻機(jī)裝備國產(chǎn)化的發(fā)展之路

我國光刻機(jī)設(shè)備的研制起步也不晚。從20世紀(jì)70年代開始就先后有清華大學(xué)精密儀器系、中科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科45所投入研制。

2002年國家在上海組建上海微電子裝備有限公司承擔(dān)“十五”光刻機(jī)攻關(guān)項目時，中電科45所將從事分步投影光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)的團(tuán)隊整體遷至上海參與其中。目前，我國從事集成電路前道制造用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商只有上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司（SMEE）和中國電科（CETC）旗下的電科裝備。

上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司（SMEE）是國內(nèi)技術(shù)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研制生產(chǎn)單位，目前已量產(chǎn)的光刻機(jī)有3款（見表1），其中性能最好的是90 nm光刻機(jī)。2016年國內(nèi)首臺前道i線掃描光刻機(jī)交付用戶。2017年4月公司承擔(dān)的國家02重大科技專項任務(wù)“浸沒光刻機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項目”通過了國家正式驗收；2017年10月公司承擔(dān)的02重大科技專項“90 nm光刻機(jī)樣機(jī)研制”任務(wù)通過了02專項實施管理辦公室組織的專家組現(xiàn)場測試。

表1 SMEE量產(chǎn)的3款光刻機(jī)

CETC的裝備光刻機(jī)是依托原來中電科45所的技術(shù)，45所從“六五”開始一直從事光刻機(jī)的研制開發(fā)工作，先后完成我國“六五”“八五”“九五”期間的1.5 μm，0.8 μm，0.5 μm光刻機(jī)的研制任務(wù)。2002年分步投影光刻機(jī)研發(fā)團(tuán)隊遷至上海后，目前公司主要研制生產(chǎn)用于100/150 mm中小規(guī)模集成電路、二極管、三極管、電力電子器件、MEMS和其他半導(dǎo)體器件制造工藝的單/雙面接觸接近式光刻機(jī)產(chǎn)品（見表2）。

表2 CETC開發(fā)的單/雙面接觸接近式光刻機(jī)產(chǎn)品

4 結(jié)語

SMEE的光刻機(jī)、電科裝備的化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）設(shè)備、北方華創(chuàng)的刻蝕機(jī)和CVD、盛美的清洗設(shè)備、中微的刻蝕機(jī)等都是非常有競爭力的，很多產(chǎn)品已經(jīng)走出國門，或者與國外裝備同步驗證[3]。

客觀地講，這些都是最近幾年中國半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)的亮點(diǎn)。當(dāng)然這些成績也只是國產(chǎn)裝備的初步發(fā)展，要真正做到國產(chǎn)高端裝備全面進(jìn)入市場還有很長的路要走。

第一，裝備與工藝的結(jié)合問題，一直是制約國產(chǎn)裝備進(jìn)入大生產(chǎn)線的主要瓶頸之一。國際半導(dǎo)體裝備廠商，特別是關(guān)鍵的、與工藝密切相關(guān)的前道設(shè)備廠商在工藝研發(fā)上投入巨大，一般都建有相應(yīng)的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。而目前國內(nèi)半導(dǎo)體裝備廠商還沒有建立自己的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。工藝固化到裝備中，我們還有不小的距離。

第二，堅持自主研發(fā)，從零部件入手，掌控核心技術(shù)。國家重大專項對半導(dǎo)體設(shè)備與工藝的重視，對國產(chǎn)裝備業(yè)來說是莫大的發(fā)展機(jī)會。我國不僅要支持關(guān)鍵裝備的研發(fā)生產(chǎn)，也要支持相關(guān)重要零部件廠商。

第三，協(xié)同創(chuàng)新，成果共享。目前半導(dǎo)體裝備越來越復(fù)雜，一家公司獨(dú)自承擔(dān)所有零部件的開發(fā)確實不易。我們應(yīng)該利用整個國家、甚至于全球的資源來共同完成。

發(fā)展裝備業(yè)，要采取產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、金融鏈有效協(xié)同的新模式，專項與重點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃協(xié)同布局，主動引導(dǎo)地方和社會的產(chǎn)業(yè)投資跟進(jìn)支持，有效推動專項成果產(chǎn)業(yè)化，扶植企業(yè)做大做強(qiáng)，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提高整體產(chǎn)業(yè)實力。

希望有更多的社會資本能投入中國半導(dǎo)體裝備業(yè)中，半導(dǎo)體裝備的國產(chǎn)化遠(yuǎn)比芯片國產(chǎn)化有意義。