中國(guó)芯片制造邁出一大步！中科院造出最強(qiáng)紫外超分辨光刻機(jī)
我國(guó)在芯片制造領(lǐng)域取得新突破！
經(jīng)過近七年艱苦攻關(guān)，“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收。這意味著，現(xiàn)在中國(guó)有了“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”。
換句話說，我國(guó)科學(xué)家研制成功了一種非常強(qiáng)大的光刻機(jī)。
光刻機(jī)，那可是芯片制造的核心裝備。我國(guó)一直在芯片行業(yè)受制于人，在光刻機(jī)領(lǐng)域更是如此，時(shí)常遭遇國(guó)外掐脖子、禁售等種種制約。
對(duì)于這次的突破，驗(yàn)收專家組的意見是：
該光刻機(jī)在 365 納米光源波長(zhǎng)下，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到 22 納米。項(xiàng)目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線，繞過國(guó)外相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘。
消息一出，很多人都紛紛稱贊，但大多數(shù)都是不明覺厲，當(dāng)然也有人說是吹牛。這個(gè)消息背后，到底意味著什么呢？
這個(gè)突破亮點(diǎn)很多，其中最值得關(guān)注的有幾個(gè)點(diǎn)，量子位簡(jiǎn)單總結(jié)如下：
光源：粗刀刻細(xì)線
這個(gè)國(guó)產(chǎn)的光刻機(jī)，采用365 納米波長(zhǎng)光源，屬于近紫外的范圍。
通常情況下，為了追求更小的納米工藝，光刻機(jī)廠商的解決方案是，使用波長(zhǎng)越來越短的光源。ASML 就是這種思路。
現(xiàn)在國(guó)外使用最廣泛的光刻機(jī)的光源為193 納米波長(zhǎng)深紫外激光，光刻分辨力只有 38 納米，約 0.27 倍曝光波長(zhǎng)。
這臺(tái)國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)，可以做到 22 納米。而且，“結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還可用于制造 10 納米級(jí)別的芯片”。
也就是說，中科院光電所研發(fā)的這臺(tái)光刻機(jī)，用波長(zhǎng)更長(zhǎng)（近紫外）、成本更低（汞燈）的光源，實(shí)現(xiàn)了更高的光刻分辨力（0.06 倍曝光波長(zhǎng)）。
項(xiàng)目副總設(shè)計(jì)師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，打了一個(gè)比方：“這相當(dāng)于我們用很粗的刀，刻出一條很細(xì)的線。”這就是所謂的突破分辨力衍射極限。
因此，它也被稱為世界上首臺(tái)分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備。
成本：高端設(shè)備“白菜價(jià)”
波長(zhǎng)越短，成本越高。
為獲得更高分辨力，傳統(tǒng)上采用縮短光波、增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑等技術(shù)路徑來改進(jìn)光刻機(jī)，但問題在于不僅技術(shù)難度極高，裝備成本也極高。
ASML 最新的第五代光刻機(jī)使用波長(zhǎng)更短的 13.5 納米極紫外光（EUV），用于實(shí)現(xiàn) 14 納米、10 納米、及 7 納米制程的芯片生產(chǎn)。
一臺(tái)這樣的光刻機(jī)售價(jià) 1 億美元以上。
而中科院光電所這臺(tái)設(shè)備，使用波長(zhǎng)更長(zhǎng)、更普通的紫外光，意味著國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)使用低成本光源，實(shí)現(xiàn)了更高分辨力的光刻。
有網(wǎng)友評(píng)價(jià)稱，中國(guó)造的光刻機(jī)說不定和其他被中國(guó)攻克的高科技設(shè)備一樣，以后也成了白菜價(jià)。
突破：破局禁運(yùn)，彎道超車
這臺(tái)光刻機(jī)的出現(xiàn)，還有另一個(gè)重要的意義。
這里我們引用央廣的報(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)目出來之后對(duì)打破禁運(yùn)有很大的幫助。”
“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。在芯片未來發(fā)展、下一代光機(jī)電集成芯片或者我們說的廣義芯片（研制領(lǐng)域），有可能彎道超車走在更前面。”
局限
當(dāng)然，我們也不能頭腦發(fā)熱。
這個(gè)設(shè)備的出現(xiàn)，并不意味著我國(guó)的芯片制造立刻就能突飛猛進(jìn)。一方面，芯片制造是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，另一方面中科院光電所的光刻機(jī)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，目前主要是一些光學(xué)等領(lǐng)域的器件。
不過也有知乎網(wǎng)友表示“以目前的技術(shù)能力，只能做周期的線條和點(diǎn)陣，是無法制作復(fù)雜的 IC 需要的圖形的”。
這一技術(shù)被指“在短期內(nèi)是無法應(yīng)用于 IC 制造領(lǐng)域的，是無法撼動(dòng) ASML 在 IC 制造領(lǐng)域分毫的……但形成了一定的威脅，長(zhǎng)期還是有可能取得更重要的突破的。”
中國(guó)光刻機(jī)制造落后現(xiàn)狀
目前國(guó)際上生產(chǎn)光刻機(jī)的主要廠商有荷蘭的 ASML、日本的尼康、佳能。其中，數(shù) ASML 技術(shù)最為先進(jìn)。
國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)光刻機(jī)的公司，比如上海微電子裝備，但技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于 ASML。
上海微電子裝備目前生產(chǎn)的光刻機(jī)僅能加工 90 納米工藝制程芯片，這已經(jīng)是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)最高水平。而 ASML 已經(jīng)量產(chǎn) 7 納米制程 EUV 光刻機(jī)，至少存在著十幾年的技術(shù)差距。
光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，過去一直是中國(guó)的技術(shù)弱項(xiàng)。光刻機(jī)的水平嚴(yán)重制約著中國(guó)芯片技術(shù)的發(fā)展。我們一直在被“卡脖子”。
國(guó)內(nèi)的芯片制造商中芯國(guó)際、長(zhǎng)江存儲(chǔ)等廠商不得不高價(jià)從 ASML 買入光刻機(jī)。
今年 5 月，日經(jīng)亞洲評(píng)論曾報(bào)道，中芯國(guó)際向國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備大廠 ASML 下單了一臺(tái) 1.2 億美元的 EUV 光刻機(jī)，預(yù)計(jì)將于 2019 年初交貨。
另外，長(zhǎng)江存儲(chǔ)今年也從 ASML 買入一臺(tái)浸潤(rùn)式光刻機(jī)，售價(jià)高達(dá) 7200 萬美元。
那么，所謂的光刻機(jī)到底是啥？
光刻機(jī)原理
光刻機(jī)，芯片制造的核心設(shè)備之一。中科院光電所的胡松、賀曉棟在《中科院之聲》發(fā)表的一篇文章中這樣介紹它的重要性：
后工業(yè)時(shí)代包括現(xiàn)在的工業(yè) 3.0、工業(yè) 4.0，都以芯片為基礎(chǔ)，光刻機(jī)作為制造芯片的工具，就相當(dāng)于工業(yè)時(shí)代的機(jī)床，前工業(yè)時(shí)代的人手。
但比較特殊的是，光刻機(jī)以光為“刀具”。具體來說，工藝流程大致是這樣的：
在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。
引自：《一文看懂光刻機(jī)》，華創(chuàng)證券
這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的過程，通常情況下，想要用光刻機(jī)制造出一個(gè)芯片，需要在極其細(xì)微的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行上百次套刻和數(shù)千道工藝，需要幾百種設(shè)備才能完成。
這次中科院研制成功的光刻機(jī)，能力達(dá)到了 22 納米。這是什么概念呢？中科院的文章中提到了一個(gè)對(duì)比：
頭發(fā)的直徑約為 80 微米，22 納米是頭發(fā)直徑的1/3600。也就是說，這個(gè)光刻機(jī)能夠在頭發(fā)表面加工各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
這臺(tái)光刻機(jī)，是誰研發(fā)出來的？
中科院光電所的 7 年探索
這臺(tái)光刻機(jī)背后的研究機(jī)構(gòu)是中科院光電所。
帶頭完成這項(xiàng)研發(fā)任務(wù)的，是中科院光電所所長(zhǎng)、超分辨光刻裝備項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授&博導(dǎo)羅先剛研究員。
羅先剛在光電領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位從他的一長(zhǎng)串 title 中可見一斑：
微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)家 973 計(jì)劃首席科學(xué)家，曾獲 2016 年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，2017 年中國(guó)工程院院士增選有效候選人，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，中組部首批萬人計(jì)劃科技領(lǐng)軍人才、2009 年“新世紀(jì)百千萬人才工程”國(guó)家級(jí)人選，2004 年中科院“百人計(jì)劃”入選者，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)、國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)、國(guó)際光電子與激光工程學(xué)會(huì)四大學(xué)會(huì)成員（Fellow）。
從 1995 年在中科院光電技術(shù)研究所讀碩士開始，羅先剛已經(jīng)從事光電領(lǐng)域 20 余年了，在中科院光電技術(shù)研究所讀完碩士和博士后，他去了日本理化學(xué)研究所做博士后和研究科學(xué)家。
2004 年，羅先剛回到了他讀書的中科院光電技術(shù)研究所，開始擔(dān)任研究員。20 余年的光電學(xué)術(shù)之路上，他不僅發(fā)表了 SCI 收錄論文 100 余篇，還帶出了數(shù)十名優(yōu)秀的碩士博士生。
項(xiàng)目副總師胡松也是中科院光電技術(shù)研究所的研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博導(dǎo)，在光學(xué)投影曝光微納加工技術(shù)、 微細(xì)加工光刻技術(shù)有豐富的經(jīng)驗(yàn)，享受國(guó)務(wù)院政府津貼，曾主持多個(gè)國(guó)家級(jí)、部委級(jí)、省級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表十余項(xiàng)專利技術(shù)。
中科院光電所完成這項(xiàng)計(jì)劃用了 7 年。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)報(bào)道，2012 年，中科院光電所承擔(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)，當(dāng)時(shí)并沒有任何國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。
7 年來，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。
另外，這個(gè)項(xiàng)目還發(fā)表了論文 68 篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 92 項(xiàng)，其中授權(quán) 47 項(xiàng)，申請(qǐng)國(guó)際專利 8 項(xiàng)，授權(quán) 4 項(xiàng)，為國(guó)家培養(yǎng)了一支超分辨光刻技術(shù)和裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
