先進整合電路製造均圍繞光刻工藝展開
整合電路行業中有 '一代器件, 一代工藝, 一代設備與材料' 之說, 其意指在整個行業進入納米時代以後, 微納製造技術更多地依靠引入新材料和提升微觀加工設備的加工能力來實現技術突破, 製造工藝與設備材料更加深度地契合在一起, 許多製造工藝往往需要圍繞關鍵設備材料展開. 光刻機就是整合電路製造中精密程度最複雜, 難度最高, 價格最昂貴的設備.
有光刻機專家告訴記者: '在先進的整合電路製造工藝流程當中, 一款晶片往往需要經過幾十道光刻工藝, 每次都需要使用光刻機把電路的設計圖形做到矽片上去. 所以, 人們經常說的某某納米的工藝節點, 往往就是由光刻機及其相關工藝所決定的, 或者說它是最核心的一個因素. 光刻機的解析度可以做到多少, 整合電路的工藝節點就做到多少. '
正因為光刻機如此重要, 製造企業每年在進行資本投入時, 大約會有30%—40%投入到光刻機之上. 光刻機也經曆了一個漫長的演化過程: 1960年代的接觸式光刻機, 接近式光刻機, 1970年代的投影式光刻機, 1980年代的步進式光刻機, 步進式掃描光刻機, 再到浸沒式光刻機, 以及當前剛剛出現在市場上的極紫外(EUV)光刻機, 設備性能不斷提高.
目前整合電路生產線上主流光刻機產品: 用於整合電路關鍵層光刻工藝, 28nm以上節點採用的是193nm波長乾式光刻機, 28nm—10nm節點採用193nm波長浸沒式光刻機, 至於支撐10nm整合電路製造, 業界已經開始嘗試採用極紫外光刻機, 下一代產品高數值孔徑EUV光刻機目前正在研發當中, 預計未來2—3年有可能被開發出來, 其可以支援5nm, 3nm及以下的工藝製造. 非關鍵層使用的是248nm波長DUV光刻機和I-Line光刻機(365nm波長).
半導體專家莫大康告訴記者, 10nm節點及以下工藝製造目前較為普遍地採用 '193nm波長浸沒式光刻機+多重曝光(Multiple Patterning, MP)技術' , 能實現10nm和7nm工藝生產. 然而採用多重曝光會帶來兩大問題, 一是光刻加掩膜的成本上升, 而且影響良率, 多一次工藝步驟就是多一次降低良率;二是工藝的迴圈周期延長, 多重曝光不但增加曝光次數, 而且增加刻蝕和CMP工藝次數. 採用EUV光刻機則不需要多重曝光, 一次就能曝出想要的精細圖形, 在產品生產周期, OPC的複雜程度, 工藝控制, 良率等方面的優勢明顯. 目前市場上已有多款EUV機型開始出貨. 三星, 台積電均已表示將會在7nm工藝中採用EUV光刻機.
國際光刻機高度壟斷 我國布局艱難
雖然光刻機在整合電路生產中如此重要, 但是光刻機產業處於高度壟斷狀態, 全球只有3—4家廠商可以生產製造, 它們分別是荷蘭的阿斯麥(ASML), 日本的尼康(Nikon), 佳能(Canon)和中國的上海微電子(SMEE). 其中ASML處於優勢地位, 一家獨佔7成以上市場, 比如193nm浸沒式光刻機, ASML佔據90%以上市場份額;248nm DUV光刻機, ASML佔比超過50%;EUV光刻機更是只有ASML一家獨佔;I-Line光刻機市場則基本是ASML, 佳能, 尼康三家均分.
資料顯示, 中國光刻機的研製起步並不晚. 從1970年代開始就先後有清華大學精密儀器系, 中科學院光電技術研究所, 中電科45所投入研製. 當1978年世界第一台量產型g線分步投影光刻機在美國問世後, 45所就投入了分步投影光刻機的研製工作, 1985年研製出我國同類型第一台g線1.5μm分步投影光刻機, 在1994年推出解析度達0.8μm的分步投影光刻機, 2000年推出解析度達0.5μm實用分步投影光刻機. 2002年, 國家在上海組建上海微電子裝備有限公司(SMEE), 承擔 '十五' 光刻機攻關項目, 中電科45所將從事分步投影光刻機研發任務的團隊整體遷至上海, 參與其中. 目前, 上海微電子是國內技術最領先的光刻機研製生產單位.
從研製進展來看, 目前我國 '90nm光刻機樣機研製' 任務通過了02專項實施管理辦公室組織的專家組現場測試. 28nm工藝節點的193nm波長浸沒式光刻機正在研發當中. 儘管這些年取得了部分成績, 然而我國在光刻機技術上仍然遠遠落後於國際水平.
需解決 '缺人缺錢缺積累' 的困境
超高精密度的要求, 是造成光刻機技術難以在短時間內取得突破的主要原因之一. 在行業內有這樣一個形象的比喻: 用光刻機在矽片上刻電路, 猶如兩架波音747客機在以每小時1000公裡的速度飛行的同時, 在一顆小米粒上刻字!這正是高端光刻機工作台, 掩模台高速同步運動時所達到的納米級同步精度. 要製造出如此高精度的晶片, 對光刻機本身的各項精度要求就更高了.
除了技術上的挑戰, 專家告訴記者, 研製光刻機的難點還有很多. 總結起來可以用 '缺人缺錢缺積累' 來形容. 首先, 光刻機研製的投資強度很高. 當初英特爾, 台積電, 三星為了推進ASML加快研製EUV光刻機, 以38億歐元的代價取得其23%的股權, 並另外出資13.8億歐元支援ASML未來五年的EUV技術研發. 曆年來, 我國雖然重視光刻機的研製, 可02專項對光刻機的投入力度, 與國際廠商相比, 就少得太多了. 其次, 國內支撐光刻機開發的配套基礎工業體系存在大量空白, 這也限制了光刻機的開發. 最後, 投身光刻機研製的人才基數很小, 培養難度大, 培養周期長, 同時光刻機出成果的周期長, 人員待遇差, 也造成了高水平人才流失嚴重, 進一步加劇了國產光刻機的落後狀態.
此外, 莫大康表示, 光刻機的開發還只是成功的一小部分, 要想形成相應的光刻工藝, 還要掩模廠開發出與之相配套的掩模, 材料廠的光刻膠材料, 製造廠結合設備材料進行工藝的開發等. 這充分顯示了光刻機及相關工藝的精密性與系統性, 也進一步加大了工作的挑戰性.
雖然我國的光刻機發展面臨問題很多, 但是隨著國內移動電子, 通信, 汽車電子, 物聯網等終端應用市場的高速發展, 也為國產設備業提供了難得的發展機遇. 在談到如何突破產業鏈短板的時候, 專家指出: '我國在推進光刻機研製過程中, 應當堅持高端積極研發, 中低端儘快實現產品化的路徑. 只有這樣才能支撐起整個研發團隊, 人才積累, 工程經驗積累, 形成良性迴圈. 此外, 還應當引起國家對光刻機的重視, 繼續加大對光刻機的投入, 改善研發條件, 吸引人才, 在投入的同時應當注意投入的持續性, 避免出現脈衝式投入的弊端.
中國電科首席專家柳濱也指出: '與下遊晶片製造商建立長期合作關係十分重要, 這已經成為我國半導體設備產業發展長期存在且還未最終解決的關鍵環節. ' 作為半導體產業鏈的上遊環節, 半導體設備產業的發展, 離不開國家的支援. 由於設備業自身的產業現狀, 設備製造單位不可能與世界上已經成熟的設備供應商具備相同的實力. 所以設備業的發展需要巨大研發經費投入, 專業技術隊伍建設以及與下遊晶片製造商建立起長期的合作關係.