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中国光刻工艺与国外顶尖公司究竟相差多少代技术?

2019-06-17
关键词: 半导体 芯片

  半导体制造工艺复杂,制造一颗芯片要经过很多的工序,每一个工序都有核心的技术,光刻也是其中之一,光刻机是半导体产业中重要的设备。芯片制造可以用点石成金来形容,从最初的硅晶片到芯片价值可以翻12倍。当原材料加工成晶圆后,将感光材料覆盖在晶圆上,利用光刻机光线的反射将复杂的电路图复制到感光材料上,再用刻蚀机将暴露出来多余的硅片刻蚀掉。经过离子注入其它复杂的工艺便有了半导体的特性,最后进行测试,分割,封装完成成品芯片。这些流程中,光刻机起到了很重要的作用。

  

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  以便大家更直观地了解光刻,我们再以日常生活中的常见事物为例:LED灯是节能环保的绿色能源,它正是利用光刻机加工出的微纳结构(P、N结)实现发光;电视、手机、电脑之所以能够显示各种图像,是源于光刻机在面板内部加工出每个像素对应的多种微纳结构;计算机更是光刻技术的集中体现,CPU、内存、主板、显卡等都是光刻加工的产物,正是得益于光刻机技术的进步(最小加工尺寸减小),使得我们的CPU越来越快、内存越来越大;汽车之所以知道空调温度、安全带是否系紧、车门是否关好、当前车速、油量等等信息,正是源于利用光刻技术所加工的各种微型传感器;机器人之所以能够完成各种复杂动作,也是利用光刻机所加工的各种控制芯片、传感器,实现运动控制;利用光刻机加工的纳米微针,能够实现无痛注射,减轻病人痛苦……光刻机的应用在现代生活中不胜枚举。

  作为制造芯片的核心装备,光刻机一直是中国的技术弱项,其技术水平严重制约着中国芯片技术的发展。荷兰ASML公司的光刻机设备处于世界先进水平,日本光刻设备大厂(如佳能和尼康)都逐渐被边缘化,国内更是还有很大的差距,目前光刻机设备82%的市场都被荷兰ASML公司垄断,最先进7nm、5nm工艺的光刻机设备也只有ASML公司制造,我国也有在研发生产光刻机,但技术水平还比较落后,无法满足现代芯片工艺要求。

  光刻机的中外发展史对比

  中国的光刻机研制在70年代后期起步,初期型号为接触式或接近式光刻机,85年完成第一台分步光刻机,此后技术一直在推进。

  1977年,我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机诞生,JKG-3型光刻机是当时国内较先进的制造中大规模集成电路的光刻设备,这是一台接触式光刻机。(吴先升.φ75毫米圆片半自动光刻机[J].半导体设备,1979(04):24-28.)

  

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  1978年,1445所在GK-3的基础上开发了GK-4,把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米,自动化程度有所提高,但同样是接触式光刻机。

  同期,中科院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机,于1981年研制成功两台样机。

  而美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机,期间相差了二十几年。此时的光刻机巨头ASML还没有出现(1984年,ASML才诞生),日本的尼康和佳能已于60年代末开始进入这个领域。

  1979年,机电部45所开展了分步光刻机的研制,对标的是美国的4800DSW。1985年,研制出了样机,通过电子部技术鉴定,认为达到4800DSW的水平。如果资料没有错误,这应当是中国第一台分步投影式光刻机,采用的是436纳米G线光源(周得时.为研制我国自己的分步光刻机(DSW)而拼搏[J].电子工业专用设备,1991(03):30-38.)。按照这个时间节点算,中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年(美国是1978年)。

  1990年3月,中科院光电所研制的IOE1010G直接分步重复投影光刻机样机通过评议,工作分辨率1.25微米,主要技术指标接受美国GCA8000型的水平,相当于国外80年代中期水平。

  国家在2000年前后启动了193纳米ArF光刻机项目。而ASML已经开始EUV光刻机的研发工作,并于2010年研发出第一台EUV原型机,由三星、台积电、英特尔共同入股推动研发。这足足落后ASML 20多年。

  

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  中国目前能生产光刻机的厂家及技术现状

  1、上海微电子装备有限公司

  上海微电成立于2002年3月,邻近国家集成电路产业基地、国家半导体照明产业基地和国家863信息安全成果产业化(东部)基地等多个国家级基地。该公司自主研发的600系列光刻机,已经实现90nm的量产,目前正在研究65nm的工艺。

  上海微电子的封装光刻机在市场上的占有率就相当的高了,尤其在国内的市场上。其后道封装光刻机已经可以满足各类先进的封装工艺,且具备向客户批量供货的能力,还出口到了国外。上海微电子的芯片后道封装光刻机在国内的市占率有80%,在全球的市占率达40%。另外,该公司研制并用于LED制造的投影光刻机,在市场上的占有率为20%。

  2、中子科技集团公司第四十五研究所国电

  中子科技集团公司第四十五研究所国电,隶属于中国电子科技集团有限公司,其在CMP设备、湿化学处理设备、光刻设备、电子图形印刷设备、材料加工设备和先进封装设备等领域具有较强的优势。目前,其光刻设备已经实现1500nm的量产。

  3、合肥芯硕半导体有限公司

  合肥芯硕半导体有限公司成立与2006年4月,是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的ATD4000,已经实现最高200nm的量产。

  4、先腾光电科技有限公司

  先腾光电成立于2013年4月,已经实现最高200nm的量产,在2014国际半导体设备及材料展览会上,先腾光电亮出了完全自主知识产权的LED光刻机生产技术,震惊四座。

  5、无锡影速半导体科技有限公司

  无锡影速成立与2015年1月,影速公司是由中科院微电子研究所联合业内资深技术团队、产业基金共同发起成立的专业微电子装备高科技企业。影速公司已成功研制用于半导体领域的激光直写/制版光刻设备、国际首台双台面高速激光直接成像连线设备(LDI),已经实现最高200nm的量产。

  目前我国能生产光刻机的企业有上述5家,其中最先进的是上海微电子装备有限公司,光刻机量产的芯片工艺是90纳米。据业界传言,上海微电子也已经在对65nm制程的前道光刻设备进行研制(目前正在进行整机考核)。光刻机技术到了90nm是一个很关键的台阶,设备制造商一旦迈过90nm的台阶,后面就很容易研制出65nm的光刻设备,之后再对65nm的设备进行升级,就可以研制出45nm的光刻机。有业者预估,上海微电子的光刻机设备有望在未来几年内达到45nm的水平。

  一台“分辨力最高”真能打破国际垄断局面?

  在去年年底,11月29日,由中国科学院光电技术研究所承担的超分辨光刻装备项目在成都通过验收,作为项目重要成果之一,中国科学家研制成功世界上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备,并形成一条全新的纳米光学光刻工艺路线,具有完全自主知识产权。据介绍,该项目组经过近7年攻关,突破多项关键技术,完成国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备研制,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米。22纳米的光刻机可以刻出来10纳米的芯片。因为紫外光最小十纳米,所以说十纳米以下都得用多重曝光。——“结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10纳米级别的芯片”。

  当时央视对此台光刻机如此报道:

  超分辨光刻装备项目的顺利实施,打破了国外在高端光刻装备领域的垄断,为纳米光学加工提供了全新的解决途径,也为新一代信息技术、新材料、生物医疗等先进战略技术领域,基础前沿和国防安全提供了核心技术保障。

  项目副总设计师、中科院光电技术研究所研究员胡松介绍:“第一个首先表现于我们现在的水平和国际上已经可以达到持一致的水平。分辨率的指标实际上也是属于国外禁运的一个指标,我们这项目出来之后对打破禁运有很大的帮助。”

  “第二个如果国外禁运我们也不用怕,因为我们这个技术再走下去,我们认为可以有保证。在芯片未来发展、下一代光机电集成芯片或者我们说的广义芯片(研制领域),有可能弯道超车走在更前面。”

  然而,事实上真的如此吗?连日本设备大厂都逐渐被边缘化的光刻机技术,真的被“7 年”磨一剑的中科院光电追赶上了吗?答案:肯定不是真的。

  国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备的出现,并不意味着中国的芯片制造立刻就能突飞猛进。中科院光电所的这台光刻机还有一定的局限,据介绍,目前这个装备已制备出一系列纳米功能器件,包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等,验证了该装备纳米功能器件加工能力,已达到实用化水平。

  

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  也就是说,目前该装备主要适合生产制造一些光学等领域的器件。其工业之路仍有较长一段路要走。这台“超分辨光刻”装备只可应用在小批量、小视场(几平方毫米)、工艺层少且套刻精度低、低成品率、小基片尺寸(4英寸以下)且产率低(每小时几片)的一些特殊纳米器件加工。但是在看到其线宽分辨率优势的同时,同样需要看到与主流商用的ArF浸没式投影光刻机相比,其在视场、成品率、套刻精度及产率上的不同。所以其工业之路还比较坎坷。

  有网友表示,以目前的技术能力,这台设备只能做周期的线条和点阵,是无法制作复杂的IC需要的图形的。所以,无法撼动ASML在IC制造领域分毫的地位。