光刻机领域国内接近世界先进水平,9nm线宽光刻实现突破

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来源: 集微网   发布者:集微网
热度28票   时间:2017年3月19日 20:43
集微网消息,SEMICON China 2017开幕日即3月14日,上海微电子装备(集团)股份有限公司(后简称“SMEE”)宣布,SMEE 与荷兰公司 ASML 签署战略合作备忘录(MoU),为双方进一步的潜在合作奠定了基础。
根据这项合作备忘录,ASML 和 SMEE 将探索就 ASML 光刻系统的特定模块或半导体行业相关产品进行采购的可能性。此次MoU的签署代表 ASML 继日前与上海集成电路研发中心(ICRD)宣布合作之后,进一步深入参与中国的IC产业的发展。

光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”,制造光刻机更被比作是在微观世界里“造房子”——成像系统由几十个直径为200~300毫米的透镜组成,定位精度都是纳米级。微米级的瞬时传输控制技术,犹如两架空客以1000/小时公里同步高速运动,在瞬间对接穿针引线;玻璃镜面加工等精度,误差不会超过0.5毫米。

为了在更小的物理空间集成更多的电子元件,单个电路的物理尺寸越来越小,主流光刻机在硅片上投射的光刻电路分辨率达到50-90nm。超高的技术难度使得光刻机在全世界集成电路设备厂商中形成了极高的技术门槛,据了解,当今世界能够拥有这种技术、生产这种产品的只有两三个国家的两三家公司。以ASML 公司最先进的 EUV 光刻机为例,售价高达 1 亿美元,而且只有 ASML 能够生产。

在光刻机领域,SMEE 取得了重要突破,并在先进封装光刻机产品方面形成了系列化和量产化,在国际同类产品中处于先进水平,还实现了光刻机海外市场的销售突破。SMEE 也被列入国家发改委 2016 年 1 月底公布的国家认定企业技术中心名单。

目前,由于国内集成电路生产企业没有 20nm 以下的生产工艺能力,加上 ASML EUV光刻机价格昂贵、产能有限,还没有安装 ASML EUV 机台,在国产光刻机技术上与之差距太大,根本无法在高端市场上参与竞争,严重制约了我国微电子信息工业的发展。据报道,近年来我国每年集成电路产品进口金额与每年原油进口金额大致相当,每年已经超过 2000 亿美元,如何改变集成电路制造受制于人的局面是国产光刻机研发的主要目标。

2002年,光刻机被列入国家 863 重大科技攻关计划,由科技部和上海市共同推动成立上海微电子装备有限公司来承担,2008年国家又启动了“02”科技重大专项予以衔接持续攻关。经过十几年潜心研发,我国已基本掌握了高端光刻机的集成技术,并部分掌握了核心部件的制造技术。

国家光电实验室首次实现 9nm 线宽光刻


2016年底,华中科技大学国家光电实验室目前利用双光束在光刻胶上首次完成了 9nm 线宽,双线间距低至约 50nm 的超分辨光刻。未来将这一工程化应用到光刻机上可以突破国外的专利壁垒,直接达到 EUV 的加工水平。

2014年10月瑞典皇家诺贝尔奖委员会决定将当年的诺贝尔化学奖授予打破光学衍射极限发明超分辨率光学显微技术的三位科学家,以表彰他们在超分辨率光学成像方面的卓着贡献。其中斯蒂芬·黑尔教授发明的STED超分辨技术采用二束激光,一束激发激光(Exciting Laser Beam)激发显微镜物镜下的荧光物质产生荧光,另外一束中心光强为零的环形淬灭激光(Inhibiting Laser beam)淬灭激发激光产生的荧光。这两束光的中心重合在一起,使得只有处于纳米级环形淬灭激光中心处的荧光分子才能正常发光,通过扫描的办法就可以得到超越衍射极限的光学成像。

遵循这个思路,华中科技大学国家光电实验室的甘棕松教授在国外攻读博士学位期间,采用类似方法在光刻制造技术上取得进展,成功突破光学衍射极限,首次在世界范围内实现了创记录的单线 9nm 线宽,双线间距低至约 50nm 的超分辨光刻。未来将这一技术工程化应用到光刻机上,能够突破光学衍射极限对投射电路尺寸的限制从而实现超分辨光刻,有望使国产集成电路光刻机摆脱一味采用更短波长光源的技术路线。

采用超分辨的方法突破光学衍射的限制,将光聚集到更小的尺寸,应用到集成电路光刻可以带来两个方面的好处:一方面可以实现更高的分辨率,不再需要采用更短波长的光源,使得光刻机系统造价大大降低;另外一方面采用可见光进行光刻,可以穿透普通的材料,工作环境要求不高,摆脱 EUV 光源需要真空环境、光刻能量不足的羁绊。

与动辄几千万美元的主流光刻机乃至一亿美元售价的 EUV 光刻机相比,超分辨光刻硬件部分只需要一台飞秒激光器和一台普通连续激光器,成本只是主流光刻机的几分之一。该系统运行条件比紫外光刻温和得多,不需要真空环境,不需要特殊的发光和折光元器件,和一般光刻系统相比,该系统仅仅是引入了第二束光,系统光路设计上改动比较小,光刻机工程化应用相对容易,有希望使国产光刻机在高端领域弯道超车、有所突破。

国内半导体设备产业正面临空前机遇


综观全球半导体设备与材料市场,每年约 800 亿美元,现状几乎是美国垄断设备,日本掌控材料,除了欧洲的 ASML 光刻设备之外,连中国台湾地区与韩国的设备国产化率也很低。两者多次设立目标想要提升,但受限于工业基础,实际上进展也很缓慢。相比之下,在中国半导体业发展中,更严峻的态势是所用的设备与材料,几乎 90%以上都需要进口。

SEMI全球副总裁、中国区总裁居龙就多次指出,目前中国半导体设备和材料占全球市场份额不足1%,严重制约着国产芯片产业的自给和健康发展。

根据 SEMI 的预测,2016年至2017年间,综合8英寸、12英寸厂来看,确定新建的晶圆厂就有19座,其中中国大陆就占了10座。半导体前道设备的销售额,全球2013年为318.2亿美元,2015年为365.3亿美元,2016年为396.9亿美元,预测2017年为434亿美元,中国部分可达69.9亿美元(包括外资在中国的投资)。

近期中国的芯片制造业进入又一轮扩充产能的高潮。从中芯国际在上海、深圳以及天津的扩建,到华力微的二期建设,加上长江存储、福建晋华以及紫光南京成都的存储器项目,在这样的大好形势下,加上国家有鼓励采用国产设备的补助政策,像中微半导体这样的中国半导体设备企业迎来又一个“春天”。
中微半导体设备有限公司,作为国内集成电路装备制造骨干企业,拥有三大高端设备产品系列,是我国集成电路装备业界的龙头、标杆和旗帜。中微研发的介质刻蚀机是半导体生产设备中关键核心装备之一,市场一直为美日等企业垄断,其28nm-15nm的耦合等离子体介质刻蚀机去年获得了中国国际工业博览会金奖,产品出口额占我国泛半导体设备出口额的仅 8 成,拥有台积电、英特尔等客户。

中微刻蚀机的研发成功,填补了国内空白,在技术上实现突破,跟上国际技术发展步伐,明显提升我国半导体设备产业的技术能级,并可改变我国集成电路生产企业受制于人的局面,对于抢占未来经济和科技发展制高点、加快转变经济发展方式、实现由制造业大国向强国转变具有重要战略意义。

根据行业权威研究机构 Gartner 最新发布的统计结果,中微公司介质刻蚀设备市场占有率从 2013 年的全球第 6 位提升到 2014 年的全球第 4 位。考虑到 Mattson 公司仅提供低端刻蚀设备,中微公司在高端介质刻蚀设备领域已经跻身全球三强。由于中微生产的等离子刻蚀机已经实现在晶圆制造厂批量生产,2015年2月5日,美国商务部取消了对等离子干法刻蚀设备的出口限制。

2015年,中微半导体获得国家集成电路基金的4.8亿元投资,这是继长电科技后,国家集成电路基金出手的第二次投资,也是上海半导体行业获得的第一笔国家基金投资。



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