從未存在的 “7nm”光刻機(jī)，武漢弘芯不是救世主

2020 年 8 月 28 日，隨著近年來芯片行業(yè)的發(fā)展，大眾對(duì)于光刻機(jī)的關(guān)注度越來越高。媒體和廠商也更加頻繁地使用 “7nm 光刻機(jī)”這樣的關(guān)鍵詞來進(jìn)行宣傳。但事實(shí)是：從來就沒有什么救世主，也沒有 7nm 光刻機(jī)。

7nm 只是一種工藝的代號(hào)，它和光刻機(jī)本身是不掛鉤的。按照一般人的理解 7nm 光刻機(jī)就是指能制作 7nm 工藝的光刻機(jī)，這個(gè)命名方式乍看起來很合理，實(shí)際上漏洞百出。

截取自中芯國(guó)際招股書

舉個(gè)例子，在中芯國(guó)際財(cái)報(bào)中，公司透露了會(huì)將部分生產(chǎn) 28 納米芯片的設(shè)備轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)其它制程產(chǎn)品。假設(shè)中芯國(guó)際用于生產(chǎn) 28 納米芯片的光刻機(jī)將來用于生產(chǎn) 45 納米芯片，那么這臺(tái)光刻機(jī)原來應(yīng)該叫 “28nm”光刻機(jī)，就因?yàn)樗a(chǎn)了 45nm 芯片，那么他就應(yīng)該變成更為落后的 “45nm”光刻機(jī)了？那如果將來它再回來生產(chǎn) 28 納米芯片，那么它就又升級(jí)成了 “28nm”光刻機(jī)？但整個(gè)過程中光刻機(jī)的本質(zhì)并沒有改變啊。

近期網(wǎng)絡(luò)上所謂關(guān)于武漢弘芯的 “7nm”光刻機(jī)抵押在銀行的消息，鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。但這真的是 “7nm”光刻機(jī)嗎？

武漢弘芯半導(dǎo)體制造有限公司（HSMC）于 2017 年 11 月成立，總部位于中國(guó)武漢臨空港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。公司匯聚了來自全球半導(dǎo)體晶圓研發(fā)與制造領(lǐng)域的專家團(tuán)隊(duì)，擁有豐富的 14 納米及 7 納米以下節(jié)點(diǎn) FinFET 先進(jìn)邏輯工藝與晶圓級(jí)先進(jìn)封裝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

值得說明的是，14 納米及 7 納米的相關(guān)工藝經(jīng)驗(yàn)來武漢弘芯中來自臺(tái)積電等公司的 “前員工”，并不是指公司已經(jīng)具備了相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)。

截取自武漢弘芯官網(wǎng)

在官網(wǎng)的項(xiàng)目時(shí)程中，武漢弘芯 14 納米工藝大概會(huì)在 2020 年下半年開始測(cè)試流片，其 7 納米工藝在 2020 年開始研發(fā)。而中芯國(guó)際在 2019 年時(shí)，其 14 納米工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

另外關(guān)于武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機(jī)，根據(jù)相關(guān)消息此光刻機(jī)已被抵押。

數(shù)據(jù)來自天眼查

根據(jù)天眼查上的數(shù)據(jù)，我們可知武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機(jī)實(shí)際型號(hào)為 TWINSCAN NXT:1980Di。2019 年 12 月 22 日，武漢弘芯半導(dǎo)體舉行了首臺(tái)高端光刻機(jī)設(shè)備進(jìn)廠儀式，就是為了迎接這款光刻機(jī)。

數(shù)據(jù)來自 ASML

從 ASML 官網(wǎng)的數(shù)據(jù)中我們可以看到，這款 2015 年推出的光刻機(jī)光源波長(zhǎng)為 193nm，屬于 DUV 光刻機(jī)。且從官網(wǎng)的型號(hào)表上可以看到，這款光刻機(jī)并非 “最優(yōu)秀”的 DUV 光刻機(jī)。

ASML 官網(wǎng)上的一款 EUV 光刻機(jī)

要是想制造工藝尺寸更小的芯片，換光源是比較直接且立竿見影的辦法。因此國(guó)外為了阻礙我國(guó)尖端芯片制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，極力限制我國(guó)進(jìn)口波長(zhǎng)大致為 13.5nm 的 EUV 光刻機(jī)，但對(duì)于技術(shù)相對(duì)落后的 DUV 光刻機(jī)限制并不大。2020 年 3 月 4 日，中芯國(guó)際從荷蘭 ASML 進(jìn)口的一臺(tái)大型光刻機(jī)已順利進(jìn)入深圳廠區(qū)，據(jù)悉此臺(tái)光刻機(jī)即為 DUV 光刻機(jī)。

關(guān)于武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機(jī)的命名問題，這款光刻機(jī)是否真的能做到 7nm 工藝呢？目前已有一家中國(guó)企業(yè)可以用同樣水平的 DUV 光刻機(jī)制造 7nm 工藝的芯片，這家中國(guó)企業(yè)名為：臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司。其中臺(tái)積電第一代 7nm 工藝 N7 和第二代 7nm 工藝 N7P 均采用了 DUV 光刻機(jī)制造，但是為了更好的性能，其第三代 7nm 工藝 N7 + 則采用了更為先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)制造。

在這其中其實(shí)還有一些偷換概念的問題，舉個(gè)例子：文森特 · 梵高是一名著名的畫家，他的畫作價(jià)格不菲，甚至有些畫作價(jià)值過億。不過梵高早年窮困潦倒，使用的畫筆也很普通，但這并不影響梵高用普通的畫筆創(chuàng)作出諸多優(yōu)秀的畫作。那么這時(shí)如果有一個(gè)人買到了梵高同款的普通畫筆，他就能成為梵高嗎？他就能創(chuàng)作出價(jià)值過億的畫作嗎？

光刻機(jī)只是半導(dǎo)體制造工藝的開始，武漢弘芯已經(jīng)有了臺(tái)積電同款 “畫筆”，那么武漢弘芯能否做出同款的 “N7”和 “N7P”呢？

業(yè)界對(duì)于光刻機(jī)主要是根據(jù)其使用光源進(jìn)行命名和分類。比如現(xiàn)在處于尖端地位的 EUV（extreme ultra violet）光刻機(jī)，這類光刻機(jī)使用了極紫外光作為光源。目前業(yè)界的 EUV 光刻機(jī)大多使用的是波長(zhǎng)為 13.5nm 左右的極紫外光。

另一種業(yè)界比較主流的光刻機(jī)就是 DUV（deep ultra violet）光刻機(jī)了，這類光刻機(jī)使用的是深紫外光作為光源。目前業(yè)界的 DUV 光刻機(jī)大多使用的是波長(zhǎng)為 193nm 的氟化氬準(zhǔn)分子激光（ArF excimer laser）或者波長(zhǎng)為 248nm 的氟化氪準(zhǔn)分子激光（KrF excimer laser）作為光源。

相信大家都注意到了，市面上主流的 DUV 光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)只有 193nm，而現(xiàn)在主流的芯片制造工藝都已經(jīng)到了 14nm。如果要用 193nm 的光源刻出更細(xì)的線條，這還需要更多的技術(shù)支持。

我們可以通過這個(gè)公式來大致看一下 193nm 的光源能刻出的工藝分辨率，其中：

R，分辨率，比如 90nm、65nm、45nm 之類。

λ，激光的波長(zhǎng)，現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)從 248nm 過渡到了現(xiàn)在最常用的 193nm，還有更為先進(jìn)的 13.5nm。

n，為介質(zhì)折射率，空氣約 1，水約 1.44。

NA，為數(shù)值孔徑，和鏡子大小，以及距離有關(guān)。

k1，系統(tǒng)常數(shù)，代指掩膜等相關(guān)技術(shù)。

所以通過這個(gè)公式我們可以大致計(jì)算出，在一般情況下 193nm 波長(zhǎng)的光源分辨率也就能做到 60nm 左右（相關(guān)系數(shù)取一般值，此結(jié)果僅供參考）。那么接下來的問題就是如何突破這個(gè)所謂的 “一般情況”了。

對(duì)此業(yè)界大體有兩種解決辦法 , 浸潤(rùn)式光刻和多重曝光。

浸入式光刻技術(shù)是在 2000 年初首先由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室亞微米技術(shù)小組提出，他們認(rèn)為在傳統(tǒng)光刻機(jī)的光學(xué)鏡頭與晶圓之間的介質(zhì)可用水替代空氣，以縮短曝光光源波長(zhǎng)和增大鏡頭的數(shù)值孔徑，從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為 1.44:1 如果用水替代空氣，相當(dāng)于 193nm 波長(zhǎng)縮短到 134nm, 如果采用比水介質(zhì)反射率更高的其液體，可獲得比 134nm 更短的波長(zhǎng)。

簡(jiǎn)單來說就是運(yùn)用了惠更斯原理，讓光從一種介質(zhì)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)，那么在分界點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)波源，向外發(fā)散子波。也就是說在這個(gè)過程中光的波長(zhǎng)發(fā)生了改變，通過這種方式我們獲得了一個(gè)波長(zhǎng)更小的光源。

一種多重曝光的流程示意圖

另外一種技術(shù)就是多重曝光了，在圖中最上面是已經(jīng)經(jīng)過一次 Patterning 的保護(hù)層（綠色，如 SiN）再加上一層光刻膠（藍(lán)色）。光刻膠在新的 Mask 下被刻出另一組凹槽（中間）。最后光刻膠層被去掉，留下可以進(jìn)一步蝕刻的結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單來說就是將本應(yīng)一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來制作。比如要刻幾條等間距的線，單次曝光可能只能刻出間距 100nm 的線，那么這時(shí)候稍微再移動(dòng)大概 50nm 再刻一次，這時(shí)候線與線的間距就變成 50nm 了。

當(dāng)然除了浸潤(rùn)式光刻和多重曝光，還有很多技術(shù)可以幫助進(jìn)一步減小半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)鍵尺寸。但是比起用各種技術(shù)優(yōu)化，直接更換光源會(huì)有較大的提升，即從波長(zhǎng)為 193nm 的 DUV 光刻機(jī)換成波長(zhǎng)大致為 13.5nm 的 EUV 光刻機(jī)。