作為信息化時代的核心基石，集成電路的重要性逐漸為人們所認知。但是發(fā)展集成電路是一項系統(tǒng)性工程，它涉及設計、制造、封測、材料、設備等全產(chǎn)業(yè)鏈的整體提升。而光刻機就是集成電路這個基礎性產(chǎn)業(yè)中最具關鍵性的基礎裝備之一。要想解決我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的“掐脖子”問題，推動光刻機的國產(chǎn)化勢在必行。
先進集成電路制造均圍繞光刻工藝展開
集成電路行業(yè)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(yè)進入納米時代以后，微納制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(xiàn)技術突破，制造工藝與設備材料更加深度地契合在一起，許多制造工藝往往需要圍繞關鍵設備材料展開。光刻機就是集成電路制造中精密程度最復雜、難度最高、價格最昂貴的設備。
有光刻機專家告訴記者：“在先進的集成電路制造工藝流程當中，一款芯片往往需要經(jīng)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硅片上去。所以，人們經(jīng)常說的某某納米的工藝節(jié)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。光刻機的分辨率可以做到多少，集成電路的工藝節(jié)點就做到多少。”
正因為光刻機如此重要，制造企業(yè)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(jīng)歷了一個漫長的演進過程：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(xiàn)在市場上的極紫外(EUV)光刻機，設備性能不斷提高。
目前集成電路生產(chǎn)線上主流光刻機產(chǎn)品：用于集成電路關鍵層光刻工藝，28nm以上節(jié)點采用的是193nm波長干式光刻機，28nm—10nm節(jié)點采用193nm波長浸沒式光刻機，至于支撐10nm集成電路制造，業(yè)界已經(jīng)開始嘗試采用極紫外光刻機，下一代產(chǎn)品高數(shù)值孔徑EUV光刻機目前正在研發(fā)當中，預計未來2—3年有可能被開發(fā)出來，其可以支持5nm、3nm及以下的工藝制造。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(jié)點及以下工藝制造目前較為普遍地采用“193nm波長浸沒式光刻機+多重曝光(Multiple Patterning，MP)技術”，能實現(xiàn)10nm和7nm工藝生產(chǎn)。然而采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;二是工藝的循環(huán)周期延長，多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕和CMP工藝次數(shù)。采用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(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC的復雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢明顯。目前市場上已有多款EUV機型開始出貨。三星、臺積電均已表示將會在7nm工藝中采用EUV光刻機。
國際光刻機高度壟斷 我國布局艱難
雖然光刻機在集成電路生產(chǎn)中如此重要，但是光刻機產(chǎn)業(yè)處于高度壟斷狀態(tài)，全球只有3—4家廠商可以生產(chǎn)制造，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處于優(yōu)勢地位，一家獨占7成以上市場，比如193nm浸沒式光刻機，ASML占據(jù)90%以上市場份額;248nm DUV光刻機，ASML占比超過50%;EUV光刻機更是只有ASML一家獨占;I-Line光刻機市場則基本是ASML、佳能、尼康三家均分。
資料顯示，中國光刻機的研制起步并不晚。從1970年代開始就先后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所投入研制。當1978年世界第一臺量產(chǎn)型g線分步投影光刻機在美國問世后，45所就投入了分步投影光刻機的研制工作，1985年研制出我國同類型第一臺g線1.5μm分步投影光刻機，在1994年推出分辨率達0.8μm的分步投影光刻機，2000年推出分辨率達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(fā)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(nèi)技術最領先的光刻機研制生產(chǎn)單位。
從研制進展來看，目前我國“90nm光刻機樣機研制”任務通過了02專項實施管理辦公室組織的專家組現(xiàn)場測試。28nm工藝節(jié)點的193nm波長浸沒式光刻機正在研發(fā)當中。盡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后于國際水平。
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(nèi)取得突破的主要原因之一。在行業(yè)內(nèi)有這樣一個形象的比喻：用光刻機在硅片上刻電路，猶如兩架波音747客機在以每小時1000公里的速度飛行的同時，在一顆小米粒上刻字!這正是高端光刻機工作臺、掩模臺高速同步運動時所達到的納米級同步精度。要制造出如此高精度的芯片，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(zhàn)，專家告訴記者，研制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，光刻機研制的投資強度很高。當初英特爾、臺積電、三星為了推進ASML加快研制EUV光刻機，以38億歐元的代價取得其23%的股權，并另外出資13.8億歐元支持ASML未來五年的EUV技術研發(fā)。歷年來，我國雖然重視光刻機的研制，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(nèi)支撐光刻機開發(fā)的配套基礎工業(yè)體系存在大量空白，這也限制了光刻機的開發(fā)。最后，投身光刻機研制的人才基數(shù)很小，培養(yǎng)難度大，培養(yǎng)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(chǎn)光刻機的落后狀態(tài)。
此外，莫大康表示，光刻機的開發(fā)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(fā)出與之相配套的掩模、材料廠的光刻膠材料、制造廠結合設備材料進行工藝的開發(fā)等。這充分顯示了光刻機及相關工藝的精密性與系統(tǒng)性，也進一步加大了工作的挑戰(zhàn)性。
雖然我國的光刻機發(fā)展面臨問題很多，但是隨著國內(nèi)移動電子、通信、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等終端應用市場的高速發(fā)展，也為國產(chǎn)設備業(yè)提供了難得的發(fā)展機遇。在談到如何突破產(chǎn)業(yè)鏈短板的時候，專家指出：“我國在推進光刻機研制過程中，應當堅持高端積極研發(fā)，中低端盡快實現(xiàn)產(chǎn)品化的路徑。只有這樣才能支撐起整個研發(fā)團隊、人才積累、工程經(jīng)驗積累，形成良性循環(huán)。此外，還應當引起國家對光刻機的重視，繼續(xù)加大對光刻機的投入，改善研發(fā)條件，吸引人才，在投入的同時應當注意投入的持續(xù)性，避免出現(xiàn)脈沖式投入的弊端。
中國電科首席專家柳濱也指出：“與下游芯片制造商建立長期合作關系十分重要，這已經(jīng)成為我國半導體設備產(chǎn)業(yè)發(fā)展長期存在且還未最終解決的關鍵環(huán)節(jié)。”作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，半導體設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開國家的支持。由于設備業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，設備制造單位不可能與世界上已經(jīng)成熟的設備供應商具備相同的實力。所以設備業(yè)的發(fā)展需要巨大研發(fā)經(jīng)費投入、專業(yè)技術隊伍建設以及與下游芯片制造商建立起長期的合作關系。
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