我國在芯片制造領(lǐng)域取得新突破!

　　經(jīng)過(guò)近七年艱苦攻關(guān)，“超分辨光刻裝備研制”項目通過(guò)驗收。這意味著(zhù)，現在中國有了“世界上首臺分辨力最高的紫外(即22納米@365納米)超分辨光刻裝備”。

　　換句話(huà)說(shuō)，我國科學(xué)家研制成功了一種非常強大的光刻機。

　　光刻機，那可是芯片制造的核心裝備。我國一直在芯片行業(yè)受制于人，在光刻機領(lǐng)域更是如此，時(shí)常遭遇國外掐脖子、禁售等種種制約。

　　對于這次的突破，驗收專(zhuān)家組的意見(jiàn)是：

　　“該光刻機在365納米光源波長(cháng)下，單次曝光最高線(xiàn)寬分辨力達到22納米。項目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線(xiàn)，繞過(guò)國外相關(guān)知識產(chǎn)權壁壘。”

　　消息一出，很多人都紛紛稱(chēng)贊，但大多數都是不明覺(jué)厲，當然也有人說(shuō)是吹牛。這個(gè)消息背后，到底意味著(zhù)什么呢?

　　這個(gè)突破亮點(diǎn)很多，其中最值得關(guān)注的有幾個(gè)點(diǎn)，量子位簡(jiǎn)單總結如下：

　　光源：粗刀刻細線(xiàn)

　　這個(gè)國產(chǎn)的光刻機，采用365納米波長(cháng)光源，屬于近紫外的范圍。

　　通常情況下，為了追求更小的納米工藝，光刻機廠(chǎng)商的解決方案是，使用波長(cháng)越來(lái)越短的光源。ASML就是這種思路。

　　現在國外使用最廣泛的光刻機的光源為193納米波長(cháng)深紫外激光，光刻分辨力只有38納米，約0.27倍曝光波長(cháng)。

　　這臺國產(chǎn)光刻機，可以做到22納米。而且，“結合雙重曝光技術(shù)后，未來(lái)還可用于制造10納米級別的芯片”。

　　也就是說(shuō)，中科院光電所研發(fā)的這臺光刻機，用波長(cháng)更長(cháng)(近紫外)、成本更低(汞燈)的光源，實(shí)現了更高的光刻分辨力(0.06倍曝光波長(cháng))。

　　項目副總設計師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)，打了一個(gè)比方：“這相當于我們用很粗的刀，刻出一條很細的線(xiàn)。”這就是所謂的突破分辨力衍射極限。

　　因此，它也被稱(chēng)為世界上首臺分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備。

　　成本：高端設備“白菜價(jià)”

　　波長(cháng)越短，成本越高。

　　為獲得更高分辨力，傳統上采用縮短光波、增加成像系統數值孔徑等技術(shù)路徑來(lái)改進(jìn)光刻機，但問(wèn)題在于不僅技術(shù)難度極高，裝備成本也極高。

　　ASML最新的第五代光刻機使用波長(cháng)更短的13.5納米極紫外光(EUV)，用于實(shí)現14納米、10納米、及7納米制程的芯片生產(chǎn)。

　　一臺這樣的光刻機售價(jià)1億美元以上。

　　而中科院光電所這臺設備，使用波長(cháng)更長(cháng)、更普通的紫外光，意味著(zhù)國產(chǎn)光刻機使用低成本光源，實(shí)現了更高分辨力的光刻。

　　有網(wǎng)友評價(jià)稱(chēng)，中國造的光刻機說(shuō)不定和其他被中國攻克的高科技設備一樣，以后也成了白菜價(jià)。

　　突破：破局禁運，彎道超車(chē)

　　這臺光刻機的出現，還有另一個(gè)重要的意義。

　　這里我們引用央廣的報道：

　　“超分辨光刻裝備項目的順利實(shí)施，打破了國外在高端光刻裝備領(lǐng)域的壟斷，為納米光學(xué)加工提供了全新的解決途徑，也為新一代信息技術(shù)、新材料、生物醫療等先進(jìn)戰略技術(shù)領(lǐng)域，基礎前沿和國防安全提供了核心技術(shù)保障。

　　項目副總設計師、中科院光電技術(shù)研究所研究員胡松介紹：“第一個(gè)首先表現于我們現在的水平和國際上已經(jīng)可以達到持一致的水平。分辨率的指標實(shí)際上也是屬于國外禁運的一個(gè)指標，我們這項目出來(lái)之后對打破禁運有很大的幫助。”

　　“第二個(gè)如果國外禁運我們也不用怕，因為我們這個(gè)技術(shù)再走下去，我們認為可以有保證。在芯片未來(lái)發(fā)展、下一代光機電集成芯片或者我們說(shuō)的廣義芯片(研制領(lǐng)域)，有可能彎道超車(chē)走在更前面。

　　局限

　　當然，我們也不能頭腦發(fā)熱。

　　這個(gè)設備的出現，并不意味著(zhù)我國的芯片制造立刻就能突飛猛進(jìn)。一方面，芯片制造是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，另一方面中科院光電所的光刻機還有一定的局限。

　　據介紹，目前這個(gè)裝備已制備出一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導納米線(xiàn)單光子探測器、切倫科夫輻射器件、生化傳感芯片、超表面成像器件等，驗證了該裝備納米功能器件加工能力，已達到實(shí)用化水平。

　　也就是說(shuō)，目前主要是一些光學(xué)等領(lǐng)域的器件。

　　不過(guò)也有知乎網(wǎng)友表示“以目前的技術(shù)能力，只能做周期的線(xiàn)條和點(diǎn)陣，是無(wú)法制作復雜的IC需要的圖形的”。

　　這一技術(shù)被指“在短期內是無(wú)法應用于IC制造領(lǐng)域的，是無(wú)法撼動(dòng)ASML在IC制造領(lǐng)域分毫的……但形成了一定的威脅，長(cháng)期還是有可能取得更重要的突破的。”

　　中國光刻機制造落后現狀

　　目前國際上生產(chǎn)光刻機的主要廠(chǎng)商有荷蘭的ASML、日本的尼康、佳能。其中，數ASML技術(shù)最為先進(jìn)。

　　國內也有生產(chǎn)光刻機的公司，比如上海微電子裝備，但技術(shù)水平遠遠落后于A(yíng)SML。

　　上海微電子裝備目前生產(chǎn)的光刻機僅能加工90納米工藝制程芯片，這已經(jīng)是國產(chǎn)光刻機最高水平。而ASML已經(jīng)量產(chǎn)7納米制程EUV光刻機，至少存在著(zhù)十幾年的技術(shù)差距。

　　光刻機是制造芯片的核心裝備，過(guò)去一直是中國的技術(shù)弱項。光刻機的水平嚴重制約著(zhù)中國芯片技術(shù)的發(fā)展。我們一直在被“卡脖子”。

　　國內的芯片制造商中芯國際、長(cháng)江存儲等廠(chǎng)商不得不高價(jià)從ASML買(mǎi)入光刻機。

　　今年5月，日經(jīng)亞洲評論曾報道，中芯國際向國際半導體設備大廠(chǎng)ASML下單了一臺1.2億美元的EUV光刻機，預計將于2019年初交貨。

　　另外，長(cháng)江存儲今年也從ASML買(mǎi)入一臺浸潤式光刻機，售價(jià)高達7200萬(wàn)美元。

　　那么，所謂的光刻機到底是啥?

　　光刻機原理

　　光刻機，芯片制造的核心設備之一。中科院光電所的胡松、賀曉棟在《中科院之聲》發(fā)表的一篇文章中這樣介紹它的重要性：

　　“后工業(yè)時(shí)代包括現在的工業(yè)3.0、工業(yè)4.0，都以芯片為基礎，光刻機作為制造芯片的工具，就相當于工業(yè)時(shí)代的機床，前工業(yè)時(shí)代的人手。”

　　但比較特殊的是，光刻機以光為“刀具”。具體來(lái)說(shuō)，工藝流程大致是這樣的：

　　“在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線(xiàn)透過(guò)掩模照射在硅片表面，被光線(xiàn)照射到的光刻膠會(huì )發(fā)生反應。

　　此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實(shí)現了電路圖從掩模到硅片的轉移。”

　　這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的過(guò)程，通常情況下，想要用光刻機制造出一個(gè)芯片，需要在極其細微的結構上進(jìn)行上百次套刻和數千道工藝，需要幾百種設備才能完成。

　　這次中科院研制成功的光刻機，能力達到了22納米。這是什么概念呢?中科院的文章中提到了一個(gè)對比：

　　“頭發(fā)的直徑約為80微米，22納米是頭發(fā)直徑的1/3600。也就是說(shuō)，這個(gè)光刻機能夠在頭發(fā)表面加工各種復雜的結構。”

　　這臺光刻機，是誰(shuí)研發(fā)出來(lái)的?

　　中科院光電所的7年探索

　　這臺光刻機背后的研究機構是中科院光電所。

　　帶頭完成這項研發(fā)任務(wù)的，是中科院光電所所長(cháng)、超分辨光刻裝備項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院大學(xué)教授&博導羅先剛研究員。

　　羅先剛在光電領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位從他的一長(cháng)串title中可見(jiàn)一斑：

　　微細加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任，國家973計劃首席科學(xué)家，曾獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎，2017年中國工程院院士增選有效候選人，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，中組部首批萬(wàn)人計劃科技領(lǐng)軍人才、2009年“新世紀百千萬(wàn)人才工程”國家級人選，2004年中科院“百人計劃”入選者，中國光學(xué)學(xué)會(huì )、美國光學(xué)學(xué)會(huì )、國際光學(xué)工程學(xué)會(huì )、國際光電子與激光工程學(xué)會(huì )四大學(xué)會(huì )成員(Fellow)。

　　從1995年在中科院光電技術(shù)研究所讀碩士開(kāi)始，羅先剛已經(jīng)從事光電領(lǐng)域20余年了，在中科院光電技術(shù)研究所讀完碩士和博士后，他去了日本理化學(xué)研究所做博士后和研究科學(xué)家。

　　2004年，羅先剛回到了他讀書(shū)的中科院光電技術(shù)研究所，開(kāi)始擔任研究員。20余年的光電學(xué)術(shù)之路上，他不僅發(fā)表了SCI收錄論文100余篇，還帶出了數十名優(yōu)秀的碩士博士生。

　　項目副總師胡松也是中科院光電技術(shù)研究所的研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博導，在光學(xué)投影曝光微納加工技術(shù)、 微細加工光刻技術(shù)有豐富的經(jīng)驗，享受?chē)鴦?wù)院政府津貼，曾主持多個(gè)國家級、部委級、省級科研項目，發(fā)表十余項專(zhuān)利技術(shù)。

　　中科院光電所完成這項計劃用了7年。

　　根據經(jīng)濟日報報道，2012年，中科院光電所承擔了超分辨光刻裝備這一國家重大科研裝備項目研制任務(wù)，當時(shí)并沒(méi)有任何國外成熟經(jīng)驗可借鑒。

　　7年來(lái)，項目組突破了高均勻性照明、超分辨光刻鏡頭、納米級分辨力檢焦及間隙測量和超精密、多自由度工件臺及控制等關(guān)鍵技術(shù)，完成國際上首臺分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備研制，其采用365納米波長(cháng)光源，單次曝光最高線(xiàn)寬分辨力達到22納米(約1/17曝光波長(cháng))。

　　在此基礎上，項目組還結合超分辨光刻裝備項目開(kāi)發(fā)的高深寬比刻蝕、多重圖形等配套工藝，實(shí)現了10納米以下特征尺寸圖形的加工。

　　另外，這個(gè)項目還發(fā)表了論文68篇，申請國家發(fā)明專(zhuān)利92項，其中授權47項，申請國際專(zhuān)利8項，授權4項，為國家培養了一支超分辨光刻技術(shù)和裝備研發(fā)團隊。
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