从2009年开始算起,中国研究团队一路攻坚克难,国产首套90纳米高端光刻机已于近期第一次成功曝光。2022年左右有望完成验收。这意味着,中国半导体材料和设备(工艺技术)产业又向前跨出了关键一大步。光刻机被全球业界人士们称为“工业皇冠明珠”。而事实上,中国科研和工程人员们也都有志在未来,从“工业皇冠”上拿到这颗“明珠”。
中国光刻机发展史
按所用光源,光刻机经历了五代产品的发展
最初的两代光刻机采用汞灯产生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作为光刻光源,可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产。最早的光刻机采用接触式光刻,即掩模贴在硅片上进行光刻,容易产生污染,且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良, 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙,掩模与硅片不再直接接触,但受气垫影响,成像的精度不高。
第三代光刻机采用 248nm 的 KrF(氟化氪)准分子激光作为光源,将最小工艺节点提升至350-180nm 水平,在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻,即现在光刻机通用的,光源通过掩模, 经光学镜头调整和补偿后, 以扫描的方式在硅片上实现曝光。
第四代 ArF 光刻机:最具代表性的光刻机产品。第四代光刻机的光源采用了 193nm 的 ArF(氟化氩)准分子激光,将最小制程一举提升至 65nm 的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机,也是最具有代表性的一代光刻机。由于能够取代 ArF 实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功,光刻机生产商在 ArF 光刻机上进行了大量的工艺创新,来满足更小制程和更高效率的生产需要。
第五代 EUV 光刻机,千呼万唤始出来。 1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光, 第五代 EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm 的极紫外光。
早在上世纪九十年代,极紫外光刻机的概念就已经被提出, ASML 也从 1999 年开始 EUV 光刻机的研发工作,原计划在 2004 年推出产品。但直到 2010 年 ASML 才研发出第一台 EUV 原型机, 2016 年才实现下游客户的供货,比预计时间晚了十几年。三星、台积电、英特尔共同入股 ASML 推动 EUV 光刻机研发。
EUV 光刻机面市时间表的不断延后主要有两大方面的原因,一是所需的光源功率迟迟无法达到 250 瓦的工作功率需求,二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高,生产难度极大。这两大原因使得 ASML及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。 2012 年 ASML 党的三大客户三星、台积电、英特尔共同向 ASML 投资 52.59 亿欧元,用于支持 EUV 光刻机的研发。此后 ASML 收购了全球领先的准分子激光器供应商 Cymer,并以 10 亿欧元现金入股光学系统供应商卡尔蔡司,加速EUV 光源和光学系统的研发进程,这两次并购也是 EUV 光刻机能研发成功的重要原因。