國產(chǎn)光刻機(jī)“套刻≤8nm”意味著什么

波長為193nm（納米）、分辨率≤65nm、套刻≤8nm……日前，工信部的一份文件，再次把國產(chǎn)光刻機(jī)推入公眾視野，甚至傳出國產(chǎn)DUV光刻機(jī)突破8nm工藝的“重磅消息”。

9月9日，工信部旗下微信公眾號(hào)“工信微報(bào)”推送了工信部于9月2日簽發(fā)的關(guān)于印發(fā)《首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2024年版）》的通知文件，通知文件中的“電子專用裝備”的第一項(xiàng)即“集成電路生產(chǎn)裝備”，明確提到氟化氪（KrF）光刻機(jī)和氟化氬（ArF）光刻機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，尤其是氟化氬光刻機(jī)，文件標(biāo)明其套刻精度≤8nm。

記者注意到，該文件一經(jīng)發(fā)布后，關(guān)于國產(chǎn)光刻機(jī)取得大突破的言論“喜大普奔”，還有人把“套刻≤8nm”誤認(rèn)為8nm光刻機(jī)。事實(shí)上，套刻精度指的是每一層光刻層之間的對(duì)準(zhǔn)精度，而≤8nm的套刻精度并不一定代表能制造8nm工藝的芯片。

“光刻機(jī)套刻小于8納米，邏輯上對(duì)應(yīng)的區(qū)間，也能上到成熟區(qū)間，甚至更高一些。但別指望它覆蓋手機(jī)用的處理器工藝，主要還是面向成熟區(qū)間?！卑雽?dǎo)體行業(yè)資深觀察人士王如晨對(duì)記者表示，工信部文件表格里不止氟化氬光刻機(jī)，還有配套設(shè)備，是個(gè)小生態(tài)，“看工藝節(jié)點(diǎn)，都側(cè)重成熟區(qū)間，尤其28納米”。

制造更小線寬芯片的辦法

需要指出的是，早在6月20日，工信部就發(fā)布了《首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2024年版）》公示，“集成電路生產(chǎn)設(shè)備”一欄當(dāng)中就有一款氟化氪光刻機(jī)和一款氟化氬光刻機(jī)。

隨后在9月，工信部再次發(fā)布通知文件，這是對(duì)外正式公布。依照不同光源，光刻機(jī)可分為UV（紫外）、DUV（深紫外）以及EUV（極紫外）三大類型。而通知文件中的氟化氪光刻機(jī)和氟化氬光刻機(jī)，兩者均屬于第四代DUV光刻機(jī)。

目前來說，光刻機(jī)共經(jīng)歷了五代發(fā)展，隨著波長從最早的436nm到最新的13.5nm，芯片制程也逐漸達(dá)到接近極限的3nm。

光刻機(jī)性能如何，有兩個(gè)關(guān)鍵所在：一是光刻機(jī)波長，二是物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（NA）。根據(jù)知名公式——瑞利判據(jù)，即CD=k1*λ/NA。CD代表線寬，即芯片可實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸；λ代表光刻機(jī)使用光源的波長，NA指的是光刻機(jī)物鏡的數(shù)值孔徑，也就是鏡頭收集光的角度范圍；k1是一個(gè)系數(shù)，取決于芯片制造工藝有關(guān)的眾多因素。

根據(jù)這個(gè)公式，如果要制造更小線寬的芯片，即CD值越小，可使用波長更短的光源、更大數(shù)值孔徑的物鏡和降低k1值這些辦法。

比如荷蘭半導(dǎo)體設(shè)備制造商阿斯麥（ASML）的EUV光刻機(jī)，光源波長只有13.5nm，同時(shí)ASML也在不斷提高光刻機(jī)的孔徑，以用于7nm甚至更高工藝制程芯片的制造。

而在光刻機(jī)物鏡和晶圓之間加入超純水，把水作為介質(zhì)，不僅變相地把光源波長等效縮短，也變相地提升了NA數(shù)值。而這種加入了超純水的光刻機(jī)被稱為浸沒式光刻機(jī)，由此DUV光刻機(jī)也能達(dá)到光學(xué)分辨率的天花板。

然而，浸沒式光刻機(jī)理論上容易，但工程實(shí)現(xiàn)相當(dāng)麻煩。有著“浸潤式光刻機(jī)之父”之稱的林本堅(jiān)，在臺(tái)積電任職期間，單單一個(gè)浸液系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)就耗時(shí)2年，修改了7—8回才實(shí)現(xiàn)突破。業(yè)內(nèi)人士稱，?浸沒式光刻機(jī)的研發(fā)難度之高，相當(dāng)于在月球上用槍打到地球上的一個(gè)目標(biāo)。?

分辨率≤65nm、套刻≤8nm是什么水平

除了以上方法外，多重曝光也是提升光刻機(jī)制造工藝的一種技術(shù)。比如ASML浸潤式DUV光刻機(jī)NXT：1980的分辨率≤38nm，卻可以支撐臺(tái)積電第一代7nm工藝的生產(chǎn)，靠的就是多重曝光技術(shù)。

作為光刻機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，套刻精度通常指的是“多重曝光能達(dá)到的最高精度”，它決定了每次曝光之間物理位移的最小誤差，直接影響著多層曝光工藝的質(zhì)量和效率。隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮放至14nm、10nm、7nm，多重曝光成為必要手段。

那么，通知文件中的ArF光刻機(jī)（光源波長193nm，分辨率≤65nm，套刻≤8nm）極限能做到多少納米制程？處于什么水平？極限制程能達(dá)到多少納米？

綜合來看，這種規(guī)格的國產(chǎn)ArF光刻機(jī)性能與ASML于2015年二季度出貨的ArF光刻機(jī)TWINSCAN XT：1460K（分辨率為≤65nm，套刻精度＜5nm）較為接近。而按套刻精度與量產(chǎn)工藝1∶3的關(guān)系，這個(gè)光刻機(jī)理論上可量產(chǎn)28nm工藝的芯片。

不過，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，考慮到套刻精度誤差更大等原因，該國產(chǎn)ArF光刻機(jī)可能還到不了“28nm光刻機(jī)”的分辨率要求?？傮w來說，這次曝光的國產(chǎn)DUV光刻機(jī)，應(yīng)該是之前90nm分辨率的國產(chǎn)光刻機(jī)的改良版，能用于55—65nm的成熟制程芯片制造需求。

“工信部表格里不止氟化氬光刻機(jī)，還有配套設(shè)備，是個(gè)小生態(tài)?？垂に嚬?jié)點(diǎn)，都側(cè)重成熟區(qū)間，尤其28納米?！蓖跞绯勘硎?，如果規(guī)模化推廣，F(xiàn)AB（晶圓廠）成功量產(chǎn)，中國除了手機(jī)等場(chǎng)景外，有更大或者說真正意義上的自主性，“絕大部分民用、工業(yè)、國防的場(chǎng)景足夠了?！?/p>

國產(chǎn)光刻機(jī)向前邁了一小步

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體制造的核心設(shè)備，其技術(shù)水平直接決定了芯片的性能和品質(zhì)。長期以來，我國在光刻機(jī)領(lǐng)域一直受制于人，高端設(shè)備主要依賴進(jìn)口。

相比之前90nm分辨率的國產(chǎn)光刻機(jī)，新的65nm分辨率已經(jīng)有了一定的進(jìn)步。當(dāng)然，我們依然要清醒認(rèn)識(shí)到國產(chǎn)光刻機(jī)與國外先進(jìn)水平之間的差距。

需要指出的是，通知文件所披露的這款A(yù)rF光刻機(jī)依然是干式DUV光刻機(jī)，而非更先進(jìn)的浸沒式DUV光刻機(jī)（也被稱為ArFi光刻機(jī)）。

對(duì)于國產(chǎn)光刻機(jī)廠商來說，從干式DUV轉(zhuǎn)向浸沒式DUV這一過程還有很多難題需要解決，不僅僅是技術(shù)方面。ASML盡管在2006年就推出了首臺(tái)量產(chǎn)的浸沒式DUV光刻機(jī)XT：1700i，但卻是在2010年代前后才依靠浸沒式DUV光刻機(jī)打敗了當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)兩大巨頭佳能和尼康，確立了霸主地位。

ASML財(cái)報(bào)顯示，2023年中國成為該公司的第二大市場(chǎng)。2024第一季度和第二季度，ASML中國地區(qū)銷售額占比都是49%，第二季度以銷售額論，ArFi占比50%，超過EUV的31%。

其實(shí)，ASML最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)早已被完全禁止出口中國；去年10月，美國又更新了先進(jìn)芯片制造技術(shù)出口管制，將限制出口中國的光刻機(jī)范圍擴(kuò)大，即擴(kuò)大至采用多重曝光能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)制程能力的光刻機(jī)。

9月6日，荷蘭政府宣布，擴(kuò)大光刻機(jī)出口管制范圍至浸沒式深紫外光刻設(shè)備，與美國的管制“對(duì)齊”，ASML如果要向中國出口TWINSCAN NXT：1970i和1980i型號(hào)浸潤式DUV光刻系統(tǒng)，需要先向荷蘭政府申請(qǐng)出口許可證。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，ASML進(jìn)一步收緊先進(jìn)DUV的出口，是驅(qū)動(dòng)國產(chǎn)最新光刻機(jī)信息公布的因素之一。對(duì)此，王如晨表示：“趕在美國脅迫荷蘭政府加了一個(gè)出口許可關(guān)而ASML配合發(fā)聲后，本就算是做了一次側(cè)面的回?fù)??！?/p>

申萬宏源證券認(rèn)為，官方披露核心設(shè)備進(jìn)展提振市場(chǎng)信心，國產(chǎn)光刻機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芤?，國?nèi)晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)自主可控可期，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備整體受益。中芯國際、北方華創(chuàng)、中微公司、拓荊科技、微導(dǎo)納米、上海微電子等產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，都將從國產(chǎn)65nm的ArF光刻機(jī)中得到發(fā)展機(jī)會(huì)。