觀點投書:中國向光刻機急起直追

2020-12-22 06:10

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據聞韓國三星已有自創7 nm 的光刻突破技術,而華為、中國科學院早就埋頭苦幹、急起直追。(美聯社)

據聞韓國三星已有自創7 nm 的光刻突破技術,而華為、中國科學院早就埋頭苦幹、急起直追。(美聯社)

光刻機 (Lithography Machine) 在世界上原有三強,日本的Nikon、Canon 和荷蘭的ASML,但由於手機芯片的高度需求,促成光刻機細微化的機制,ASML的分額已遠超越日系光刻機,市占率高達80~90%,後工業時代包括工業3.0和工業4.0,都以芯片為基礎,光刻機作為芯片製造的重要裝備,製程大致如下: 它是以光為刀具,先在矽片 (Silicon wafer, 晶圓) 表面覆蓋一層高度光敏感性的光刻膠 (Photoresist),再以強烈激光 (Laser, 雷射光) 透過掩膜 (Mask) 照射至矽片表面,被照射到的光刻膠會發生反應,然後以特定溶劑洗去被照射或未被照射的光刻膠,因而形成電路圖從掩膜轉移至矽片,這只是科普的簡述,真要用光刻機製造芯片,需要在極其細微的結構上進行上百次套刻 (Alignment) 和數千道工序,並需幾百種裝備才能實現。中國自產光刻機如上海微電子的製機,只能加工90 nm (奈米) 工藝芯片,與ASML的7 nm EUV (External Ultraviolet, 極短紫外線) 光刻機相較,技術差距了十幾年,難怪中美商業戰25%的高關稅並未擊倒中國,但進入科技戰,美國包圍中國的斷晶禁令,卻讓華為高階手機痛失半壁江山。

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nikon光刻機(取自NIKON官網)
光刻機 (Lithography Machine) 在世界上原有三強,日本的Nikon、Canon 和荷蘭的ASML。圖為Nikon光刻機。(取自NIKON官網)

強大的光刻機是高階細微芯片製造的核心裝備,中國一直在此領域被外國掐住脖子,中國科學院 (Chinese Academy of Science) 光電所經過七年艱苦研發,12月中旬「超分辨 (Super-Resolution) 光刻研製」 通過驗收,此意味中國有了第一台分辨力最高的紫外 (即22奈米@365奈米) 超分辨光刻裝備,意即在365 nm 光源的波長下,單次曝光 (Single Exposure) 最高線寬 (Maximum line width) 分辨力可達到22 nm,這相當於頭髮直徑的1/3600,已在原理上突破分辨力衍射 (diffraction) 極限,建立了一個高分辨、大面積的nm光刻裝備,這種研發的新思維,跨越過了國外相關智慧財產權的屏障,值得關注的重點如下:

1. 光源〔用很粗的刀具切刻出很細的一條線〕: 365 nm波長光源屬於近紫外線的範圍,為了追求更小的奈米技術,國外光刻機廠商的解決方案,是使用波長越短的的光源實現,例如ASML即以此方法解決,目前國外最廣泛使用於光刻機的光源為193 nm波長深紫外激光,光刻分辨力則為38 nm 約0.27倍曝光波長,而國科院研發的可以做到22 nm,並結合雙重曝光技術後,未來有能力達成 10 nm 級別的芯片,也就是說,中科院研製的光刻機,用波長更長的近紫外線,以成本更低的汞燈光源,實現了更高的光刻分辨力約0.06 倍曝光波長,這情況相當於使用很粗的刀子,切刻出一條很細的線,亦即突破了分辨力衍射的極限。

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