拒绝技术垄断 国产首台超分辨光刻机技术浅析

    2018年11月29日，一则名为“宽刀雕细活 我国造出新式光刻机”的消息刷爆网络，援引自新闻中的消息，我们可以看到，由我国中科院光电技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨率装备研制”通过验收。很多人振奋的原因在于这是我国自行研制的世界首台利用紫外光源实现22nm分辨率的光刻机，这意味着我国在微电子技术领域再次迈出了坚实的一步，缩小了与全球在该领域的差距。在祝贺伟大祖国的同时，我们总结了一下目前关于这方面的学术研究，为大家浅析该技术让所有国人为之震动，举国欢庆的原因。

何为光刻机？

    说道光刻机，就不得不说与我们生活息息相关的半导体芯片，在日常生活中，小到我们每天都要接触的手机、笔记本，大到导弹卫星、航天科技等高科技产品，其内都包含有大量的半导体芯片。不客气的说半导体芯片已经渗透到我们生活的各个领域，而半导体技术的发展也将极大程度上促进当今科学技术的进步与发展。但产品的特性决定了半导体技术必须向高度集成的方向发展，集大成者——光刻机应运而生。

    光刻机通又叫做掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，整个光刻过程我们可以理解为在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。通俗理解光刻机就是极大规模机集成电路的制造设备，其结合了光学、控制、材料、机械、测量等多领域的高精尖科技成果。光刻机的发展水平对于整个半导体芯片的集成电路以及最终性能有着决定性的作用，不夸张的说谁掌握了最高端的光刻机技术，也就掌握了当代半导体制造业的领导地位。由此可见，光刻机作为其中含金量最高的部分组建，在国际上的地位之重以及制造难度之大。

    但先进的光刻机技术一直以来都掌握在极少数发达国家手中，且更新换代的速度非常快，几乎每两年就会有一批新的光刻机出现。这对于发展中国家研究光刻机技术而言无疑的灾难性的，由于技术封锁加上科技落后，就算致力于发展光刻机技术，往往花费数年研制出光刻机却已经比国外的光刻技术晚了两到三代的水平。这就会造成一个国家的整体科技领域发展要受制于人，困难重重。除了花费高昂的价格购入先进的半导体装备外别无它路。在我国，半导体芯片的需求量巨大，此次成功研制出超分辨率光刻机对于国内的半导体制造业而言意义重大，相信在未来必然会改变这种被动的局面。

“弯道超车” 原理性的胜利

    从新闻中截取出的消息我们可以看到，此次中科院光电技术研究所研制的光刻机是在365nm波长的DUV光源下，单次曝光最高线宽分辨率达到22nm，相当于1/17波长。对于很多略懂科技的人员来说，我们都知道22nm的光刻技术其实在几年前就被使用，如果单拿22nm来说此次光电技术研究所的成就并不足够震撼，但如果与全球领先的荷兰ASML的尖端集成电路光刻机对比我们会发展，ASML使用的是采用EUV光刻机的13.5nm光源，加工极限为7nm，而我国的光刻机采用的是DUV下的365nm光源，加工出了22nm的分辨率，这意味这我国研制的光刻机打破了传统的衍射极限，采用一种新的原理理念验证了表面等离子光刻加工的可行性。接下来为大家粗略解释一下这两种原理的光刻技术。

ASML光刻机光刻原理

    上图红框区域为ASML光刻机最主要的光刻过程，至于后续步骤中的检测设备、物镜反射等原理涉及到重复而又复杂的折射等光学原理，我们暂且不论。传统光刻机的工作原理大致可以理解为在硅片表面涂上一层抗深紫外光损伤的增光型保护涂层，之后利用模板去除保护涂层表面需要光刻的区域，这就像在硅片表面形成类似图纸一样的结构图。之后利用带有腐蚀剂的液体对硅片表面进行侵蚀，仍涂有保护层的区域并不会受到腐蚀剂的侵蚀，而失去保护膜的部分被腐蚀后则形成电路。最后去除掉硅片表面的所有杂质，一款硅片即光刻完成。

    而我们看到的物镜等系统作用就在于利用复杂的光学原理将模板进行“无限小”的缩像成印，而EUV光刻机利用13.5nm的光源光刻出7nm的芯片就在于此，但受限于衍射效应是有极限的，最终成像的分辨率等取决于波长、数值等因素，这也是目前EUV光刻机重点攻克的难点。同时，采用EUV光源的光刻机成本非常高，为攻克上述难点需要的成本同样高昂。

国产超分辨率光刻机光刻原理

    国产超分辨率光刻机采用的则是一种名为表面等离子光刻加工工艺，利用的是一种沿金属表面传播的波，大致可以理解为当入射的光子照射在金属表面的时候。由于光子和金属表面的自由电子之间会相互作用，金属表面的自由电子受到入射光子后会激发出一种震荡状态，这种震荡状态的波将就叫做表面等离子体波，这种波会随着离开物质表面距离的增大迅速衰减。换为普通人理解即一道光打在金属表面会有类似球体落在地上的回弹反应，国产光刻的原理即为利用这道回弹衰减的波进行光刻，在原理上这就不在受到传统衍射极限的限制。

    光电研究所走的高分辨、大面积的技术路线采用365nmDUV紫外光的光刻机只需要几万元一只的汞灯即可，这也就意味着整机的成本价在百万元-千万元之间，成本不会太高，而性能则在DUV和EUV之间，这样的效益对于需求量大的半导体芯片制造业来说意义重大。此次中国中科院光电技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨率装备研制”没有沿用目前世界主流（例如ASML光刻机）的光刻技术，而是采用新的光刻原理，虽然现阶段该技术还无法应用于我们关心的高端芯片制造行业，但在该原理下，为我国赶超国际领先的光刻技术提供了极大的可能性，称其为在光刻技术这条道路上加速弯道超车一点都不为过。

双向研究光刻技术 助力国产光刻机发展

    对于很多国人而言，光刻机最近的印象应该就是2018年4月中国向荷兰订购了世界上非常先进的一套极紫外光刻（EUV）设备，这是目前最昂贵和非常先进的芯片生产工具，单价达到1.2亿美元，目前已经交付给中国企业。在当初一度引发轰动，很多人认为多年来发展“中国芯”最大的技术难关得到的解决。 其实这主要源于我们在上世纪就已经开始发展光刻技术，虽然技术与顶尖技术总是相差几代，但差距并不大，在加上日前电子科技产品发展速度迅捷，技术壁垒下阻止国内光刻技术的发展远远达不到数十年之久，所以禁售在时间的推移下也就不攻自破。

    通过我们上述的技术解析，其实我们已经对此次国内研制的超高分辨率光刻机的成功验收有了一次初步的认识，不难看出，我国并没有因为国外先进光刻机的购入而将自主研发停滞不前，而是齐头并进，选择双向发展的道路。既购入国外采用先进光科技术的光刻机作为芯片研发的保证，也在不断深耕属于我们自己的全新的技术原理，打造属于国人自己的国产光刻机。两种截然不同的技术原理恰恰说明了这一点，虽然我们再很多领域都仍处于落后西方的状态下，但没有任何一个人说过放弃，一直都始终坚持着相关领域的摸索和发展，相信在不久的未来，我们不仅能够打造出属于我们自己的顶尖高科技芯片，而且能够将中国制造的光刻机作为国际领先标准远销海外。

本文编辑：刘国亮

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