我國在芯片制造領域取得新突破!

　　經(jīng)過近七年艱苦攻關，“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收。這意味著，現(xiàn)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”。

　　換句話說，我國科學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，在光刻機領域更是如此，時常遭遇國外掐脖子、禁售等種種制約。

　　對于這次的突破，驗收專家組的意見是：

　　“該光刻機在365納米光源波長下，單次曝光最高線寬分辨力達到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，繞過國外相關知識產(chǎn)權壁壘。”

　　消息一出，很多人都紛紛稱贊，但大多數(shù)都是不明覺厲，當然也有人說是吹牛。這個消息背后，到底意味著什么呢?

　　這個突破亮點很多，其中最值得關注的有幾個點，量子位簡單總結(jié)如下：

　　光源：粗刀刻細線

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

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

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

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

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

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

　　因此，它也被稱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”

　　波長越短，成本越高。

　　為獲得更高分辨力，傳統(tǒng)上采用縮短光波、增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑等技術路徑來改進光刻機，但問題在于不僅技術難度極高，裝備成本也極高。

　　ASML最新的第五代光刻機使用波長更短的13.5納米極紫外光(EUV)，用于實現(xiàn)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1億美元以上。

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

　　有網(wǎng)友評價稱，中國造的光刻機說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。

　　突破：破局禁運，彎道超車

　　這臺光刻機的出現(xiàn)，還有另一個重要的意義。

　　這里我們引用央廣的報道：

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

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

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

　　局限

　　當然，我們也不能頭腦發(fā)熱。

　　這個設備的出現(xiàn)，并不意味著我國的芯片制造立刻就能突飛猛進。一方面，芯片制造是一個龐大的產(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(jù)介紹，目前這個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，已達到實用化水平。

　　也就是說，目前主要是一些光學等領域的器件。

　　不過也有知乎網(wǎng)友表示“以目前的技術能力，只能做周期的線條和點陣，是無法制作復雜的IC需要的圖形的”。

　　這一技術被指“在短期內(nèi)是無法應用于IC制造領域的，是無法撼動ASML在IC制造領域分毫的……但形成了一定的威脅，長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(xiàn)狀

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

　　國內(nèi)也有生產(chǎn)光刻機的公司，比如上海微電子裝備，但技術水平遠遠落后于ASML。

　　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，至少存在著十幾年的技術差距。

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

　　國內(nèi)的芯片制造商中芯國際、長江存儲等廠商不得不高價從ASML買入光刻機。

　　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，長江存儲今年也從ASML買入一臺浸潤式光刻機，售價高達7200萬美元。

　　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)時代包括現(xiàn)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)時代的機床，前工業(yè)時代的人手。”

　　但比較特殊的是，光刻機以光為“刀具”。具體來說，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，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生反應。

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

　　這只是一個簡化的過程，通常情況下，想要用光刻機制造出一個芯片，需要在極其細微的結(jié)構上進行上百次套刻和數(shù)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，這個光刻機能夠在頭發(fā)表面加工各種復雜的結(jié)構。”

　　這臺光刻機，是誰研發(fā)出來的?

　　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)任務的，是中科院光電所所長、超分辨光刻裝備項目首席科學家、中國科學院大學教授&博導羅先剛研究員。

　　羅先剛在光電領域的學術地位從他的一長串title中可見一斑：

　　微細加工光學技術國家重點實驗室主任，國家973計劃首席科學家，曾獲2016年度國家技術發(fā)明一等獎，2017年中國工程院院士增選有效候選人，國家杰出青年科學基金獲得者，中組部首批萬人計劃科技領軍人才、2009年“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，2004年中科院“百人計劃”入選者，中國光學學會、美國光學學會、國際光學工程學會、國際光電子與激光工程學會四大學會成員(Fellow)。

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

　　2004年，羅先剛回到了他讀書的中科院光電技術研究所，開始擔任研究員。20余年的光電學術之路上，他不僅發(fā)表了SCI收錄論文100余篇，還帶出了數(shù)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研究所的研究員、中國科學院大學博導，在光學投影曝光微納加工技術、 微細加工光刻技術有豐富的經(jīng)驗，享受國務院政府津貼，曾主持多個國家級、部委級、省級科研項目，發(fā)表十余項專利技術。

　　中科院光電所完成這項計劃用了7年。

　　根據(jù)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，當時并沒有任何國外成熟經(jīng)驗可借鑒。

　　7年來，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鍵技術，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納米波長光源，單次曝光最高線寬分辨力達到22納米(約1/17曝光波長)。

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

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