國產28nm光刻機即將量產，可通過多重曝光制造7nm芯片

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近日，國產光刻機廠商上海微電子在之前90nm的基礎上，宣布即將量產28nmimmersion式光刻機，在2023年交付國產第一台SSA/800-10W光刻機設備。

immersion式光刻機就是浸沒式光刻機，採用ArF光源，也就是193nm波長的光源，這是第四代光刻機，這也標志著中國和ASML在光刻機上僅有1代的差距，上海微電子憑借此項制程工藝也將會直接趕超日本佳能、尼康廠商，成為繼荷蘭ASML後，全球第二先進的光刻機廠商巨頭。

光刻機的發展

光刻機發展這麽久，最主要的還是所使用的光源的改進，每次光源的改進都顯著提升了光刻機的工藝制程水平，以及生產的效率和良率。

目前來說，光刻機共經歷了五代的發展，從最早的436波長，再到第二代光刻機開始使用波長 365nm i-line，第三代則是 248nm 的 KrF 激光。第四代就是 193nm 波長的 DUV 激光，這就是著名的 ArF 準分子激光。

不過在最開始的時候，193nm 波長的 DUV 激光所制造的光刻機叫做步進掃描投影光刻機，最多只能制造65nm芯片，當時的光刻機巨頭還是尼康，業內就想直接研發第五代光刻機，當時大多數人都認為使用157nm波長作為第五代光刻機光源。（尼康當時直接想超常發揮，選用未來技術，也就是0.004nm，然而這個技術難度太過於先進了，現在也沒有辦法實現）



當時正處於美日光刻機大戰時期，這是怎麽回事呢？光刻機技術源自於美國，一開始的光刻機巨頭是美國的GCA，後來尼康超越了GCA，成為了新的光刻機巨頭，80年代中期日本半導體產業成為全球市場的龍頭，美國發動芯片戰爭想要擊垮日本半導體產業。（95年美國在這場戰爭中取得了全面勝利）

90年代的時候，ASML開始在光刻機市場嶄露頭角，由此成為了美國的扶持對象，當時入股ASML的包括英特爾、台積電、三星等企業。

台積電的林本堅就發現157nm波長的光是無法通過水的。而如果193納米光在水裏折射之後，波長變成132nm，比大家研究的157nm還要短，可以把解析度提高46%，就直接跳過了157nm波長。

所以他提出在晶圓光刻膠上方加 1mm 厚的水。水可以把 193nm 的光波長折射成 134nm，這就是浸沒式光刻機，也就是第四代光刻機的Pro版本。

當時ASML憑借林本堅的方案成功打敗了尼康，成為了光刻機市場的龍頭，第四代浸沒式光刻機是無法制造7nm芯片的。

第四代浸沒式光刻機通過多重曝光可實現7nm

但是為了追求更高的圖形密度和更小的工藝節點，在普通的塗膠-曝光-顯影-刻蝕工藝的基礎上開發了多重曝光技術，如LELE（litho-etch-litho-etch）、SADP（self aligned double patterning）。LELE技術將給定的圖案分為兩個密度較小的部分，通過蝕刻硬掩模，將第一層圖案轉移到其下的硬掩模上，最終在襯底上得到兩倍圖案密度的圖形；SADP技術通過沉積和刻蝕工藝在心軸（mandrel）側壁上形成間隔物，經由額外的刻蝕步驟移除心軸，使用間隔物定義最終結構，使得特徵密度增加了一倍。將SADP加倍可以得到四重圖案化工藝（SAQP）,使得193nm浸潤式光刻可以實現~10nm的分辨率。

理論上193nm光刻機是可以實現7nm節點工藝制程的，但是會使得需要的光罩數量非常多，工藝複雜，量產難度大。應當指出，即使導入EUV，也並不是所有流程均由EUV承擔，主要是應用在MOS器件關鍵層，其它對關鍵尺寸要求不高的步驟將仍由普通光刻機承擔。

中國第四代浸沒式光刻機有望交付

而此次上海微電子研發的SSA/800-10W光刻機設備正是屬於第四代浸沒式光刻機。

單次曝光就只可以直接生產28nm芯片，如果使用套刻精度在1.9nm左右的工作台，在多次曝光下能夠實現11nm制程工藝的芯片生產。如果改用套刻精度更優的華卓精科工作台（1.7nm），在多重曝光下更是能夠實現7nm制程工藝的芯片生產。

一旦可以制造7nm芯片，就可以解決半導體產業大部分的需求，因為芯片制造6大設備，擴散爐、刻蝕機，離子注入設備、薄膜生長設備、拋光機和清洗劑，中國目前都處在主流水平，其中刻蝕機更是達到了5nm，可以完成7nm芯片的制造需求。

而目前光刻機材料如電子特氣、光刻膠等也在加速國產化，南大光電目前已經可以生產出7nm的光刻膠，當然，在EDA工具、IC設計上中國依然和國外有較大差距。

EUV光刻機研發進度

而在最艱難的第五代光刻機，則由長春光機所來進行研發，2008年國家“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”科技重大專項將EUV光刻技術列為“32-22nm裝備技術前瞻性研究”重要攻關任務。

長春光機所聯合中國科學院光電技術研究所、中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院微電子研究所、北京理工大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學開展了“極紫外光刻關鍵技術研究”項目研究工作。

長春光機所90年代就已經開始預研EUV技術，2017年，長春光機所承擔的國家科技重大專項項目“極紫外光刻關鍵技術研究”順利通過驗收，突破了制約我國極紫外光刻發展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統集成測試等核心單元技術，成功研制了波像差優於0.75 nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統，構建了EUV 光刻曝光裝置，國內首次獲得EUV 投影光刻32 nm 線寬的光刻膠曝光圖形，建立了較為完善的曝光光學系統關鍵技術研發平台。

不過，一台 EUV 光刻機重達 180 噸，超過 10 萬個零件，需要 40 個集裝箱運輸，安裝調試都要超過一年時間。如此多的零件，一個國家想要完成，難度實在太大，國家目前打算在2035年之前實現EUV光刻機量產。

可以說，此次上海微電子能夠在年底量產28nm的immersion式光刻機。不僅能夠解決芯片代工被限制的問題，打破國外廠商的對於IC前端光刻機市場的壟斷，而且能夠覆蓋更為廣闊的市場需求，促進國產半導體行業的發展。

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