從2009年開始算起,中國研究團隊一路攻堅克難,國產首套90納米高端光刻機已于近期第一次成功曝光。2022年左右有望完成驗收。這意味著,中國半導體材料和設備(工藝技術)產業又向前跨出了關鍵一大步。光刻機被全球業界人士們稱為“工業皇冠明珠”。而事實上,中國科研和工程人員們也都有志在未來,從“工業皇冠”上拿到這顆“明珠”。
中國光刻機發展史
按所用光源,光刻機經歷了五代產品的發展
最初的兩代光刻機采用汞燈產生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源,可以滿足0.8-0.35 微米制程芯片的生產。最早的光刻機采用接觸式光刻,即掩模貼在硅片上進行光刻,容易產生污染,且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良, 通過氣墊在掩模和硅片間產生細小空隙,掩模與硅片不再直接接觸,但受氣墊影響,成像的精度不高。
第三代光刻機采用 248nm 的 KrF(氟化氪)準分子激光作為光源,將最小工藝節點提升至350-180nm 水平,在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻,即現在光刻機通用的,光源通過掩模, 經光學鏡頭調整和補償后, 以掃描的方式在硅片上實現曝光。
第四代 ArF 光刻機:最具代表性的光刻機產品。第四代光刻機的光源采用了 193nm 的 ArF(氟化氬)準分子激光,將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機,也是最具有代表性的一代光刻機。由于能夠取代 ArF 實現更低制程的光刻機遲遲無法研發成功,光刻機生產商在 ArF 光刻機上進行了大量的工藝創新,來滿足更小制程和更高效率的生產需要。
第五代 EUV 光刻機,千呼萬喚始出來。 1-4 代光刻機使用的光源都屬于深紫外光, 第五代 EUV光刻機使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。
早在上世紀九十年代,極紫外光刻機的概念就已經被提出, ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機的研發工作,原計劃在 2004 年推出產品。但直到 2010 年 ASML 才研發出第一臺 EUV 原型機, 2016 年才實現下游客戶的供貨,比預計時間晚了十幾年。三星、臺積電、英特爾共同入股 ASML 推動 EUV 光刻機研發。
EUV 光刻機面市時間表的不斷延后主要有兩大方面的原因,一是所需的光源功率遲遲無法達到 250 瓦的工作功率需求,二是光學透鏡、反射鏡系統對于光學精度的要求極高,生產難度極大。這兩大原因使得 ASML及其合作伙伴難以支撐龐大的研發費用。 2012 年 ASML 黨的三大客戶三星、臺積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元,用于支持 EUV 光刻機的研發。此后 ASML 收購了全球領先的準分子激光器供應商 Cymer,并以 10 億歐元現金入股光學系統供應商卡爾蔡司,加速EUV 光源和光學系統的研發進程,這兩次并購也是 EUV 光刻機能研發成功的重要原因。