國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)達(dá)到幾納米_中國(guó)光刻機(jī)的發(fā)展史

從2009年開(kāi)始算起，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)一路攻堅(jiān)克難，國(guó)產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已于近期第一次成功曝光。2022年左右有望完成驗(yàn)收。這意味著，中國(guó)半導(dǎo)體材料和設(shè)備（工藝技術(shù)）產(chǎn)業(yè)又向前跨出了關(guān)鍵一大步。光刻機(jī)被全球業(yè)界人士們稱(chēng)為“工業(yè)皇冠明珠”。而事實(shí)上，中國(guó)科研和工程人員們也都有志在未來(lái)，從“工業(yè)皇冠”上拿到這顆“明珠”。

國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)達(dá)到幾納米

光電所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出來(lái)的SP光刻機(jī)是世界上第一臺(tái)單次成像達(dá)到22納米的光刻機(jī)，結(jié)合多重曝光技術(shù)，可以用于制備10納米以下的信息器件。這不僅是世界上光學(xué)光刻的一次重大變革，也將加快推進(jìn)工業(yè)4.0，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025的美好愿景。

中國(guó)生產(chǎn)光刻機(jī)的廠(chǎng)家

1、上海微電子裝備有限公司

2、中子科技集團(tuán)公司第四十五研究所國(guó)電

3、合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司

4、先騰光電科技有限公司

5、無(wú)錫影速半導(dǎo)體科技有限公司

中國(guó)光刻機(jī)的發(fā)展史

2009 年9 月下旬，上海微電子裝備有限公司研發(fā)的先進(jìn)封裝光刻機(jī)通過(guò)了江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司的出廠(chǎng)工藝測(cè)試，并正式簽訂了產(chǎn)品銷(xiāo)售合同。該光刻機(jī)具有“大視場(chǎng)、大焦深、高套刻精度、邊緣曝光”等技術(shù)特點(diǎn)，可滿(mǎn)足先進(jìn)封裝I藝中8 英寸及12 英寸硅片級(jí)重新布線(xiàn)凸點(diǎn)等厚膠工藝要求。自2009年11月上生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行以來(lái)，江陰長(zhǎng)電利用該設(shè)備已成功完成第一批8英寸“重新布線(xiàn)及凸點(diǎn)工藝”產(chǎn)品的多層光刻生產(chǎn)任務(wù)。

國(guó)產(chǎn)首臺(tái)先進(jìn)封裝光刻機(jī)的研制成功與使用，標(biāo)志著我國(guó)在高端封裝關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)品創(chuàng)新與開(kāi)發(fā)中取得了可喜突破，對(duì)提升我國(guó)集成電路制造裝備、工藝及材料技術(shù)的自主創(chuàng)新能力具有重要意義。

2010年7月16日下午，上海微電子裝備有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“SMEE”） 和江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“JCAP”） 在江蘇省江陰市聯(lián)合召開(kāi)了“首臺(tái)先進(jìn)封裝光刻機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)會(huì)暨SMEE 與JCAP戰(zhàn)略合作協(xié)議的簽約儀式”會(huì)議?？萍疾俊?guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”實(shí)施管理辦公室和

總體專(zhuān)家組、專(zhuān)項(xiàng)咨詢(xún)委、上海市科委、江陰市府等單位的領(lǐng)導(dǎo)出席丁會(huì)議，科技部曹健林副部長(zhǎng)等領(lǐng)導(dǎo)做了重要講話(huà)。

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高端芯片的集成度已經(jīng)達(dá)到數(shù)千至數(shù)億晶體管，推動(dòng)著芯片封裝技術(shù)向更高密度、更高性能發(fā)展，使基于凸點(diǎn)工藝的封裝成為主流技術(shù)，對(duì)封裝光刻機(jī)的性能也大幅提高，傳統(tǒng)的接近/接觸式光刻機(jī)已不能滿(mǎn)足高性能、高密度、低成本等先進(jìn)封裝工藝發(fā)展需求，先進(jìn)的大視場(chǎng)、大焦深、高精度投影光刻機(jī)成為先進(jìn)封裝生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備。為了改變?cè)擃?lèi)先進(jìn)封裝光刻機(jī)完全依賴(lài)進(jìn)口局面，上海微電子裝備有限公司在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)和上海市科委等部門(mén)的支持下，成功開(kāi)發(fā)出了用于倒裝焊凸點(diǎn)制備的先進(jìn)封裝光刻機(jī)。該機(jī)型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在投影物鏡、高精密的工件臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦測(cè)量、軟件系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了系列創(chuàng)新成果，申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利74項(xiàng)，已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)22項(xiàng)，申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)。

2009年9月下旬，上海微電子裝備有限公司研發(fā)的先進(jìn)封裝光刻機(jī)通過(guò)了江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司的出廠(chǎng)工藝測(cè)試，并正式簽訂了產(chǎn)品銷(xiāo)售合同。該光刻機(jī)具有“大視場(chǎng)、大焦深、高套刻精度、邊緣曝光”等技術(shù)特點(diǎn)，可滿(mǎn)足先進(jìn)封裝工藝中8英寸及12 英寸硅片級(jí)重新布線(xiàn)凸點(diǎn)等厚膠工藝要求。自2009年11月上生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行以來(lái)，江陰長(zhǎng)電利用該設(shè)備已成功完成第一批8 英寸“重新布線(xiàn)及凸點(diǎn)工藝”產(chǎn)品的多層光刻生產(chǎn)任務(wù)。

國(guó)產(chǎn)首臺(tái)先進(jìn)封裝光刻機(jī)的研制成功與使用，標(biāo)志著我國(guó)在高端封裝關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)品創(chuàng)新與開(kāi)發(fā)中取得了可喜突破，對(duì)提升我國(guó)集成電路制造裝備、工藝及材料技術(shù)的自主創(chuàng)新能力具有重要意義。

延伸閱讀：光刻機(jī)的發(fā)展史

光刻機(jī)的最小分辨率、生產(chǎn)效率、良率均在不斷發(fā)展。 光刻機(jī)的最小分辨率由公示 R=kλ/NA，其中 R 代表可分辨的最小尺寸，對(duì)于光刻技術(shù)來(lái)說(shuō)， R 越小越好； k 是工藝常數(shù)； λ 是光刻機(jī)所用光源的波長(zhǎng)； NA 代表物鏡數(shù)值孔徑，與光傳播介質(zhì)的折射率相關(guān)，折射率越大， NA 越大。光刻機(jī)制程工藝水平的發(fā)展均遵循以上公式。此外，光刻機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和工作模式也在發(fā)展，不斷提升芯片的生產(chǎn)效率和良率。

根據(jù)所使用的光源的改進(jìn)，光刻機(jī)經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。此外雙工作臺(tái)、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展也在不斷提升光刻機(jī)的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

按所用光源，光刻機(jī)經(jīng)歷了五代產(chǎn)品的發(fā)展

最初的兩代光刻機(jī)采用汞燈產(chǎn)生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿(mǎn)足0.8-0.35 微米制程芯片的生產(chǎn)。最早的光刻機(jī)采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機(jī)對(duì)接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良， 通過(guò)氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細(xì)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(jī)采用 248nm 的 KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點(diǎn)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(xiàn)在光刻機(jī)通用的，光源通過(guò)掩模， 經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補(bǔ)償后， 以?huà)呙璧姆绞皆诠杵蠈?shí)現(xiàn)曝光。

第四代 ArF 光刻機(jī)：最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品。第四代光刻機(jī)的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機(jī)是目前使用最廣的光刻機(jī)，也是最具有代表性的一代光刻機(jī)。由于能夠取代 ArF 實(shí)現(xiàn)更低制程的光刻機(jī)遲遲無(wú)法研發(fā)成功，光刻機(jī)生產(chǎn)商在 ArF 光刻機(jī)上進(jìn)行了大量的工藝創(chuàng)新，來(lái)滿(mǎn)足更小制程和更高效率的生產(chǎn)需要。

創(chuàng)新一：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式掃描投影。 此前的掃描投影式光刻機(jī)在光刻時(shí)硅片處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)掩模的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)硅片不同區(qū)域的曝光。 1986 年 ASML 首先推出步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)了光刻過(guò)程中，掩模和硅片的同步移動(dòng)， 并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達(dá)到 5： 1， 有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產(chǎn)效率提升了一個(gè)臺(tái)階。

創(chuàng)新二：雙工作臺(tái)光刻機(jī)。硅片在進(jìn)入光刻流程前要先進(jìn)行測(cè)量和對(duì)準(zhǔn)，過(guò)去光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)、光刻等所有流程都在這一個(gè)工作臺(tái)上完成。 2001 年 ASML 推出了雙工作臺(tái)系統(tǒng)（TWINSCAN system），雙工作臺(tái)系統(tǒng)使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行曝光工作的同時(shí)，另外一個(gè)工作臺(tái)可以同時(shí)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對(duì)準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提升大約 35%。

雖然從結(jié)果上來(lái)看，僅僅是增加了一個(gè)工作臺(tái)，但其中的技術(shù)難度卻不容小覷，雙工作臺(tái)系統(tǒng)對(duì)于換臺(tái)的速度和精度有極高的要求， 如果換臺(tái)速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率；如果換臺(tái)精度不夠， 則可能影響后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開(kāi)展。

雙工作臺(tái)光刻機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)

創(chuàng)新三： 浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)。到了 45nm 制程節(jié)點(diǎn)時(shí)， ArF 光刻機(jī)也遇到了分辨率不足的問(wèn)題，此時(shí)業(yè)內(nèi)對(duì)下一代光刻機(jī)的發(fā)展提出了兩種路線(xiàn)圖。一是開(kāi)發(fā)波長(zhǎng)更低的 157nmF2準(zhǔn)分子激光做為光源， 二是由 2002 年臺(tái)積電林本堅(jiān)提出的浸沒(méi)式光刻。此前的光刻機(jī)都是干式機(jī)臺(tái)，曝光顯影都是在無(wú)塵室中，以空氣為媒介進(jìn)行。由于最小分辨率公式中的 NA 與折射率成正相關(guān)，如果用折射率大于 1 的水做為媒介進(jìn)行光刻，最小分辨率將得到提升，這就是浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)的原理。

ASML 率先推出浸沒(méi)式光刻機(jī)，奠定自身市場(chǎng)地位。林本堅(jiān)提出浸沒(méi)式光刻設(shè)想后， ASML開(kāi)始與臺(tái)積電合作開(kāi)發(fā)浸沒(méi)式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出第一臺(tái)浸沒(méi)式光刻機(jī)TWINSCANXT:1900i，該設(shè)備采用折射率達(dá)到 1.44 的去離子水做為媒介，實(shí)現(xiàn)了 45nm 的制程工藝，并一舉壟斷市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機(jī)被市場(chǎng)拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產(chǎn)品線(xiàn)上顯著落后于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML 一家獨(dú)大的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

浸沒(méi)式光刻機(jī)原理

通過(guò)浸沒(méi)式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機(jī)最高可以實(shí)現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動(dòng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機(jī)已無(wú)法滿(mǎn)足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機(jī)。

第五代 EUV 光刻機(jī)，千呼萬(wàn)喚始出來(lái)。 1-4 代光刻機(jī)使用的光源都屬于深紫外光， 第五代 EUV光刻機(jī)使用的則是波長(zhǎng) 13.5nm 的極紫外光。

早在上世紀(jì)九十年代，極紫外光刻機(jī)的概念就已經(jīng)被提出， ASML 也從 1999 年開(kāi)始 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)工作，原計(jì)劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到 2010 年 ASML 才研發(fā)出第一臺(tái) EUV 原型機(jī)， 2016 年才實(shí)現(xiàn)下游客戶(hù)的供貨，比預(yù)計(jì)時(shí)間晚了十幾年。三星、臺(tái)積電、英特爾共同入股 ASML 推動(dòng) EUV 光刻機(jī)研發(fā)。

EUV 光刻機(jī)面市時(shí)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(wú)法達(dá)到 250 瓦的工作功率需求，二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)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(fā)費(fèi)用。 2012 年 ASML 黨的三大客戶(hù)三星、臺(tái)積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元，用于支持 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)。此后 ASML 收購(gòu)了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商 Cymer，并以 10 億歐元現(xiàn)金入股光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商卡爾蔡司，加速EUV 光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，這兩次并購(gòu)也是 EUV 光刻機(jī)能研發(fā)成功的重要原因。

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