中科院研发者回应5纳米光刻技术突破ASML垄断

原创 PC4f5X  2021-03-10 09:32 

独家 | 中科院研发者回应5纳米光刻技术突破ASML垄断

来源: 财经十一人

这是光刻过程中一项细分技术领域的突破,但不是中国光刻机突围

文| 陈伊凡 

编辑 | 谢丽容

今年7月,在中国科学院官网上发布了一则研究进展,中科院苏州所联合国家纳米中心在《纳米快报》(Nano Letters)上发表了题为《超分辨率激光光刻技术制备5纳米间隙电极和阵列》(5 nm Nano gap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography)的研究论文,介绍了该团队研发的新型 5 纳米超高精度激光光刻加工方法。

该论文发表在《纳米快报》(Nano Letters)。图截自官网ACS官网

消息一经发出,外界一片沸腾,一些媒体称此技术可以“突破ASML的垄断”、“中国芯取得重大进展”,“中国不需要EUV光刻机就能制作出5纳米制程的芯片”。

该论文的通讯作者、中科院研究员、博士生导师刘前告诉《财经》记者,这是一个误读,这一技术与极紫外光刻技术是两回事。

极紫外光刻技术解决的主要是光源波长的问题,极紫外光刻技术(Extreme Ultra-violet,简称:EUV),是以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。

集成电路线宽是指由特定工艺决定的所能光刻的最小尺寸,也就是我们通常说的“28纳米”、“40纳米”。 这个尺寸主要由光源波长和数值孔径决定,掩模上电路版图的大小也能影响光刻的尺寸。目前主流的28纳米、40纳米、65纳米线宽制程采用的都是浸润式微影技术(波长为134纳米)。但到了5纳米这样的先进制程,由于波长限制,浸润式微影技术无法满足更精细的制程需要,这是极紫外光刻机诞生的背景。

而中科院研发的5纳米超高精度激光光刻加工方法的主要用途是制作光掩模,这是集成电路光刻制造中不可缺少的一个部分,也是限制最小线宽的瓶颈之一。目前,国内制作的掩模版主要是中低端的,装备材料和技术大多来自国外。

刘前对《财经》记者说,如果超高精度激光光刻加工技术能够用于高精度掩模版的制造,则有望提高我国掩模版的制造水平,对现有光刻机的芯片的线宽缩小也是十分有益的。这一技术在知识产权上是完全自主的,成本可能比现在的还低,具有产业化的前景。

但是,即便这一技术实现商用化,要突破荷兰ASML(阿斯麦)(NASDAQ:ASML)在光刻机上的垄断,还有很多核心技术需要突破,例如镜头的数值孔径、光源的波长等。

如果把光刻机想象成一个倒置的投影仪,掩模就相当于幻灯片,光源透过掩模,把设计好的集成电路图形投影到光感材料上,再经蚀刻工艺将这样的图形转移到半导体芯片上。

示意图:电路设计图首先通过激光写在光掩模版上,光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面。

通常,每一个掩模版的版图都不一样,制作一枚芯片常常需要一套不同的掩模版。掩模版制作要求很高,致使其价格十分昂贵,如一套45纳米节点的CPU的掩模版大概就需要700万美元。如今,随着产品的个性化、小批量趋势,致使掩模版的价格在整个芯片成本中急速飞升。

高端掩模版在国内还是一项“卡脖子”技术。在半导体领域,除了英特尔(NASDAQ:INTC)、三星(PINK:SSNLF)、台积电(NYSE:TSM)三家能自主制造外,高端掩模版主要被美国的Photronics(NASDAQ:PLAB)、大日本印刷株式会社(DNP)以及日本凸版印刷株式会社(Toppan)(PINK:TOPPY)三家公司垄断,根据第三方市场研究机构前瞻产业研究院的数据,这三家公司的市场份额占到全球的82%。

数据来源:前瞻产业研究院

制图:陈伊凡

而且,这一技术如今尚在实验室阶段,要实现商用还有很长的路要走。ASML从1999年开始研发极紫外光刻机,到2010年才出了第一台原型机,2019年第一款7nm极紫外工艺的芯片才开始商用,前后花了20年时间。这是一个技术从实验室走向商用所必须付出的时间成本。

半导体产业发展60多年,摩尔定律基本得以实现的关键就在于光刻机能不断实现更小分辨率,在单位面积芯片上制造更多的晶体管,提高芯片的集成度。如果没有光刻机,就没有芯片先进制造可言。根据第三方市场研究机构前瞻产业研究院数据,2019年全球光刻机市场74%被荷兰的ASML公司垄断。ASML也是如今全球唯一一家能够量产极紫外光刻机的公司。

数据来源:前瞻产业研究院

制图:陈伊凡

如何突破层层专利保护,也是要实现制造完全自主的光刻机的难点之一。极紫外光刻技术领域就像一个地雷密布的战场,ASML通过大量专利和知识产权保护,垄断该技术。

一直以来,业界都在尝试另一条技术路线,例如华裔科学家、普林斯顿大学周郁在1995年首先提出纳米压印技术,目前仍无法突破商用化的困境。

并且,极紫外光刻机能够成功商用,并非仅靠ASML一家之功,它更像是一个集成创新的平台,其中有将近90%的核心零部件来自全球不同企业,ASML通过收购,打通了上游产业链,例如德国卡尔蔡司、美国硅谷光刻集团的激光系统、西盟科技的紫外光源。目前没有一个国家能够独立自主完成光刻机的制造,中国以一国之力,短期内要突破ASML在极紫外光刻技术上的垄断,几乎是不可能的事情。

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