【芯里程】路漫漫其修远兮——国产光刻机技术发展史话
2020-09-05 11:38:56
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来源:集微网

集微网消息,今年8月,中国科协在第二十二届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的科学问题和10个对技术和产业具有关键作用的工程难题。

其中包括了3个集成电路相关问题,问题之一就是“如何突破光刻技术难题”。

光刻机是大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶,被誉为集成电路产业链“皇冠上的明珠”,目前,尽管我国光刻技术取得了一定的进展,但跟世界发达国家水平相比,我国光刻技术和产业的发展水平仍较落后,差距仍然很大,“受制于人”的困境依然存在。

事实上,我国发展光刻机的历史,可以追溯到上个世纪。回顾中国半导体设备的发展历史,可以用三个词来概括,即 “起步早、门类全、发展曲折”。

其中,起步早指的是我国从上世纪50年代中后期开始研制锗工艺半导体设备,60年代初中期自行制造我国第一条1Gz锗半导体三极管单机自动化生产线,60年代中期即研制了35mm圆片、10m线宽水平的硅平面工艺半导体设备。

70年代末至80年代,我国就已研制了电子束曝光机、分步重复光刻机、超纯水处理系统等一批高水平的半导体设备。

我国光刻机的历史,则可以追溯到1966年。

1966年,109厂与上海光学仪器厂协作,研制成功我国第一台65型接触式光刻机,由上海无线电专用设备厂进行生产并向全国推广。

1977年,在江苏吴县(今苏州吴中区)召开了光刻机技术座谈会,四十二个单位67名代表出席了本次会议。会上指出,改进光刻设备、光刻工艺是目前大规模集成电路会战和提高电路质量的一个重要方面,为了在半导体器件和集成电路方面尽快赶超世界水平,代表建议组建全国光刻机技术协作攻关组织。

而在当时,未来的光刻机霸主ASML仍未成立。

光刻技术经历了接触式光刻机,接近式光刻,分步重复式等倍投影光刻,步进式缩小投影光刻,步进扫描式投影光刻等典型光刻技术过程。

70年代初,美、日等西方国家分别研制出多种型号的接近式光刻机,为了适应我国大规模集成电路制造技术当前的发展需要,1978年,中科院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机。

图:JK-1型光刻机整机照片

1980年,JK-1型接近式光刻机完成所级鉴定。1981年完成第二阶段工艺试验,并进行模拟4K和16K动态随机贮器器件的工艺考核试验。

同年,上海光学机械厂的研制的JKG—3型光刻机通过鉴定与设计定型,该机型是我国第一代半自动接近式光刻机。

另外,该厂仍研制出JKG一2型大面积光刻机、JKG一IA型、JKG一ZA型、JKG一3A型机等-JKG3型光刻机。

1982年10月,109厂、哈尔滨量具刃具厂、阿城继电器厂共同研制的“KHA75-1型半自动接近接触式光刻机”获第一机械工业部科技工作一等奖。

由于适应性强、功能齐全、性能良好,KHA75-1型是当时国内比较先进的光刻设备,在某些重要指标(如掩模变形量等)上已达到日本CanonPLA500-F型的水平。

伴随着技术发展,我国技术人员也渐渐意识到分步光刻机的重要性。根据八五、九五期间我国微电子技术发展的要求,迫切要相当数量的分步光刻机,而当时国际上一台i线分步光刻机的售价是160万美元,一台准分子激光DSW光刻机的售价是210万美元,一套g线DSW光刻机也要120万美元,如果全部采用进口设备,当时的财力也难以支持。

在此背景下,1978年世界上第一台DSW光刻机问世不久,机电部第45所即开始跟踪研究分步式光刻机。

在六五期间,45所进行了BG-101型DSW光刻机的研究工作,并于1985年成功研制出BG-101分步光刻机,在当年年底通过了部级技术鉴定,该机的主要性能指标接近或达到美国GCA公司4800DSW系统的水平。

同样在1985年,中国科学院上海光学精密机械研究所研制的"扫描式投影光刻机"通过鉴定,为我国大规模集成电路专用设备填补了一项空白。

事实上,对于光刻机的技术限制,早在我国开始研发光刻机时就已开始。

由于分步光刻机对IC的发展乃至微电子技术的发展有很重要作用,西方发达国家一方面自己拼命发展这种设备,另一方面又对我国实行限制和禁运,企图永远抑制我国电子工业的发展。

除价格昂贵以外,巴统不批准向我国出口先进设备,国外工艺线已用0.5µm的机器的时候,却只对我国出口1.5µm的机器,整整差了三代。此外,在80年代,巴统规定对我国出口的DSW光刻机,镜头NA必须小于0.17,即只能有2µm以上的分辨率。

巴统即成立于1949年的巴黎统筹委员会,是美国与其北约盟友建立起来的出口管制机构,也是瓦森纳协定的前身。

其实在巴统建立初期,中国并不在其管制范围之内。但后来随着美国对日态度和亚洲形态的重新估量,最终在1952年将中国列入了管制的范畴。列入被限制的有军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类共上万种产品。

尽管面临巴统的限制,时间走到80年代中后期的时候,由于造不如买的思想开始盛行,"贸工技"风潮一时盛行,在集成电路等产业也渐渐与国外脱节。

等到2000年后,国家科技部组织实施“十五”863计划“100nm分辨率193nmArF准分子激光器步进扫描投影光刻机”重大项目的研制与攻关,计划在2005年完成试生产样机,2007年小批量生产。

而在2002年,台积电已提出了浸入式193nm技术方案。

好在,伴随着中国半导体技术的日渐发展,在光刻技术领域,也逐渐开始重视、发展起来。

2002年国家在上海组建上海微电子装备有限公司(SMEE)承担“十五”光刻机攻关项目时,中电科45所将从事分步投影光刻机研发任务的团队整体迁至上海参与其中。2008年国家又启动了“02”科技重大专项予以衔接持续攻关。

过几年的努力,自主设计、制造和集成的国内首台100纳米投影光刻机样机研制取得成功,使国内高端光刻机的水平有了重大突破,并为国家02科技重大专项高端光刻机项目的持续实施奠定了良好基础。

通过“十五”光刻机专项攻关的初步成功和国家“02”科技重大专项多年的实施,SMEE掌握了光刻机多项关键技术,成为世界上继欧洲和日本3家光刻机公司之后的少数掌握高端光刻机的系统设计与系统集成测试技术的公司。

目前,中国光刻机技术与国外相比,差距依然巨大。然而在一些自主技术领域,已经取得相关突破。

华卓精科生产的光刻机双工件台,打破了ASML公司在光刻机工件台上的技术上的垄断,成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。

2018年5月,清华大学机械工程系教授朱煜在接受华璋资本调研时表示,其生产的双工件台打破ASML在工件台上的技术垄断,是世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司,而且在全球能单独供应工件台的也只有华卓精科。

在今年年中,上海微电子装备 (集团)股份有限公司披露,将在 2021-2022 年交付第一台 28nm 工艺的国产沉浸式光刻机。国产光刻机将从此前的 90nm工艺一举突破到 28nm 工艺。

光刻机整机与分系统汇聚了光学、精密机械、控制、材料等领域大量的顶尖技术,很多技术需要做到工程极限。

尽管我国在相关技术领域已取得突破,但相对光刻机更多关键技术来说,仍只是九牛一毛。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,面对技术差距,中国光刻机之路还很长,加大对光刻机的投入,改善研发条件,吸引人才,也成为光刻机发展中不可或缺的一环。

(校对/若冰)


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