俄罗斯预计2028年生产7nm工艺制造的光刻机

近日，俄罗斯下诺夫哥罗德战略发展(Nizhy Novgorod Strategy Development)网站发布一则计划，俄罗斯科学院下属俄罗斯应用物理研究所(Russian Institute of Applied Physics，IAP RAS)打算超越所有人的预期，到 2028 年生产出具有 7nm 工艺制造的光刻机。

据维基百科消息，俄罗斯科学院是俄罗斯的国家学术机构，是一个公共且非营利组织，也是世界上重要研究机构之一。截至2022年10月1日，俄罗斯科学院共有877名院士、1130名通讯院士和715名俄罗斯科学院教授(其中的163名俄罗斯科学院教授兼有通讯院士身份、16名俄罗斯科学院教授兼有院士身份)。下诺夫哥罗德是俄罗斯重要的经济、工业、科学、教育和文化中心，位于东欧平原的中心、伏尔加河与其最大支流奥卡河的交汇处，是伏尔加联邦管区和下诺夫哥罗德州的行政中心(首府)。

这则消息似乎有些离谱?毕竟俄罗斯目前最先进的晶圆厂也就能使用65nm工艺技术生产芯片。由于美国制裁，美国、英国、欧盟和台湾地区等实际上禁止了几乎所有拥有先进晶圆厂与俄罗斯实体企业合作。

光刻机誉为“现代半导体行业皇冠上的明珠”，是一种高度复杂的设备。光刻机是通过紫外光作为“画笔”，把预先设计好的芯片电路路线书写在硅晶圆旋涂的光刻胶上，光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能，是芯片生产中最为关键的过程。当前市场主流采用深紫外(DUV，193 nm)光源和极紫外(EUV，13.5 nm)光源，DUV能覆盖7nm及以上工艺需求，但想要先进工艺向5nm及以下先进工艺就需要EUV。

不过下诺夫哥罗德战略发展网站公布的信息指出，下诺夫哥罗德的物理学家、工程师和设计师选择了 X 射线辐射源，这意味着俄罗斯计划生产的 “光刻机”与ASML等公司的有所不同。例如，IAP RAS 计划使用大于 600W 的光源(总功率，不是中焦功率)，曝光波长为 11.3nm(EUV 波长为 13.5nm)，这将需要比现在更复杂的光学器件。由于该设备的光源功率相对较低，这将使该工具更紧凑，更易于构建。

图注：示范站方案。来源下诺夫哥罗德战略发展

为此，俄罗斯的开发商们将走上自己独特的道路。但同时，这种光刻机的产量将大大低于目前市场上主流的深紫外(DUV)光刻机。

与ASML的平板印刷机相比，在下诺夫哥罗德模型中，辐射源在运行中更加紧凑和清洁，最终显著影响设备的成本、尺寸和复杂性。下诺夫哥罗德的科学家们预测，在辐射源功率相同的情况下，下诺夫哥罗德设备——不再是演示设备，而是完全可操作的设备——将比荷兰ASML的光刻机的效率高 1.5-2 倍。他们认为，这样的预测是有根据的：仅凭演示器，就可以在基板上获得分辨率高达 7 nm 的单个图像。

该版画计划于 2028 年完成。来源下诺夫哥罗德战略发展

俄罗斯IAP RAS为在2028年制造出光刻机的工业原型，该计划共分为3个阶段来实现。

图注：未来的三步骤。来源下诺夫哥罗德战略发展

第一阶段：在2024 年开发一台 alpha 机器。从这一刻起，该设备将成为工作设备，并将被设计为执行一个完整的操作周期。然而，现阶段的重点不在于其工作或解决的高速性，而是所有系统的全面实施。

第二阶段：到 2026 年，alpha 应该被 beta 所取代。这意味着届时所有系统都将得到改进和优化，分辨率也将得到大大提升，进一步实现生产合格率，如真能实现，那么将来的许多操作都可以实现机械自动化。该阶段最重要的是将其集成到实际的技术流程中，再通过“拉起”适合其他生产阶段的设备对其进行调试。

第三阶段：在开发的最后阶段，也是核心的部分。那就是将为光刻机带来更强的光源、改进的定位和馈送系统，从而让一套光刻系统能够快速准确地工作。预计该工作将在2028年内完成。

下诺夫哥罗德代表团展示了光刻设备的演示样品，该设备是在下诺夫哥罗德的 IAP RAS 开发、制造和安装的。到目前为止，这甚至不是设备原型，而是“原型的原型”。

演示版不能解决实际的工业问题，但它的主要功能是让俄罗斯的科学家们有机会验证关键技术的可行性，并测试进一步工作所必须的其他关键假设。也就是实践出真知，尽管制造光刻机比原子弹还难，但面对“卡脖子”的困境，迈出第一步才有解决问题的希望。

于俄罗斯而言，其汽车、航天、工业等半导体设备很大一部分是按照360nm-65nm的标准生产，尽管当前最先进的工艺已经达到了3nm工艺，2nm工艺也将在近几年推出。这种严重工艺滞后的风险，将在不久的将来带来严重的后果。

世界上没有任何一个国家/地区能拥有半导体全产业链，芯片制造的过程含有数百道复杂且精密的工序，涉及多种设备和数百种不同的材料。光刻机更是最为关键的环节，ASML 于 2003 年底推出了其第一款浸没式光刻系统——Twinscan XT:1250i，并计划在 2004 年第三季度交付一个，以生产 65nm 逻辑芯片和 70nm 半间距 DRAM。ASML花了大约5年时间，才在 2008 年底宣布其另一代 32nm 功能的 Twinscan NXT:1950i，并于 2009 年开始向客户交付。

作为光刻机龙头ASML也是花了大约9年时间才在2018年交付其支持 7nm 和 5nm 的 Twinscan NXT:2000i DUV 工具。ASML的光刻机 从 65nm 到 7nm工艺也是花了14年时间，从时间跨度上可见其难度。

在财力上，仅2021年，ASML每年的研发支出达到25亿欧元。

图注：2015年-2021年ASML研发成本(单位：百万欧元)

如今，俄罗斯在芯片生产方面没有经验，而且晶圆厂设备不限于光刻机，还有刻蚀、沉积、抗试剂去除、计量、检查操作等，想要在6年时间内从头开始制造一台7nm的光刻机，确实需要打一个问号。

图注：俄罗斯科学院微结构物理研究所副所长尼古拉·奇哈洛语录。来源下诺夫哥罗德战略发展

不过，俄罗斯科学院微结构物理研究所副所长尼古拉·奇哈洛表示，“ASML近20年一直在调试其EUV光刻系统，事实证明其技术是非常复杂的。ASML的目标是保持只有世界上最大的工厂才需要的极高性能，但俄罗斯并不需要这么高的精密度，我们从国内微电子面临的需求和任务出发，是质量而不是数量。首先，我们需要过渡到自己的流程，开发新的设计标准，包括仪器、工程、材料等都是不可避免的，不过我们试图在简单性和性能之间取得平衡。”

编辑：黄飞