国产光刻机达到几纳米_中国光刻机的发展史

　　从2009年开始算起，中国研究团队一路攻坚克难，国产首套90纳米高端光刻机已于近期第一次成功曝光。2022年左右有望完成验收。这意味着，中国半导体材料和设备（工艺技术）产业又向前跨出了关键一大步。光刻机被全球业界人士们称为“工业皇冠明珠”。而事实上，中国科研和工程人员们也都有志在未来，从“工业皇冠”上拿到这颗“明珠”。

　　国产光刻机达到几纳米

　　光电所微细加工光学技术国家重点实验室研制出来的SP光刻机是世界上第一台单次成像达到22纳米的光刻机，结合多重曝光技术，可以用于制备10纳米以下的信息器件。这不仅是世界上光学光刻的一次重大变革，也将加快推进工业4.0，实现中国制造2025的美好愿景。

　　

　　中国生产光刻机的厂家

　　1、上海微电子装备有限公司

　　2、中子科技集团公司第四十五研究所国电

　　3、合肥芯硕半导体有限公司

　　4、先腾光电科技有限公司

　　5、无锡影速半导体科技有限公司

　　

　　中国光刻机的发展史

　　2009 年9 月下旬，上海微电子装备有限公司研发的先进封装光刻机通过了江阴长电先进封装有限公司的出厂工艺测试，并正式签订了产品销售合同。该光刻机具有“大视场、大焦深、高套刻精度、边缘曝光”等技术特点，可满足先进封装I艺中8 英寸及12 英寸硅片级重新布线凸点等厚胶工艺要求。自2009年11月上生产线运行以来，江阴长电利用该设备已成功完成第一批8英寸“重新布线及凸点工艺”产品的多层光刻生产任务。

　　国产首台先进封装光刻机的研制成功与使用，标志着我国在高端封装关键设备产品创新与开发中取得了可喜突破，对提升我国集成电路制造装备、工艺及材料技术的自主创新能力具有重要意义。

　　2010年7月16日下午，上海微电子装备有限公司（简称“SMEE”） 和江阴长电先进封装有限公司（简称“JCAP”） 在江苏省江阴市联合召开了“首台先进封装光刻机使用现场汇报会暨SMEE 与JCAP战略合作协议的签约仪式”会议。科技部、国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”实施管理办公室和

　　总体专家组、专项咨询委、上海市科委、江阴市府等单位的领导出席丁会议，科技部曹健林副部长等领导做了重要讲话。

　　随着集成电路产业的发展，高端芯片的集成度已经达到数千至数亿晶体管，推动着芯片封装技术向更高密度、更高性能发展，使基于凸点工艺的封装成为主流技术，对封装光刻机的性能也大幅提高，传统的接近/接触式光刻机已不能满足高性能、高密度、低成本等先进封装工艺发展需求，先进的大视场、大焦深、高精度投影光刻机成为先进封装生产线的关键设备。为了改变该类先进封装光刻机完全依赖进口局面，上海微电子装备有限公司在国家科技重大专项和上海市科委等部门的支持下，成功开发出了用于倒装焊凸点制备的先进封装光刻机。该机型具有自主知识产权，在投影物镜、高精密的工件台、对准调焦测量、软件系统等关键技术上取得了系列创新成果，申请了国家发明专利74项，已获国家发明专利授权22项，申请国际发明专利3项。

　　2009年9月下旬，上海微电子装备有限公司研发的先进封装光刻机通过了江阴长电先进封装有限公司的出厂工艺测试，并正式签订了产品销售合同。该光刻机具有“大视场、大焦深、高套刻精度、边缘曝光”等技术特点，可满足先进封装工艺中8英寸及12 英寸硅片级重新布线凸点等厚胶工艺要求。自2009年11月上生产线运行以来，江阴长电利用该设备已成功完成第一批8 英寸“重新布线及凸点工艺”产品的多层光刻生产任务。

　　国产首台先进封装光刻机的研制成功与使用，标志着我国在高端封装关键设备产品创新与开发中取得了可喜突破，对提升我国集成电路制造装备、工艺及材料技术的自主创新能力具有重要意义。

　　

　　延伸阅读：光刻机的发展史

　　光刻机的最小分辨率、生产效率、良率均在不断发展。 光刻机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，对于光刻技术来说， R 越小越好； k 是工艺常数； λ 是光刻机所用光源的波长； NA 代表物镜数值孔径，与光传播介质的折射率相关，折射率越大， NA 越大。光刻机制程工艺水平的发展均遵循以上公式。此外，光刻机的内部构造和工作模式也在发展，不断提升芯片的生产效率和良率。

　　根据所使用的光源的改进，光刻机经历了 5 代产品的发展，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。此外双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展也在不断提升光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。

　　

　　按所用光源，光刻机经历了五代产品的发展

　　最初的两代光刻机采用汞灯产生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作为光刻光源，可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产。最早的光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良， 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙，掩模与硅片不再直接接触，但受气垫影响，成像的精度不高。

　　第三代光刻机采用 248nm 的 KrF（氟化氪）准分子激光作为光源，将最小工艺节点提升至350-180nm 水平，在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻，即现在光刻机通用的，光源通过掩模， 经光学镜头调整和补偿后， 以扫描的方式在硅片上实现曝光。

　　第四代 ArF 光刻机：最具代表性的光刻机产品。第四代光刻机的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氩）准分子激光，将最小制程一举提升至 65nm 的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机，也是最具有代表性的一代光刻机。由于能够取代 ArF 实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功，光刻机生产商在 ArF 光刻机上进行了大量的工艺创新，来满足更小制程和更高效率的生产需要。

　　创新一：实现步进式扫描投影。 此前的扫描投影式光刻机在光刻时硅片处于静止状态，通过掩模的移动实现硅片不同区域的曝光。 1986 年 ASML 首先推出步进式扫描投影光刻机，实现了光刻过程中，掩模和硅片的同步移动， 并且采用了缩小投影镜头，缩小比例达到 5： 1， 有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，将芯片的制程和生产效率提升了一个台阶。

　　

　　创新二：双工作台光刻机。硅片在进入光刻流程前要先进行测量和对准，过去光刻机只有一个工作台，测量、对准、光刻等所有流程都在这一个工作台上完成。 2001 年 ASML 推出了双工作台系统（TWINSCAN system），双工作台系统使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下，当一个工作台在进行曝光工作的同时，另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作，使得光刻机的生产效率提升大约 35%。

　　虽然从结果上来看，仅仅是增加了一个工作台，但其中的技术难度却不容小觑，双工作台系统对于换台的速度和精度有极高的要求， 如果换台速度慢，则影响光刻机工作效率；如果换台精度不够， 则可能影响后续扫描光刻等步骤的正常开展。

　　

　　双工作台光刻机系统样机

　　创新三： 浸没式光刻系统。到了 45nm 制程节点时， ArF 光刻机也遇到了分辨率不足的问题，此时业内对下一代光刻机的发展提出了两种路线图。一是开发波长更低的 157nmF2准分子激光做为光源， 二是由 2002 年台积电林本坚提出的浸没式光刻。此前的光刻机都是干式机台，曝光显影都是在无尘室中，以空气为媒介进行。由于最小分辨率公式中的 NA 与折射率成正相关，如果用折射率大于 1 的水做为媒介进行光刻，最小分辨率将得到提升，这就是浸没式光刻系统的原理。

　　ASML 率先推出浸没式光刻机，奠定自身市场地位。林本坚提出浸没式光刻设想后， ASML开始与台积电合作开发浸没式光刻机，并在 2007年成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT:1900i，该设备采用折射率达到 1.44 的去离子水做为媒介，实现了 45nm 的制程工艺，并一举垄断市场。当时的另两大光刻巨头尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻机被市场抛弃，不仅损失了巨大的人力物力，也在产品线上显著落后于 ASML，这也是尼康、佳能由盛转衰，ASML 一家独大的重要转折点。

　　

　　浸没式光刻机原理

　　通过浸没式光刻和双重光刻等工艺，第四代 ArF 光刻机最高可以实现 22nm 制程的芯片生产，但是在摩尔定律的推动下，半导体产业对于芯片制程的需求已经发展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻机已无法满足这一需求，半导体产业将希望寄予第五代 EUV 光刻机。

　　第五代 EUV 光刻机，千呼万唤始出来。 1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光， 第五代 EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm 的极紫外光。

　　早在上世纪九十年代，极紫外光刻机的概念就已经被提出， ASML 也从 1999 年开始 EUV 光刻机的研发工作，原计划在 2004 年推出产品。但直到 2010 年 ASML 才研发出第一台 EUV 原型机， 2016 年才实现下游客户的供货，比预计时间晚了十几年。三星、台积电、英特尔共同入股 ASML 推动 EUV 光刻机研发。

　　EUV 光刻机面市时间表的不断延后主要有两大方面的原因，一是所需的光源功率迟迟无法达到 250 瓦的工作功率需求，二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。这两大原因使得 ASML及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。 2012 年 ASML 党的三大客户三星、台积电、英特尔共同向 ASML 投资 52.59 亿欧元，用于支持 EUV 光刻机的研发。此后 ASML 收购了全球领先的准分子激光器供应商 Cymer，并以 10 亿欧元现金入股光学系统供应商卡尔蔡司，加速EUV 光源和光学系统的研发进程，这两次并购也是 EUV 光刻机能研发成功的重要原因。

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