全球光刻機發展概況以及光刻機裝備國產化

張 霞，劉宏波，顧 文，周細應，于治水

（上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201620）

光刻機，被譽為人類20世紀的發明奇跡之一，是集成電路產業皇冠上的明珠，研發的技術門檻和資金門檻非常高。

光刻機是一種夸張類型的單反相機，將該層次光掩膜版上的事實圖形縮小幾百萬倍，并實際制造出來。最核心的是鏡頭，這個不是一般的鏡頭，可以達到高2 m、直徑1 m，甚至更大。光刻機是集成電路制造中最龐大、最精密復雜、難度最大、價格最昂貴的設備。光刻機就是將光掩膜版上的設計好的集成電路圖形（宏觀）通過光線的曝光印制到硅襯底的光感材料（微觀）上，實現圖形轉移。

這一系列的光刻工藝過程在芯片生產過程中需要重復25次左右。整個流程決定了半導體線路納米級的加工精度，對于功率以及光源的要求也十分復雜，對光刻機的技術要求十分苛刻，對誤差和穩定性的要求極高，相關部件需要集成材料、光學、機電等領域最尖端的技術。因而光刻機的分辨率、精度也成為其性能的評價指數，直接影響到芯片的工藝精度以及芯片功耗、性能水平[1]。

1 光刻原理

光刻（lithography）設備是一種投影曝光系統，由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成。在半導體制作過程中，光刻設備會投射光束，穿過印著圖案的光掩膜版及光學鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上，如圖1所示。通過蝕刻曝光或未受曝光的部份來形成溝槽，然后再進行沉積、蝕刻、摻雜，架構出不同材質的線路[2]。此工藝過程被一再重復，將數十億計的MOSFET或其他晶體管建構在硅晶圓上，形成一般所稱的集成電路。

圖1 光刻原理

半導體制程越先進，光刻設備便需要越精密復雜，包括高頻率的激光光源、光掩模的對位精度、設備穩定度等，集合了許多領域的最尖端技術。圖2是一張ASML的雙工作臺Twinscan光刻機介紹，各模塊的作用如圖2所示。

圖2 光刻機結構

激光器（Laser）：也就是光源的發源地，光刻機核心設備之一。

束流輸送（Beam Delivery）：設置光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光。

束狀態有不同的光學特性。矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

物鏡（Projection Lens）：物鏡用來補償光學誤差，并將線路圖等比例縮小。

操作控制單元（Operate Control Unit）：操作控制設備的運行控制電腦面板。

光源（Illuminator）：是光刻的利刃。光源的要求：有適當的波長（波長越短，曝光的特征尺寸就越小），同時有足夠的能量，并且均勻地分布在曝光區。紫外光源的高壓弧光燈（高壓汞燈）的g線（436 nm）或i線（365 nm）；準分子激光（Excimer laser）光源，比如KrF（248 nm）、ArF（193 nm）和 F2（157 nm）。

硅片傳輸系統（Wafer Transport System，WTS）：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，圓片尺寸越大，產率越高。曝光的特征尺寸越小，產率越高。

掃描刻線階段（Scanning Reticle Stage）：整個掃描曝光過程中由于硅片臺存在急劇的加速階段及減速階段，且加速度和減速度a大小一般會達到1～4 g（g代表重力加速度），因此會對步進掃描光刻機造成擾動。由于硅片臺和掩模臺的運動精度、同步精度等要求，必須對步進掃描光刻機受到的擾動進行有效抑制和補償，以提高硅片上形成圖形的精度。

掃描硅片階段（Scanning Wafer Stage，SWS）：硅片是圓的，需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的坐標系，根據缺口的形狀不同分為兩種，分別叫 flat，notch。

隔震器（Airmounts）：將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩定的溫度、壓力。

2 全球光刻機發展概況

目前業界有5家公司，分別是荷蘭的ASML、日本的Nikon、日本的canon、美國的ultratech以及我國的SMEE。

阿斯麥（Advanced Semiconductor Materials Lithography，ASML）1971年脫胎于飛利浦光刻設備研發小組，1973年成功推出新型光刻設備。早期的發展慘潰，幾乎陷入破產境界。一是因為技術落后，飛利浦公司先前研發的技術在漫長的等待中已經過時，遠不能滿足客戶要求；二是市場已經飽和，競爭非常激烈，強手如林，日本的Nikon，Canon，Hitachi，美國的GCA，SVG，Ultratch，ASET，Perkin-Elmer，Eaton，民主德國的Zeiss等相繼推出了自己的光刻機產品；三是資金嚴重匱乏。

但是ASML殺出重圍，并成長為光刻機領域的絕對龍頭，全球市占率達到近70%，壟斷高端EUV（深紫外）光刻機市場。觀其成長之路，可謂一段產業傳奇。1995年上市，充裕的資金讓公司發展提速；2000年推出Twinscan雙工件臺光刻機（見圖2），一舉奠定霸主地位；進入EUV時代，得到大客戶支持，更是一騎絕塵。可以說ASML的龍頭之路既與產業大環境密切相關，也是其自身重視研發，對研究創新始終采取開放態度的必然結果。

隨著芯片尺寸不斷縮小，EUV設備未形成行業剛需，目前全球一線的邏輯晶圓與存儲晶圓廠商，均采購ASML的Twinscan機型，其中英特爾、三星、臺積電三大巨頭，紛紛入股ASML，以謀求其高端光刻設備共同開發與優先采購權。

ASML的研究團隊與供應商及全球頂尖的科研機構、大學建立廣泛的合作，采用開放式創新模式，大家在利己最擅長的尖端技術領域進行創新，分享專利成果和研發風險，合作伙伴也可以將這些技術用于其他領域。并且鼓勵供應商在制造過程中提出改進意見，具有極高的效率和靈活性。

3 光刻機裝備國產化的發展之路

我國光刻機設備的研制起步也不晚。從20世紀70年代開始就先后有清華大學精密儀器系、中科學院光電技術研究所、中電科45所投入研制。

2002年國家在上海組建上海微電子裝備有限公司承擔“十五”光刻機攻關項目時，中電科45所將從事分步投影光刻機研發任務的團隊整體遷至上海參與其中。目前，我國從事集成電路前道制造用光刻機的生產廠商只有上海微電子裝備（集團）股份有限公司（SMEE）和中國電科（CETC）旗下的電科裝備。

上海微電子裝備（集團）股份有限公司（SMEE）是國內技術最領先的光刻機研制生產單位，目前已量產的光刻機有3款（見表1），其中性能最好的是90 nm光刻機。2016年國內首臺前道i線掃描光刻機交付用戶。2017年4月公司承擔的國家02重大科技專項任務“浸沒光刻機關鍵技術預研項目”通過了國家正式驗收；2017年10月公司承擔的02重大科技專項“90 nm光刻機樣機研制”任務通過了02專項實施管理辦公室組織的專家組現場測試。

表1 SMEE量產的3款光刻機

CETC的裝備光刻機是依托原來中電科45所的技術，45所從“六五”開始一直從事光刻機的研制開發工作，先后完成我國“六五”“八五”“九五”期間的1.5 μm，0.8 μm，0.5 μm光刻機的研制任務。2002年分步投影光刻機研發團隊遷至上海后，目前公司主要研制生產用于100/150 mm中小規模集成電路、二極管、三極管、電力電子器件、MEMS和其他半導體器件制造工藝的單/雙面接觸接近式光刻機產品（見表2）。

表2 CETC開發的單/雙面接觸接近式光刻機產品

4 結語

SMEE的光刻機、電科裝備的化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）設備、北方華創的刻蝕機和CVD、盛美的清洗設備、中微的刻蝕機等都是非常有競爭力的，很多產品已經走出國門，或者與國外裝備同步驗證[3]。

客觀地講，這些都是最近幾年中國半導體裝備產業的亮點。當然這些成績也只是國產裝備的初步發展，要真正做到國產高端裝備全面進入市場還有很長的路要走。

第一，裝備與工藝的結合問題，一直是制約國產裝備進入大生產線的主要瓶頸之一。國際半導體裝備廠商，特別是關鍵的、與工藝密切相關的前道設備廠商在工藝研發上投入巨大，一般都建有相應的工藝研發生產線。而目前國內半導體裝備廠商還沒有建立自己的工藝研發生產線。工藝固化到裝備中，我們還有不小的距離。

第二，堅持自主研發，從零部件入手，掌控核心技術。國家重大專項對半導體設備與工藝的重視，對國產裝備業來說是莫大的發展機會。我國不僅要支持關鍵裝備的研發生產，也要支持相關重要零部件廠商。

第三，協同創新，成果共享。目前半導體裝備越來越復雜，一家公司獨自承擔所有零部件的開發確實不易。我們應該利用整個國家、甚至于全球的資源來共同完成。

發展裝備業，要采取產業鏈、創新鏈、金融鏈有效協同的新模式，專項與重點區域產業發展規劃協同布局，主動引導地方和社會的產業投資跟進支持，有效推動專項成果產業化，扶植企業做大做強，形成產業規模，提高整體產業實力。

希望有更多的社會資本能投入中國半導體裝備業中，半導體裝備的國產化遠比芯片國產化有意義。