正文
这两天疯传工信部有关于光刻机以及其他芯片制造设备的指导目录 , 一时间全网掀起了一波讨论热潮 , 其实这指导目录 , 工信部早在十多天前的9月2号就已发布 , 突然在这两天莫名大火 .
工信部目录早十多天前发了该目录 , 13号才在网上爆火 , 而更早几天的9月10号SMEE很凑巧的披露了一项名为“极紫外辐射发生装置及光刻设备”的发明专利，申请日期为2023年3月9日，申请号为CN202310226636.7，发明人为王伟伟等6人 , SMEE将去年2023年的专利在工信目录发表后几天正式对外发布 , 然后就是我们看到的后续 , 一系列国产光刻机全网火爆的连环讨论，一切真是湊巧。
对于前几天SMEE的发明专利 , 作者当时即发文澄清 , 当然文章已被和谐 , 我想工信目录这一篇文章也不会存活太久 , 想了解更多国产光刻机详情(目前进度以及验证情况) , 可以到作者知识星球 , 作者有一大半关键的文章会被和谐 , 星球里则保存历史所有文章 , 本文就主要针对光刻机技术作科普 , 希望读者们看完这篇文章能对光刻机有个基本认知 , 减少被自媒体忽悠带节奏 .
光刻机类型
光刻机依照光源不同 , 分为UV , DUV以及EUV三大光源类型 , 每个光源类型依照产生光的方式不同也有所区分 , 各种光源波长可参考下图
光的波长(λ)是决定光刻机分辨率的第一关键要素 , 另外一个关键就是物镜系统的数值孔径(NA) , 为啥这两个光刻机的核心数据可以决定光刻机的分辨率 , 答案就来自一个古老的公式 , 瑞利判据(Rayleigh criterion）
CD =k1*λ/NA
这个公式很简单 , 就是简单的乘除 , 大家不仿试着计算下
在瑞利判据中 , 分辨率决定了在芯片上可以实现最小的特征尺寸 , 所以我们把CD等同于分辨率R。
CD 是线宽 , 即可实现的最小特征尺寸 , λ是光刻机使用光源的波长 , NA 是物镜的数值孔径 , 也就是镜头收集光的角度范围。
k1 是一个系数，取决于芯片制造工艺有关的众多因素，目前的工艺可以将k1推到 0.25。
从公式了解 , 芯片想要实现更小的线宽，主要就是透过使用波长更短的光源、更大数值孔径（NA）的物镜，以及想办法降低 k1 。
有了瑞利判据 , 我们可以回过头看一下 , 工信部指导目录中最先进的那款氟化氩光刻机 , 波长193nm , 但目录并没有提供NA值 , 只说明了分辨率达到65nm , 所以我们可以从瑞判据 65=0.25 * 193/NA , 反推出国产光刻机的NA=0.75 .
这样的数值孔镜水平 , 我们可以从上图国际主流光刻机种类看到 , 属于更上一代光刻机氟化氪KrF的水平 , 国际主流的氟化氩ArF光刻机NA值从20年前的0.8早已提升到0.93 , 接近利用空气折射的物理极限值1 .
也就是说 , 工信部指导目录的这台国产最先进65nm光刻机 , 在技术指标上落后国际主流同水平产品超过15年以上 , 毕竟ASML或者尼康在15年前相同光源(ArF)光刻机的数值孔镜(0.8)就比咱们现在的0.75还要高 .
下图借用”半导体综研”关牮老师的图表数据 , 大家可以更清楚对比 , 添加关老师的公众号 , 有非常详细的行业数据 , 妥妥的行业万能工具书 , 想要啥数据关老师都有详细的统计 .
咱们第一代的国产氟化氩光刻机在NA落后国际主流不要紧 , 毕竟是第一代 , 未来还有第二代第三代 , 而且NA从0.75提升到国际一流水平的0.93 , 其实分辨率也只是从65nm提升到52nm左右 , 这种提升不如直接研发下一代的浸没式光刻机 , 这个思路是对的 , 但是技术需要一代一代的积累 , 要做浸没式光刻机 , 光源还是193nm 波长的ArF这不需要提升(其实光源功率才式量产机的核心) , 但物镜本身必然是需要提升的 .
浸没式光刻机就是将物镜与Wafer之间的介质从折射率 n～1 的空气，改成ｎ= 1.44 的水（对应波长为 193 奈米的光） , 形同193nm波长等效缩小为134 nm .
如上所述水的折射率为1.44 , 而ASML的DUVi能达到1.35的NA是在物镜NA为0.93的基础之上在利用水的折射率1.44得出的 , 也就是说如果我们的浸没式也就是网民们所谓的28nm光刻机 , 在物镜NA值没有提高的情况下 , 利用水折射的浸没式光刻机也只能做到0.75*1.44=1.08的NA , 无法达到ASML同款机型的1.35 .
依照瑞利判据 ASML的浸没式分辨率可以达到36nm , 而国产同样的浸没式只能做到0.25*193/1.08=45nm , 如此水平的光刻机肯定无法达到网友所说的28nm , 所以提高物镜本身的sinθ是一切的基础 .
长光所孵化的国望光学 , 正在攻关浸没式物镜系统(0.85) , 以求在之前通过02专项(国科)0.75 NA的基础上更上一层楼 , 其北京洁净车间去年完工进驻 , NA 0.85的物镜系统正紧锣密鼓的攻关中 , 我们期待国望能很快以好消息 , 0.85的物镜未来研发完成之后再继续朝国际主流的0.93迈进 .
初代的国产浸没式光刻机需要从干式来演变与进化 , 也就是说干式光刻机没有达到一流水平 , 下一代的浸没式光刻机也同样没办法 , 干式光刻机的物镜水平是基础 , 我们得先完全这个基础的攻关 , 才能往下推进 , 目前国产物镜系统的现况还没法达到 .
除了物镜系统还要提升以外 , 浸没式光刻机的原理就是把水放到镜头底部和Wafer之间。这理论看似容易但是工程落实却相当麻烦 , 例如超纯水(DI Water)中的空气会产生气泡 , 必须完全移除。
另外 , 放进去的DI Water必须很均匀 , 在透光区照到光的水 , 会变得比遮蔽区的水要热一些 , 这个温差就会让DI Wate变得不均匀 , 影响成像 , 为了避免温差，必须让DI Wate快速流动混合，但这又可能会产生漩涡 , 如何让水流快速均匀又不起漩涡？这是个大学问
作者曾接触过由浙大孵化出目前正在攻关国产光刻机浸液系统的厂家 , 他们可以达到了惊人的高精度液体温度控制 , 误差正负0.001度以内的成果 , 但是作为一个20多年的半导体人 , 我想说的是这样静态的成果跟实际生产状况是完全两码事 , 首先温差的取样位置、取样数量以及取样时间分别是多少? 更关键的是浸液温控系统是不是经过光源曝光之后取样量测的 , 曝光时间是1小时、 2小时或者是24小时不间断曝光? 曝光频率又是多少?
很可惜的是咱们攻关的单位还只是完成静态成果的阶段 , 要知道ASML浸没式光刻机的Alpha机单单浸液系统在台积电南科专门给ASML的厂区跟林本坚团队修改了7~8回耗时两年多 , 这仅仅一个浸液系统的初步工程化。
完成初步工程化到整个Alpha机的完善又需要不少时间 , Alpha机完全合格后 , Beta阶段同样是重中之重 , 得组织庞大的人力在Fab浪费无数Wafer , 把原本上千个defects , 降到几百个、几十个 , 最后降到零 , 这是一个艰苦的过程 , 并不是大家理解的什么攻关完成 , 什么国产突破之后就能立马上线量产 , 所谓突破所谓攻关完成到机器能inline这不比攻关需要的时间短 。
物镜既然还需要时间 , 浸没式系统也还需要完善 , 工信部目录里面最先进的也仅仅是ArF干式DUV , 也可以确定了国产浸没式光刻机还需要一段时间 , 那些没有任何基础常识 , 一惊一乍的穿凿附会 国产光刻机如何如何的真的都是且听龙吟 , 不管你爱不爱听.
目前国产能挑大梁的只有分辨率65nm的光刻机 , 那还有其他办法可以提高国产光刻机的分辨率吗? 答案当然是有 , 那就是降低瑞利判据里面的另外一个重要的值k1。
提高分辨率的最后一条路就是如何降低 k1 , 这个k1则是Fab里Litho工程师们工作的重中之重 , 工程师们从开始至今创造了许多令人赞叹的技术来想方设法降低k1。
我们可以不用制造出全世界只有蔡司一家能制造且天价的EUV物镜系统 , 也可以不用研发全世界都发愁的EUV光源。只要我们的半导体工程师用聪明才智与创造力 , 将k1降下来 , 而这k1就是DUV光刻机能否制作比其物理分辨率更低CD线宽芯片的重要关键。
根据林本坚博士的讲座介绍 , 我们可以知道降低k1首先是「防震动」，就好像拍照开防手震功能一样，在曝光时设法减少Wafer和光罩相对的震动，使曝光图形更加精准，恢复因震动损失的分辨率。再来是「减少无用反射」, 在曝光时有很多表面会产生不需要的反射 , 要设法消除。改良上述两项 , k1基本可以达到 0.65的水平。
提高分辨率还可以使用双光束成像（2-beam Imaging）的方法，分别有偏轴式曝光（OAI）及移相光罩PSM）两种。
偏轴式曝光是调整光源入射角度 , 让光线斜射进入光罩。透过角度的调整 , 可以很巧妙地让这两道光相互干涉来成像 , 使分辨率增加并增加景深。
移相光罩则是在光罩上动些手脚 , 让穿过相邻透光区的光 , 有 180 度的相位差。这两种做法都可以让 k1减少一半 , 不过这两种方法都是用 2-beam Imaging 的概念，不能叠加使用。
国内媒体提到较多的是移相光罩技术 , 却很少提到目前业界主要使用的偏轴式曝光技术，这是有点诡异 , 其实移相光罩除了成本高，更大的问题是不能任意设计图案。k1降到0.28这几乎是上述所有技术所能做到的 k1极限了。
要再进一步降低 k1 , 最终的杀手剪！就是用两个以上的光罩 , 也就是大家耳熟能详的多重曝光(Multi-patterning) 。
28nm光刻机使用的光罩示意图，光透过白色孔照射在晶圆的光刻胶上呈现黄色圆点，借助2个光罩分两次曝光，以实现分辨率的提升
用最通俗的话来说 , 它将密集的图案分工给两个以上图案较宽松的光罩 , 轮流曝光在晶圆上 , 这样可以避免透光区过于接近 , 使图案模糊的问题。多曝的缺点则是因为曝光次数加倍 , 在WPH不变的情况下 , Wafer产出效率降低了一半 , 而多一次的曝光也将导致良率的降低 , 更低的产出加上更低的良率 , 这对成本是一切的半导体行业来说是不可承受之重 , 因层数增加导致的低产出无可避免 , 工程师们唯一可以挽救的唯有良率。
透过多重曝光我们可以将k1从0.28降到0.14 , 甚至4重曝光的0.07 , 也就是将工信部目录的65nm ArF光刻机的分辨率直接降一半到32nm , 或者四重曝光的16nm , 如此一来就生产16nm的芯片 , 但这一切仅仅是理论值 , 多重曝光是一个技术手段 , 它必然需要满足很多工程条件以及技术才能实现 , 其中最重要的就是套刻精度 , 套刻精度是决定光刻机能否多重曝光的最核心数据 .
我们看到工信部的氟化氩光刻机套刻精度为8nm , 这个精度大约是15年以前的水平 , 它能不能实现多重曝光的功能呢?
答案是不能 , 因为单次曝光overlay的control window大约20%-25%的CD , 所以65nm线宽的光刻机需要至少13nm的overlay
工信部目录的氟化氩光刻机为8nm的overlay , 高于13nm所以它可以实现单次曝光 , 但8nm是出厂标准 , 是在标准光片上的结果 , 在wafer加工过程中由于各种工序带来的误差 , on product overlay会比出厂标准低不少 , 这一点ASML或尼康都一样 , 也就是说8nm标准指标落在现实产品上也就差不多11-12nm , 如此一来就非常接近control window上限 , 也就是说这台光刻机单次曝光是可以做但有点费劲 .
如果要做双重曝光overlay必须降低一半也就是13nm/2=6.5nm , 所以很显然这台光刻机15年前水平的套刻精度没办法支持多重曝光 , 这就是目前这台国产光刻机无法做多曝的理论依据 ,
多曝是超越了分辨率极限的，所以overlay要求非常变态 , 强如全球第一光刻机厂家ASML也是经历20多年才将overlay提升到目前DCO : 0.9nm , MMO : 1.3nm的水平 , 这里有一点需要说明的还就是国产氟化氩光刻机只说了一个8nm的overlay , 要知道overlay有区分单台套刻DCO与多台套刻MMO的区别 , 这有点象是实验线与量产线的区别 , 在同一台设备上套刻自然是精度更高 , 但在要求效率的Fab产线上这是不可能 , 所以国产光刻机这8nm套刻精度自然也是DCO .
从工信部的指导目录中 , 我们解读出了许多真实现况 , 首先我们确定了有一台国产ArF但不能做多曝的65nm光刻机 , 用瑞利判据倒推出该光刻机物镜的NA值为0.75 , 这大约是15年前的水平 , 因为NA值太低 , 这台光刻机还需要提升到0.85然后再到0.93 , 这时候搭配浸液系统才能有效果 , 也就是说国产浸没式即便其他系统如工件台 , 光源都没问题 , 那至少现在会是卡在物镜 , 当然低NA的物镜与浸没系统也能有 , 只是没有任何实质意义 , 纯属为了有而有而已 , 以上是根据工信部的资料明确的细节 .
除了上述由长春光机所主导的物镜系统 , 光刻机三大系统中承担DUVi的光源攻关任务的是中科院光电院、微电子所孵化出来的科益虹源，目前国家02重大专项“准分子激光技术”是由科益虹源来承担整个光源系统的整合。
光源系统的核心部件”电源模块”02专项是由中科院安徽光机所方教授带领的团队承担攻关任务，安徽光机所采用与美国Cymer公司一样的技术路线，开发出高频MOPA双腔固态脉冲电源，该技术通过02专项验收并获得省技术发明一等奖，可以说为193nm波长DUV光源的激光器脉冲电源打下了基础。
但安徽光机所通过02专项的电源模块也仅仅是万里长征的小小一步，这意味着我们掌握了该技术的基础但要达到商用还有很长一段路要走，02专项验收的这个光源重大突破是20W 4KHz的ArF电源模块，这项突破是怎样的一个水平呢?
目前全世界能生产光刻机的DUV光源只有美国Cymer跟日本Gigiphoton两家，美国Cymer是ASML的子公司并提共ASML DUV以及EUV光源系统，日本Gigiphoton是从小松独立出来的并向日本两大光刻机Nikon、Canon提供光源。
我们可以从上图中看出小松在2001年就发表了安徽光机所同性能的光源，Cymer是在更早的2000年发表的，当时用在了Nikon与ASML的DUV dry光刻机中也就是0.18~0.11um的光刻机 , 也就是说我们千辛万苦刚刚突破的光源技术是国外20多年前的水平。
安徽光机所的20W 4KHz的ArF电源模块与负责最终整合光源系统的科益虹源都双双通过02专项验收，这个光源系统也用在了SMEE的SSA600/20W光刻机上。该款光刻机已交货的6台，2022年交付了三台，2023也将交付三台，目前90nm光刻机交付后在产线认证的的情况是各系统稳定性不足，使用经常故障报错，运行几小时就必须重新校正调对准等各式各样的问题，2022交付的三台，因为问题太多排障时间比生产时间来的多，厂家基本都放弃使用，2023交付的北京某厂还有较大兴趣去调适及使用但除了重重问题以外最大的问题还是光源功率不足每小时最高只有3~40片的效率，up time低於50%很多，这一切都意味着这台90nm光刻机的优化还需要好几年，目前这种状态无法正常生产。
以上是我们90nm光刻机的真实情况，其实这样的设备我们行业里面叫Alpha研发机，Alpha机必然需要在fab跑个两三年去不断跑片发现问题并改善问题，功率需不断提升到能量产商用才能称为量产机，但因为我们的特殊国情，对半导体给予大量补贴，所以有fab愿意花真金白银购买这Alpha还有一大堆问题待解决的设备，因为确实有人花钱买这设备所以设备商把这称为量产机，媒体对于所谓样机、Alpha认证机、量产机更是搞不清楚，一直把样机或者研发机推出就当成突破而大肆报导，殊不知就这90nm光刻机要达到初步量产机水平都至少得两年以后。
2024最新的讯息是去年有很高意愿使用国产光刻机的也顺利购买了两台的北京某厂 , 前阵子已将这两台光刻机招标售出 , 分别由新毅东以及图双两家公司已不到3折的地板价分别拿下 , 这就是国产光刻机的一部份实际情况 , 更多详情会在作者的知识星球公布 .
ASML跟Nikon的光源系统在20年前的ArF dry光刻机中就达到40W 4KHz，而比dry更难的ArFi最新型号2050i更是达到120W 6KHz，每小时300片Wafer+的产能。Cymer跟Gigiphoton这两家全世界唯二光源厂家也得花20多年将ArF光源从一开始的20W 4KHz提升到现在的120W 6KHz，就算我们比世界最顶尖的两家还厉害有后发优势，但人家花了20年，我们用七、八年也总归需要吧? 当然现在我们急需的是有最基本能用的光刻机即可，性能的提升本来就是漫长的过程急不得也非现在这阶段的重点。
光刻机并不会用多少nm的工艺节点来定义，或许是媒体为了通俗的表达所以经常写成多少nm的光刻机，90nm光刻机实际上就是ArF dry光刻机，最高可以做到65/55nm ，更高的工艺就需要ArF immersion来完成也就是俗称的浸没式光刻机，浸没式光刻机的工艺节点可以从45nm到7nm，而14nm以下的FinFET工艺还需要加上多重曝光才能完成。
刚才我们提到的是所谓90nm的国产光刻机情况，对于去年就开始传的SSA800/10W的28nm光刻机，我们可以发现他的光源功率只能达到10W，很显然这都达不到2004年ASML浸没式光刻机1900i的40W 4KHz水平，国产光刻机要达到量产标准大致上也得达到20年前ASML第一代浸没式光刻机的水平，但很可惜目前仅有10W的SSA800也只能是最初步的Alpha认证机，至少要提升到40W才能称为满足最基本要求的量产机，
依照当初ASML的发展脉络这过程还还需要两三年，我们只能希望去年新华社报导那台SSA800/10W的光刻机能在今年底顺利出货，这样再过两三年或许中国半导体就能有国产堪用的第一代浸没式光刻机，而如果这台10W的28nm Alpha 机器2024年底还无法交付，那量产机就只能等更长的时间了，因为Alpha必然需要几年的提升过程这是绕不开的。
而光刻机的光源系统除了我们一直提到的激光功率以外，光谱精度、稳定性、寿命等都是非常重要的参数，这些性能的提升绝非短时间可以一次完成，都是需要一步一步来提升的，其实把这几年国产光源系统的表现对应2000年前后Cymer跟Gigiphoton光源的提升，我们能发现国产光源并没有出现后发优势，Cymer跟Gigiphoton一直是每1.5~2年提升一个台阶，但国产光刻机以ArF dry来说2019年我们已经掌握20W的光源制造能力，但2023年刚出货给燕东微的SSA600还是20W 4KHz，4年多了并没有任何提升而且还是问题重重的Alpha认证机的水平，而28nm的SSA800/10W是更困难的浸没式光刻机，10W这参数远远达不到量产水平，在这之前我们四年都推进不了一个世代，未来我们如何能达到小松或者Cymer的推进水平(每1.5~2年一世代)?
更重要的是西方以每个世代1.5~2年的推进速度用了20多年才达到目前水平 , 社会舆论出现的乐观看法就是我们的后发优势与举国之力在突破之后必然能快速跟上 , 作者很希望跟网民们一样乐观 , 那我们用半年推进一个世代这够乐观了吧 !
即便用如此不现实的速度我们要达到西方先进水平也是需要7~8年 , 所以至始至终都不可能出现很快就有就能追上的无脑乐观 , 我是坚信有一天我们一定能追上的 , 旦绝不是很快或者最近 , 这可以肯定的是一个漫长的过程 , 没有其他可能 , 我们的优势确实可以在突破0到1之后快速推进到9 , 这是我们中国制造业能横扫世界的特长点 , 但这快速也得合理 , 我刚才比别人快三倍的推演应该是足够乐观了 , 但这几乎很难达成的7~8年时间似乎也无法让失去理智的乐观派感到满意 , 推进是需要时间的不可能一蹴而就这只是最基本的科学常识而已 , 不论你多引领期盼也改变不了.
今天这篇文章并给行业泼冷水更不是唱衰 , 国内无数工程师们日以继夜在每个环节没日没夜的攻关 , 我完全看在眼里 , 也在利用自己的资源尽我可能的协助 , 这篇文章是想写给被带节奏的网民们 , 咱们举国之力发展确实有优势 , 也让我非常赞叹 , 但作为落后很多的追赶者 , 我们这几年的不懈努力更多的是在补以前落下的功课 , 不要盲目乐观 , 不要听信虚华浮夸的宣传 , 尊重科学与事实 , 整个行业都在奋发努力 , 压根不需要网民们的吹捧 , 这没有任何帮助 , 只能是满足你个人的幻想与意淫 ,仅此而已 .
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