中科院光電所的“光刻機”如何與阿斯麥競爭

　　對于大多數人來說，光刻機或許是一個陌生的名詞，但它卻是制造芯片的核心裝備。作為芯片工業的母機，它的地位十分重要。當然，這個領域也是我們國家的裝備制造業還沒有達到世界一流水平的地方。

　　最近，一些媒體報道了我國在芯片制造領域取得的新進展的消息!經過近七年艱苦攻關，位于四川成都的中科院光電研究所“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收。這意味著中國有了“首臺紫外超分辨光刻裝備”，這一“光刻裝備”被部分媒體解讀為可以制造22納米工藝制程的微電子芯片。

　　很多中國人為這個進展歡欣鼓舞，有人覺得中國已經在光刻機領域超越了歐美，這引起了很多的輿論混淆。

　　我們做了一些調研，試圖還原事情的本來面目，看看中科院光電所的光刻裝備如何與世界上最先進的阿斯麥光刻機競爭。

　　22納米在國際上是什么水平?

　　光刻機是芯片制造的核心裝備。我國一直在芯片行業受制于人，除了上海微電子能商品化90納米工藝制程光刻機，其他本土企業幾乎全軍覆沒。但上海微電子的光刻機的技術指標離阿斯麥EUV光刻機最好的指標——7納米工藝制程還有一個數量級的距離。

　　因此，中國在光刻機領域主要靠進口。

　　荷蘭的阿斯麥(ASML)是目前全球最大的光刻機生產商，這家公司脫胎于飛利浦集團。在中高端光刻機市場，阿斯麥公司占據大約60%的市場份額;而在最高端的光刻機市場，阿斯麥公司大約占據90%的市場份額。飛利浦公司是阿斯麥公司的大股東。飛利浦與阿斯麥同時也是中國臺灣的芯片代工企業臺積電的重要股東。所以，從這里可以看出，臺積電與阿斯麥在股權結構上有深刻的聯系——所以一般來說，我國內地的光刻機要比我國臺灣的臺積電落后2到3年。

　　目前，阿斯麥出品的光刻機，性能最好的是7納米。而中科院推出的“光刻機”(不是商品化儀器，只能算“原理樣機”)是22納米，顯然在技術指標上還不能與國際上最先進的7納米相提并論。這中間的差距是比較大的，沒有多年的時間是彌補不上這個差距的，所以，現在沒有理由認為中國的光刻機技術已經超越了歐美，更不能盲目自大。

　　決定芯片的工藝制程的關鍵因素

　　現在科技界比較關心的是芯片的工藝制程，也就是大家說的7納米或者22納米這些關鍵技術參數。

　　數字7比22小，這說明7納米的芯片的電路更細致，同樣面積上可以放置更多的微電子電路，所以7納米芯片是目前芯片的最好工藝制程。顯然整個光刻機的性能可以決定芯片的工藝制程，但主要的決定因素是光刻機的光學成像分辨率。

　　但是，對光刻機說，光學成像分辨率受到物鏡孔徑和光源波長的限制，所以要提高芯片的工藝制程，傳統的思路是增大物鏡孔徑和縮短光源的工作波長。這兩個方法都受到現實狀況的約束，比如物鏡的孔徑不可能無限增加，因為光刻機的機械尺寸不可能無限擴大。而光源的波長已經從紫外(波長小于380納米，大于200納米)走到了深紫外(波長小于200納米)，再朝外走就是X射線波段了。阿斯麥光刻機的紫外光的光源一般是激光器，比如2013年阿斯麥的EUV光刻機研發成功，當時使用的光源是波長為193納米的準分子ArF激光，使用這種激光光源的光刻機能達到22納米的工藝制程。當然了，如果換成波長更短的13.5納米深紫外線光，那么就可以做到7納米的芯片制程——這樣一臺光刻機售價至少1億美元。

　　顯然，如果采用傳統的紫外激光光源的做法，那么中科院光電所的光刻機是很難與阿斯麥的光刻機競爭。因為阿斯麥已經在這個領域深耕多年，技術積累非常雄厚，而且資本相當充裕。

　　中科院光刻機走的是另外一個技術路線

　　中科院的這個“光刻機”項目并不是正面與阿斯麥較量，而是走了一條不一樣的技術路線，這里面至少有2個不同點。

　　第一個不同點在于光源的不同。阿斯麥的光刻機都采用的是激光光源，這些激光光源都比較昂貴。而中科院的“光刻機”采用的光源不是激光，而是汞燈。

　　汞就是水銀，高壓汞燈可以發出紫外光，而且價格相對紫外激光器來說要便宜很多。正因為光源價格上的絕對優勢，所以中科院的“光刻機”在一定程度上是可以有市場優勢的。這是值得肯定的。中科院光電所的這臺光刻設備采用的是汞燈365納米波長光源，單次曝光最高線寬分辨力達到22納米。這一做法相當于是用一支很粗的毛筆寫出了蠅頭小篆，所以背后必須有別的技術來支撐——這就是以下要說的第二個不同點。

　　第二個不同點就是中科院光電所的這條技術路線與“表面等離子體波”有關。表面等離子體波是當紫外光線以一定的角度打上金屬表面的時候產生的波，這種波能吸收入射光的能量，從而顯著降低反射光的能量，利用表面等離子體的短波長特性可以獲得超衍射聚焦光斑，這個可以應用到超衍射納米光刻中。這才是中科院光電研究所超分辨光刻的核心技術。該技術利用微納結構邊際作為掩模圖形，對表面等離子體進行有效激發，其采用汞燈光源就可以獲得了特征尺寸小于30納米的超分辨光刻圖形。

　　這里需要強調的是，中科院的這個“光刻機”的技術路線確實“繞過國外相關知識產權壁壘。”

　　但從某種意義上，中科院的“光刻機”就好像是一個還需要母乳喂養的新生嬰兒，而阿斯麥的光刻機好像是一個已經可以自食其力的成年人。現在還不能說這個新生的嬰兒一定會比阿斯麥成年人要優秀，我們只能花至少10多年的時間去等待這個嬰兒的成長。

　　中科院光電所的“光刻機”還不能產業化微電子芯片

　　中科院光電所的光刻設備目前還沒有商品化，所以與阿斯麥的光刻機還不構成直接的市場競爭。中國的芯片產業受制于國外光刻機的局面在短期內還不能被改變。

　　而且，更為重要的是，中科院光電所的光刻設備不單單是用來做芯片的，其實它的用途更為分散。這個設備為中國航天科技集團第八研究院、中科院上海微系統與信息技術研究所、電子科技大學、四川大學華西二院、重慶大學等多家單位制備了一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導納米線單光子探測器、切倫科夫輻射器件、生化傳感芯片、超表面成像器件等，驗證了超分辨光刻裝備納米功能器件(非IC芯片)加工能力，已達到實用化水平。

　　所以請注意，這里提到的應用是做納米功能材料，可不完全是做微電子芯片。因此不能把中科院光電所的這個光刻設備簡單定義為它就是一臺專門用來做芯片的“光刻機”。從某種意義上來說，它更像是一種表面等離子體分析儀器。例如在生化傳感芯片方面，通過超分辨光刻裝備制備的納米傳感器件，可以實現對目標分子的高靈敏探測，避免檢測過程中的接觸污染，在早期癌癥診斷技術方面能有所幫助。在國外確實有相關的商品化分析儀器與之類似。

　　目前，該裝備還不具備微電子芯片的制造能力。而且有知情人士表示，從目前的技術能力來看，目前的這套光刻設備，對于微電子芯片的光刻，也只能做周期的線條和點陣，是無法制作復雜的芯片所需要的非周期性圖形。

　　中科院光電所對光刻技術的探索是有價值的，因為他們探索了不同的技術路線，而且可以將這套設備用到芯片之外的領域，所以也許他們能在其他領域帶來意想不到的產業價值。另外一方面也值得注意，其實，在目前這個時代，摩爾定律其實已經開始失效，比7納米更小刻線的光刻機的制造越來越難，阿斯麥公司的光刻機雖然技術一流，但在未來，傳統的光刻機已經不受摩爾定律的左右，更小工藝制程的光刻機的競爭其實已經意義不大。