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中国28纳米光刻机最新进展曝光 四大核心零部件突破技术封锁

中国科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”,启动于美国深陷经济危机、中国因北京奥运会呈现出盛世景象的2008年,此前2006年半导体芯片已经超越石油…

中国科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”,启动于美国深陷经济危机、中国因北京奥运会呈现出盛世景象的2008年,此前2006年半导体芯片已经超越石油成为中国第一大进口商品。因在同期启动的16个重大专项中排序第二,该项目又被称之为“02专项”或“02重大专项”。与其同期启动的16个重大专项包括载人航天工程、探月工程、北斗卫星导航系统、大飞机专项、新一代宽带无线移动通信网专项即第五代移动通信网络5G等,由此可见02专项的分量,美国近年来在半导体芯片领域对中国的“卡脖子”也显示出“02专项”的先见之明。

但相比其他专项的高歌猛进与万众瞩目,比如载人航天已经迈入空间站时代、北斗卫星导航系统全球组网已经完成、探月工程“绕落回”完美收官、5G建设进度世界第一、C919大飞机已经在试飞中,02专项要低调的多。尽管美国的“卡脖子”免费为中国人上了一堂半导体芯片知识普及课,令半导体芯片在中国炙手可热,相关股票受到市场热捧,但02专项仍很低调,并未进入公众视野。

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2020年中国进博会上的世界光刻机巨头荷兰阿斯麦尔展位。(多维新闻)

02专项之所以低调,无他,中国半导体芯片产业起点太低,错过了半导体行业全球分工的时机,台湾在芯片代工领域、韩国在存储芯片领域的优势地位都是在上世纪九十年代以来的分工中逐渐形成的,彼时中国尚处于“三来一补”劳动密集型产业发展阶段,直到21世纪加入世界贸易组织以来中国才逐渐发展成“世界工厂”,规模世界第一的机电制造业造就了世界第一的半导体芯片市场,每年消耗全球一半以上的半导体芯片。

也正是从这时开始,世界半导体芯片产业基于靠近市场、利润最大化原则开始向中国转移,美国逻辑芯片巨头英特尔在中国的封装测试工厂与12英寸晶圆厂、韩国存储巨头三星电子与SK海力士在中国的存储芯片工厂、晶圆代工巨头台积电在中国的晶圆代工厂等都是在这一过程中建立。与此同时中国自身的半导体芯片产业也开始起步,巨大的市场需求,不仅是中国与美国在半导体芯片领域博弈的筹码,更是中国发展半导体芯片产业的最大助力。

也是因为低调,迄今中国官方仅在2017年举行过一次新闻发布会,就02专项进行了说明与阶段性成果汇报,还是作为16个重大专项系列新闻发布会之一举行的。据发布会披露,02专项是16个重大专项中唯一由地方政府牵头实施的项目,由北京、上海两个地方政府牵头实施;成果包括“研制成功14纳米刻蚀机、薄膜沉积等30多种高端装备和靶材、抛光液等上百种材料产品”并出口海外,国内量产半导体工艺由130纳米提升至28纳米,“LED、光伏等领域已实现关键装备成套国产化”,“封装企业从低端进入高端”等。在出席发布会的上海市科委专项技术总工程师叶甜春看来,“最大的进展不在于我做了几个东西,而是国家集成电路制造技术体系、产业体系建立起来了”。

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2017年中国科技部举行国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项新闻发布会。(新华社)

2017年后中国官方再未权威发布02专项相关信息,只能从相关行业新闻中略窥一二。比如,南大光电公司近日发布新闻稿称,“该公司承担的02专项ArF光刻胶项目通过专家组验收,这种光刻胶可用于90纳米至14纳米甚至7纳米技术节点的集成电路制造工艺,已建成年产25吨产业化基地”,并强调“用于质量检测的光刻机等量测设备是国外进口的,我们已经配备了,运转良好,没有被卡的顾虑。主要原材料是自己开发和生产的,没有被卡风险。生产设备是联合国内企业研制的,也不存在被卡风险”。

不过,南大广电也指出“目前ArF光刻胶产品尚未实现规模化量产”,事实上由实验室制备到量产其难度并不比全新研究低。至于比ArF光刻胶更先进的、配合极紫外光刻机(EUV)的EUV光刻胶,2018年中国科学院的新闻曾称,由中科院化学所、理化所与北京科华微电子材料有限公司联合承担的02专项“极紫外光刻胶材料与实验室检测技术研究”项目进行了任务验收和财务验收。

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上海微电子目前量产的最先进的同时也是完全国产化的90纳米600系列光刻机。(上海微电子官网截图)

相比光刻胶等,中国民众最关心的还是光刻机。自中国通信设备制造商华为被美国制裁以来,光刻机就成为万众瞩目的焦点,似乎有了光刻机就能解华为的燃眉之急,当然这是不可能的,但一点也不影响国产高制程光刻机的重大意义。据中国方正证券的一份研究报告披露,“在02专项光刻机项目二期中,设定的时间为2020年12月验收193纳米ArF浸入式DUV光刻机,其制程工艺为28纳米”,即网络上流传已久的28纳米光刻机,其对标产品为阿斯麦尔(ASML)现阶段仅次于EUV光刻机、TWINSCAN NXT:2050i DUV光刻机的TWINSCAN NXT:2000i。

方正证券的研究报告还披露02专项中国产28纳米光刻机的研发分工情况:上海微电子负责光刻机设计和总体集成,北京科益虹源提供光源系统,北京国望光学提供物镜系统,长春国科精密提供曝光光学系统,北京华卓精科提供双工件台,浙江启尔机电提供浸液系统。目前,北京国望光学已经收购长春国科精密,事实上国望光学核心研发团队就全部来自于国科精密,国科精密则源于中科院长春光学精密机械与物理研究所、上海光学精密机械研究所为承担02专项“曝光光学系统”组建的研究团队,长春光机所负责物镜系统,上海光机所负责照明系统。

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2017年中国国际半导体博览会上,国科精密研制的Epolith A075型ArF光刻机曝光光学系统首次亮相。(国科精密)

据上海光机所信息光学与光电技术实验室2017年工作报告披露,该实验室承担“研发的照明系统与投影物镜一起在国产90纳米光刻机上通过02专项组织的验收测试,达到项目合同任务书考核指标与整机指标,极限光刻分辨率为85纳米”。国科精密官网披露的发展历程亦证实了这一点,2016年9月“我国首套NA 0.75光刻投影物镜通过整机单位的系统性能测试,并实现交付”,2017年4月“我国首套NA 0.75光刻照明系统通过整机单位的系统性能测试,并实现交付”。

在此基础上长春光机所已经开始攻关EUV相关光学技术。早在2002年,长春光机所就研制出国内第一套EUV光刻原理装置,实现了EUV光刻的原理性贯通,2008年02专项将EUV光刻技术列为“32纳米至22纳米装备技术前瞻性研究”重要攻关任务后,长春光机所牵头担起了“极紫外光刻关键技术研究”项目研究工作,这一项目在2017年6年通过验收,“突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术,成功研制了波像差优于0.75纳米RMS的两镜EUV光刻物镜系统,构建了EUV光刻曝光装置,国内首次获得EUV投影光刻32纳米线宽的光刻胶曝光图形”。

在光刻机另一个核心技术双工件台领域,2016年由清华大学机械工程系教授朱煜担任负责人的研发团队成功研发光刻机双工件台系统样机,并通过中国科技部02专项办公室验收。在研发双工件台的同时,2012年以朱煜研发团队为核心注册成立了北京华卓精科,负责实施双工件台的产业化。北京华卓精科官网在介绍其发展历程时指出,2019年公司“纳米运动精度光刻机超精密双工件台技术与应用”荣获2018年年度北京市科学技术进步一等奖,其官网产品展示中也包括“国内首台纳米级超精密气浮运动台”,可“满足纳米级精度尺度的产品定制需求,适用于OLED无掩模激光光刻、激光直写光刻、光刻机等高端制造行业”,成为仅次于阿斯麦尔全球第二个掌握该技术的公司。

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可应用于半导体制造的中国首台纳米级超精密气浮运动台。(华卓精科官网)

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华卓精密研发的可应用于28纳米光刻机的双工件平台。2001年,阿斯麦尔在光刻机上首次使用双工件平台,使得光刻机能在一个工件台进行曝光晶圆片,同时在另外一个工作台进行预对准工作,并在第一时间得到结果反馈,生产效率提高大约35%,精度提高10%以上,此前该技术由阿斯麦尔垄断。(华卓精科官网)

在浸液系统领域,浙江启尔机电的前身是浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室启尔团队,2017年接受02专项浸液系统研制任务。2019年12月,启尔机电浸液系统产品研制与能力建设通过02专项CDR里程碑评审,“表明我司已圆满完成国家02专项研发、设计和实验阶段任务”,成为继阿斯麦尔、尼康后全球第三家掌握这一技术的公司。也就是说,启尔机电研发的浸液系统已经由实验室制备转入量产阶段,但目前尚未有量产的消息。

在光源领域,北京科益虹源控股股东是中科院微电子所,其技术团队来自于中科院微电子所、光电研究院,系02专项光刻准分子激光器成果转化落地单位。据《徐州经开区科益虹源集成电路光刻制造及服务基地项目开工》一文披露,2018年科益虹源自主设计开发的国内首台高能准分子激光器出货,打破了国外厂商的长期垄断,成为中国第一、世界第三能够量产193纳米ArF准分子激光器的企业。目前,40瓦光源已应用于上海微电子90纳米光刻机,DUV需要的60瓦光源已研发成功。此外,哈尔滨工业大学已经研制出12瓦DPP-EUV光源,距离EUV的250瓦光源仍有很长的路要走。

从02专项发展历程及种种公开报道来看,28纳米光刻机或者说对标阿斯麦尔DUV的光刻机,其核心部件研究应属于02专项在光刻机领域的一期工程,二期则是瞄准使用极紫外光源的EUV。大致在2017年左右,02专项光刻机领域一期工程验收,即至少完成了实验室研发阶段,并制造出了原型机,进而以相关科研团队为核心组建企业实施成功转化,即实现原型机的量产或者说产业化。

目前来看,光刻机核心零部件曝光系统、光源、双工件台都已经实现量产,浸液系统尚未有量产的消息。从上海微电子官网来看,目前出货的最先进的仍是90纳米“600系列”光刻机,90纳米光刻机属于该公司2017年通过02专项验收的“90纳米光刻机样机研制”项目成果,同一年还通过了02专项“浸入光刻机关键技术预研项目”验收,即至少在2017年上海微电子的DUV项目就完成预研将进入正式研制阶段,这也与各核心零部件完成原型机时间节点一致。

前文引述方正证券的研究报告称28纳米光刻机将于2020年12月验收,但显然已经延迟,只能静待佳音。而从原型机研制成功到实现量产,再到实际应用于芯片生产最终达致至少90%以上的芯片良品率,路还很漫长。

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