解決IC制造瓶頸難題 需解決“缺人缺錢(qián)缺積累”的困境

作為信息化時(shí)代的核心基石，集成電路的重要性逐漸為人們所認(rèn)知。但是發(fā)展集成電路是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，它涉及設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、材料、設(shè)備等全產(chǎn)業(yè)鏈的整體提升。而光刻機(jī)就是集成電路這個(gè)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)中最具關(guān)鍵性的基礎(chǔ)裝備之一。要想解決我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的“掐脖子”問(wèn)題，推動(dòng)光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

先進(jìn)集成電路制造均圍繞光刻工藝展開(kāi)

集成電路行業(yè)中有“一代器件、一代工藝、一代設(shè)備與材料”之說(shuō)，其意指在整個(gè)行業(yè)進(jìn)入納米時(shí)代以后，微納制造技術(shù)更多地依靠引入新材料和提升微觀加工設(shè)備的加工能力來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，制造工藝與設(shè)備材料更加深度地契合在一起，許多制造工藝往往需要圍繞關(guān)鍵設(shè)備材料展開(kāi)。光刻機(jī)就是集成電路制造中精密程度最復(fù)雜、難度最高、價(jià)格最昂貴的設(shè)備。

有光刻機(jī)專(zhuān)家告訴記者：“在先進(jìn)的集成電路制造工藝流程當(dāng)中，一款芯片往往需要經(jīng)過(guò)幾十道光刻工藝，每次都需要使用光刻機(jī)把電路的設(shè)計(jì)圖形做到硅片上去。所以，人們經(jīng)常說(shuō)的某某納米的工藝節(jié)點(diǎn)，往往就是由光刻機(jī)及其相關(guān)工藝所決定的，或者說(shuō)它是最核心的一個(gè)因素。光刻機(jī)的分辨率可以做到多少，集成電路的工藝節(jié)點(diǎn)就做到多少。”

正因?yàn)楣饪虣C(jī)如此重要，制造企業(yè)每年在進(jìn)行資本投入時(shí)，大約會(huì)有30%—40%投入到光刻機(jī)之上。光刻機(jī)也經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的演進(jìn)過(guò)程：1960年代的接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)，1970年代的投影式光刻機(jī)，1980年代的步進(jìn)式光刻機(jī)、步進(jìn)式掃描光刻機(jī)，再到浸沒(méi)式光刻機(jī)，以及當(dāng)前剛剛出現(xiàn)在市場(chǎng)上的極紫外(EUV)光刻機(jī)，設(shè)備性能不斷提高。

目前集成電路生產(chǎn)線上主流光刻機(jī)產(chǎn)品：用于集成電路關(guān)鍵層光刻工藝，28nm以上節(jié)點(diǎn)采用的是193nm波長(zhǎng)干式光刻機(jī)，28nm—10nm節(jié)點(diǎn)采用193nm波長(zhǎng)浸沒(méi)式光刻機(jī)，至于支撐10nm集成電路制造，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始嘗試采用極紫外光刻機(jī)，下一代產(chǎn)品高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)目前正在研發(fā)當(dāng)中，預(yù)計(jì)未來(lái)2—3年有可能被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其可以支持5nm、3nm及以下的工藝制造。非關(guān)鍵層使用的是248nm波長(zhǎng)DUV光刻機(jī)和I-Line光刻機(jī)(365nm波長(zhǎng))。

半導(dǎo)體專(zhuān)家莫大康告訴記者，10nm節(jié)點(diǎn)及以下工藝制造目前較為普遍地采用“193nm波長(zhǎng)浸沒(méi)式光刻機(jī)+多重曝光(Multiple Patterning，MP)技術(shù)”，能實(shí)現(xiàn)10nm和7nm工藝生產(chǎn)。然而采用多重曝光會(huì)帶來(lái)兩大問(wèn)題，一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次降低良率;二是工藝的循環(huán)周期延長(zhǎng)，多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕和CMP工藝次數(shù)。采用EUV光刻機(jī)則不需要多重曝光，一次就能曝出想要的精細(xì)圖形，在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC的復(fù)雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢(shì)明顯。目前市場(chǎng)上已有多款EUV機(jī)型開(kāi)始出貨。三星、臺(tái)積電均已表示將會(huì)在7nm工藝中采用EUV光刻機(jī)。

國(guó)際光刻機(jī)高度壟斷 我國(guó)布局艱難

雖然光刻機(jī)在集成電路生產(chǎn)中如此重要，但是光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)處于高度壟斷狀態(tài)，全球只有3—4家廠商可以生產(chǎn)制造，它們分別是荷蘭的阿斯麥(ASML)、日本的尼康(Nikon)、佳能(Canon)和中國(guó)的上海微電子(SMEE)。其中ASML處于優(yōu)勢(shì)地位，一家獨(dú)占7成以上市場(chǎng)，比如193nm浸沒(méi)式光刻機(jī)，ASML占據(jù)90%以上市場(chǎng)份額;248nm DUV光刻機(jī)，ASML占比超過(guò)50%;EUV光刻機(jī)更是只有ASML一家獨(dú)占;I-Line光刻機(jī)市場(chǎng)則基本是ASML、佳能、尼康三家均分。

資料顯示，中國(guó)光刻機(jī)的研制起步并不晚。從1970年代開(kāi)始就先后有清華大學(xué)精密儀器系、中科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科45所投入研制。當(dāng)1978年世界第一臺(tái)量產(chǎn)型g線分步投影光刻機(jī)在美國(guó)問(wèn)世后，45所就投入了分步投影光刻機(jī)的研制工作，1985年研制出我國(guó)同類(lèi)型第一臺(tái)g線1.5μm分步投影光刻機(jī)，在1994年推出分辨率達(dá)0.8μm的分步投影光刻機(jī)，2000年推出分辨率達(dá)0.5μm實(shí)用分步投影光刻機(jī)。2002年，國(guó)家在上海組建上海微電子裝備有限公司(SMEE)，承擔(dān)“十五”光刻機(jī)攻關(guān)項(xiàng)目，中電科45所將從事分步投影光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)的團(tuán)隊(duì)整體遷至上海，參與其中。目前，上海微電子是國(guó)內(nèi)技術(shù)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研制生產(chǎn)單位。

從研制進(jìn)展來(lái)看，目前我國(guó)“90nm光刻機(jī)樣機(jī)研制”任務(wù)通過(guò)了02專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施管理辦公室組織的專(zhuān)家組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。28nm工藝節(jié)點(diǎn)的193nm波長(zhǎng)浸沒(méi)式光刻機(jī)正在研發(fā)當(dāng)中。盡管這些年取得了部分成績(jī)，然而我國(guó)在光刻機(jī)技術(shù)上仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。

需解決“缺人缺錢(qián)缺積累”的困境

超高精密度的要求，是造成光刻機(jī)技術(shù)難以在短時(shí)間內(nèi)取得突破的主要原因之一。在行業(yè)內(nèi)有這樣一個(gè)形象的比喻：用光刻機(jī)在硅片上刻電路，猶如兩架波音747客機(jī)在以每小時(shí)1000公里的速度飛行的同時(shí)，在一顆小米粒上刻字!這正是高端光刻機(jī)工作臺(tái)、掩模臺(tái)高速同步運(yùn)動(dòng)時(shí)所達(dá)到的納米級(jí)同步精度。要制造出如此高精度的芯片，對(duì)光刻機(jī)本身的各項(xiàng)精度要求就更高了。

除了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，專(zhuān)家告訴記者，研制光刻機(jī)的難點(diǎn)還有很多?？偨Y(jié)起來(lái)可以用“缺人缺錢(qián)缺積累”來(lái)形容。首先，光刻機(jī)研制的投資強(qiáng)度很高。當(dāng)初英特爾、臺(tái)積電、三星為了推進(jìn)ASML加快研制EUV光刻機(jī)，以38億歐元的代價(jià)取得其23%的股權(quán)，并另外出資13.8億歐元支持ASML未來(lái)五年的EUV技術(shù)研發(fā)。歷年來(lái)，我國(guó)雖然重視光刻機(jī)的研制，可02專(zhuān)項(xiàng)對(duì)光刻機(jī)的投入力度，與國(guó)際廠商相比，就少得太多了。其次，國(guó)內(nèi)支撐光刻機(jī)開(kāi)發(fā)的配套基礎(chǔ)工業(yè)體系存在大量空白，這也限制了光刻機(jī)的開(kāi)發(fā)。最后，投身光刻機(jī)研制的人才基數(shù)很小，培養(yǎng)難度大，培養(yǎng)周期長(zhǎng)，同時(shí)光刻機(jī)出成果的周期長(zhǎng)，人員待遇差，也造成了高水平人才流失嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的落后狀態(tài)。

此外，莫大康表示，光刻機(jī)的開(kāi)發(fā)還只是成功的一小部分，要想形成相應(yīng)的光刻工藝，還要掩模廠開(kāi)發(fā)出與之相配套的掩模、材料廠的光刻膠材料、制造廠結(jié)合設(shè)備材料進(jìn)行工藝的開(kāi)發(fā)等。這充分顯示了光刻機(jī)及相關(guān)工藝的精密性與系統(tǒng)性，也進(jìn)一步加大了工作的挑戰(zhàn)性。

雖然我國(guó)的光刻機(jī)發(fā)展面臨問(wèn)題很多，但是隨著國(guó)內(nèi)移動(dòng)電子、通信、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)等終端應(yīng)用市場(chǎng)的高速發(fā)展，也為國(guó)產(chǎn)設(shè)備業(yè)提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。在談到如何突破產(chǎn)業(yè)鏈短板的時(shí)候，專(zhuān)家指出：“我國(guó)在推進(jìn)光刻機(jī)研制過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持高端積極研發(fā)，中低端盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的路徑。只有這樣才能支撐起整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)、人才積累、工程經(jīng)驗(yàn)積累，形成良性循環(huán)。此外，還應(yīng)當(dāng)引起國(guó)家對(duì)光刻機(jī)的重視，繼續(xù)加大對(duì)光刻機(jī)的投入，改善研發(fā)條件，吸引人才，在投入的同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意投入的持續(xù)性，避免出現(xiàn)脈沖式投入的弊端。

中國(guó)電科首席專(zhuān)家柳濱也指出：“與下游芯片制造商建立長(zhǎng)期合作關(guān)系十分重要，這已經(jīng)成為我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展長(zhǎng)期存在且還未最終解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開(kāi)國(guó)家的支持。由于設(shè)備業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)備制造單位不可能與世界上已經(jīng)成熟的設(shè)備供應(yīng)商具備相同的實(shí)力。所以設(shè)備業(yè)的發(fā)展需要巨大研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入、專(zhuān)業(yè)技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)以及與下游芯片制造商建立起長(zhǎng)期的合作關(guān)系。