中科院研發者回應5納米光刻技術突破ASML壟斷

今年7月,在中國科學院官網上發布了一則研究進展,中科院蘇州所聯合國家納米中心在《納米快報》(Nano
Letters)上發表了題為《超分辨率激光光刻技術制備5納米間隙電極和陣列》(5 nm Nano gap Electrodes and
Arrays by a Super-resolution Laser
Lithography)的研究論文,介紹了該團隊研發的新型5 納米超高精度激光光刻加工方法。

中科院研發者回應5納米光刻技術突破ASML壟斷

該論文發表在《納米快報》(Nano Letters)。圖截自官網ACS官網

消息一經發出,外界一片沸騰,一些媒體稱此技術可以「突破ASML的壟斷」、「中國芯取得重大進展」,「中國不需要EUV光刻機就能製作出5納米製程的芯片」。

該論文的通訊作者、中科院研究員、博士生導師劉前告訴《財經》記者,這是一個誤讀,這一技術與極紫外光刻技術是兩回事。

極紫外光刻技術解決的主要是光源波長的問題,極紫外光刻技術(Extreme Ultra-violet,簡稱:EUV),是以波長為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術。

集成電路線寬是指由特定工藝決定的所能光刻的最小尺寸,也就是我們通常說的「28納米」、「40納米」。 這個尺寸主要由光源波長和數值孔徑決定,掩模上電路版圖的大小也能影響光刻的尺寸。目前主流的28納米、40納米、65納米線寬製程採用的都是浸潤式微影技術(波長為134納米)。但到了5納米這樣的先進製程,由於波長限制,浸潤式微影技術無法滿足更精細的製程需要,這是極紫外光刻機誕生的背景。

而中科院研發的5納米超高精度激光光刻加工方法的主要用途是製作光掩模,這是集成電路光刻製造中不可缺少的一個部分,也是限制最小線寬的瓶頸之一。目前,國內製作的掩模版主要是中低端的,裝備材料和技術大多來自國外。

劉前對《財經》記者說,如果超高精度激光光刻加工技術能夠用於高精度掩模版的製造,則有望提高我國掩模版的製造水平,對現有光刻機的芯片的線寬縮小也是十分有益的。這一技術在知識產權上是完全自主的,成本可能比現在的還低,具有產業化的前景。

但是,即便這一技術實現商用化,要突破荷蘭ASML(阿斯麥)(NASDAQ:ASML)在光刻機上的壟斷,還有很多核心技術需要突破,例如鏡頭的數值孔徑、光源的波長等。

如果把光刻機想象成一個倒置的投影儀,掩模就相當於幻燈片,光源透過掩模,把設計好的集成電路圖形投影到光感材料上,再經蝕刻工藝將這樣的圖形轉移到半導體芯片上。

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示意圖:電路設計圖首先通過激光寫在光掩模版上,光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面。

通常,每一個掩模版的版圖都不一樣,製作一枚芯片常常需要一套不同的掩模版。掩模版製作要求很高,致使其價格十分昂貴,如一套45納米節點的CPU的掩模版大概就需要700萬美元。如今,隨着產品的個性化、小批量趨勢,致使掩模版的價格在整個芯片成本中急速飛升。

高端掩模版在國內還是一項「卡脖子」技術。在半導體領域,除了英特爾(NASDAQ:INTC)、三星(PINK:SSNLF)、台積電(NYSE:TSM)三家能自主製造外,高端掩模版主要被美國的Photronics(NASDAQ:PLAB)、大日本印刷株式會社(DNP)以及日本凸版印刷株式會社(Toppan)(PINK:TOPPY)三家公司壟斷,根據第三方市場研究機構前瞻產業研究院的數據,這三家公司的市場份額占到全球的82%。

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數據來源:前瞻產業研究院 制圖:陳伊凡

而且,這一技術如今尚在實驗室階段,要實現商用還有很長的路要走。ASML從1999年開始研發極紫外光刻機,到2010年才出了第一台原型機,2019年第一款7nm極紫外工藝的芯片才開始商用,前後花了20年時間。這是一個技術從實驗室走向商用所必須付出的時間成本。

半導體產業發展60多年,摩爾定律基本得以實現的關鍵就在於光刻機能不斷實現更小分辨率,在單位面積芯片上製造更多的晶體管,提高芯片的集成度。如果沒有光刻機,就沒有芯片先進製造可言。根據第三方市場研究機構前瞻產業研究院數據,2019年全球光刻機市場74%被荷蘭的ASML公司壟斷。ASML也是如今全球唯一一家能夠量產極紫外光刻機的公司。

中科院研發者回應5納米光刻技術突破ASML壟斷

如何突破層層專利保護,也是要實現製造完全自主的光刻機的難點之一。極紫外光刻技術領域就像一個地雷密布的戰場,ASML通過大量專利和知識產權保護,壟斷該技術。

一直以來,業界都在嘗試另一條技術路線,例如華裔科學家、普林斯頓大學周郁在1995年首先提出納米壓印技術,目前仍無法突破商用化的困境。

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並且,極紫外光刻機能夠成功商用,並非僅靠ASML一家之功,它更像是一個集成創新的平台,其中有將近90%的核心零部件來自全球不同企業,ASML通過收購,打通了上游產業鏈,例如德國卡爾蔡司、美國硅谷光刻集團的激光系統、西盟科技的紫外光源。目前沒有一個國家能夠獨立自主完成光刻機的製造,中國以一國之力,短期內要突破ASML在極紫外光刻技術上的壟斷,幾乎是不可能的事情。

來源:cnBeta