光刻机是芯片制造最为顶级的设备,最为核心的技术主要在于“极紫外光源、光学镜头和双工件台”三个方面,其次还有高达上十万个零部件、三千多根线路,长达两公里的短软管等,全身重量高达180吨的光刻机,可以说至今没有任何国家能够独立制造出来。

即使是荷兰ASML这样顶级的光刻机企业,所生产出来的光刻机内部,采用了美国提供的极紫外光源技术、日本和德国提供的光学设备和瑞典的轴承零件,就连光刻机的组装制造也是三星和台积电协助的。而在中芯国际向ASML购入7纳米EUV光刻机迟迟未到货的情况下,上海微电子将交付28纳米光刻机的消息传来,无疑给中国集成电路行业注入了一支强心剂,但也引发了不少质疑——主要集中在其有没有自己的核心技术,是不是一个名副其实的光刻机组装厂等等。

倘若按照这个逻辑,采用万国技术打造光刻机的ASML应该也是一家组装厂,如果供应ASML技术的各国企业,能将最为先进的技术零部件卖给国内光刻机企业,相信高端光刻机的诞生时限也会提前。其实中国光刻机的国产化之路从未停止,我们的目标就是将光刻机的核心技术掌握在自己手中。

我国在光刻机最核心的三大技术上已经有所突破,极紫外光源技术早已成为了国家科技重大专项02专项,中科院长春光机所的极紫外光刻机关键技术研究已经通过验收。光学镜头也已经处在研发立项当中。而作为ASML独门绝技的双工件台技术,中国民企华卓精科已经突破纳米级的限制,成为全球第二家拥有双工件台知识产权的公司,而且华卓精科的双工件台经过多重曝光可用于7纳米芯片的生产。

双工件台到底有什么用?为什么它是光刻机最为尖端的部件?芯片制成的步骤就相当于将图纸上的线路图“画”在硅片上的过程,光刻机的光学系统将光源透射过画有线路图的掩膜,按照一定的比例刻在硅片上,此时的光源相当于芯片的雕刻刀,这就是以光源为主的曝光光学系统。其中将掩膜上的电路图成比例缩小的工具就是物镜,这些光学镜头还可以补偿光源透射过程的各种误差,提高芯片的雕刻精度。所以当晶圆在加工过程中,先要经过测量才能开始曝光,这就要依次用到测量台,然后再用到曝光台。

在2001年ASML研制出双工件台之前,这些步骤都要在一个单工件台上完成,而双工件台的出现可以使得晶圆的曝光和测量同时进行,极大提高了芯片的产能和效率。

其实中国早在上世纪70年代就涉足了光刻机领域,清华机械系研发的步进式光刻机因为当时芯片市场规模不大而未得到推广,但在数十年后清华机械工程系一个名为朱煜的教授在中国的光刻机史上留名,他就是国产双工件台的奠基人。

日本光刻机巨头尼康的社长在一次访问中国时,提及中国光刻机说到:光刻机的光学设备你们可能拿的下来,但想攻克工件台几乎是不可能的。2012年朱煜与清华IC装备团队中的7人联合投资成立了华卓精科,目标就是攻克光刻机超精密双工件台技术。

在原有的技术积累和国家专项资金的扶持下,历经短短数年时间华卓精科的双工件台样机,就通过国家科技重大项目的验收,中国也成为继荷兰之后第二个掌握光刻机双工件台技术的国家。华卓精科的双工件台运用磁悬浮电机方案,可以利用磁悬浮电机驱动超精密的乘片台,最高能实现纳米级分辨率的套刻精度。

为什么华卓精科能在如此短的时间内,突破双工件台这样的高尖端技术呢?其实这就是光刻机技术的后发优势,当时朱煜团队在涉足工件台领域时,研发的方案相对落后。但在ASML采用磁悬浮平面电机方案研制的双工件台诞生后,朱煜团队立刻换成了最新的方案,这也是华卓精科少走很多弯路的原因。

华卓精科的双工件台目前主要用于65纳米至28纳米浸没式光刻机的研发,对于国产光刻机的赋能意义重大,而且1.7纳米的华卓精科工件台结合28纳米沉浸式光刻机,在理论上可以经过多重曝光实现7纳米芯片的制造。相信华卓精科在立足国产技术的同时,必定带给我们更多的惊喜。

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