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【转】国产光刻机发展血泪史

管理员
2020-10-13 15:38:58    评分

1977年,中国就有了大规模集成电路会战组,还隆重开了光刻机技术座谈会……

前言:

国内芯片现在被美国卡脖子,其中很重要的原因的是国内没有足够先进的光刻机。光刻机,如同车间中车床的作用,又好比是整栋大楼的根基。

光刻机一直是中国半导体产业发展的软肋,小编之前一直以为是起步太晚、起点太低,但今天看到一则“会议消息”,其实我们在40多年前就已经提出要发展光刻工艺,那么是什么原因导致我们这些年一直在原地踏步呢?

这背后,是一部国产光刻机发展的血泪史——

1977年5月14~19日,受四机部委托,上海大规模集成电路会战组主持召开本次会议,出席会议的有来自全国光刻机研制、使用的42家单位代表共67人。

事实上,我国发展光刻机的历史,可以追溯到上个世纪。回顾中国半导体设备的发展历史,可以用三个词来概括,即 “起步早、门类全、发展曲折”。

其中,起步早指的是我国从上世纪50年代中后期开始研制锗工艺半导体设备,60年代初中期自行制造我国第一条1Gz锗半导体三极管单机自动化生产线,60年代中期即研制了35mm圆片、10m线宽水平的硅平面工艺半导体设备。

70年代末至80年代,我国就已研制了电子束曝光机、分步重复光刻机、超纯水处理系统等一批高水平的半导体设备。

起步不晚

我国光刻机的历史,则可以追溯到1966年。

1966年,109厂与上海光学仪器厂协作,研制成功我国第一台65型接触式光刻机,由上海无线电专用设备厂进行生产并向全国推广。

1974年9月,第一次全国大规模集成电路工业会议召开,国家计委在北京召开《全国大规模集成电路及基础材料攻关大会战会议》,拟定的目标是【1974~1976年期间,突破大规模集成电路的工艺、装备、基础材料等方面关键技术】四机部组织京沪电子工业会战,进行大规模集成电路及材料、装备研发,突破超微粒干板、光刻胶、超纯净试剂、高纯度气体,磁场偏转电子束镀膜机等材料、装备。

1975年12月,第二次全国大规模集成电路会议在上海召开。

1977年1月,第三次全国大规模集成电路会议在贵州召开。

1977年5月,在江苏吴县(今苏州吴中区)召开了光刻机技术座谈会,四十二个单位67名代表出席了本次会议。会上指出,改进光刻设备、光刻工艺是目前大规模集成电路会战和提高电路质量的一个重要方面,为了在半导体器件和集成电路方面尽快赶超世界水平,代表建议组建全国光刻机技术协作攻关组织。

在当时,未来的光刻机霸主ASML仍未成立。

光刻技术经历了接触式光刻机,接近式光刻,分步重复式等倍投影光刻,步进式缩小投影光刻,步进扫描式投影光刻等典型光刻技术过程。

70年代初,美、日等西方国家分别研制出多种型号的接近式光刻机,为了适应我国大规模集成电路制造技术当前的发展需要,1978年,中科院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机。

图:JK-1型光刻机整机照片

1980年,JK-1型接近式光刻机完成所级鉴定。1981年完成第二阶段工艺试验,并进行模拟4K和16K动态随机贮器器件的工艺考核试验。

同年,上海光学机械厂的研制的JKG—3型光刻机通过鉴定与设计定型,该机型是我国第一代半自动接近式光刻机。

另外,该厂仍研制出JKG一2型大面积光刻机、JKG一IA型、JKG一ZA型、JKG一3A型机等-JKG3型光刻机。

1982年10月,109厂、哈尔滨量具刃具厂、阿城继电器厂共同研制的“KHA75-1型半自动接近接触式光刻机”获第一机械工业部科技工作一等奖。

由于适应性强、功能齐全、性能良好,KHA75-1型是当时国内比较先进的光刻设备,在某些重要指标(如掩模变形量等)上已达到日本CanonPLA500-F型的水平。

伴随着技术发展,我国技术人员也渐渐意识到分步光刻机的重要性。根据八五、九五期间我国微电子技术发展的要求,迫切要相当数量的分步光刻机,而当时国际上一台i线分步光刻机的售价是160万美元,一台准分子激光DSW光刻机的售价是210万美元,一套g线DSW光刻机也要120万美元,如果全部采用进口设备,当时的财力也难以支持。

在此背景下,1978年世界上第一台DSW光刻机问世不久,机电部第45所即开始跟踪研究分步式光刻机。

在六五期间,45所进行了BG-101型DSW光刻机的研究工作,并于1985年成功研制出BG-101分步光刻机,在当年年底通过了部级技术鉴定,该机的主要性能指标接近或达到美国GCA公司4800DSW系统的水平。

1985年,机电部45所研制出了分步光刻机样机,中国科学院上海光学精密机械研究所研制的"扫描式投影光刻机"通过鉴定,认为达到美国4800DSW的水平,为我国大规模集成电路专用设备填补了一项空白。这应当是中国第一台分步投影式光刻机,中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年。

逐渐落后

不过,也正是到了八十年代,国内的光刻机的发展因为内因和外因,开始逐渐停滞。

内因是,中国开始大规模引进外资,有了“造不如买”的思想。光刻技术和产业化,停滞不前。

中国速度带来的弊端是让一些边缘科研,长期限高投入项目,中短期看不到经济增速的重点工作被砍掉。这是历史进程的必然,抓重点一直是中国人的优势,抓高速增长我们做的很好,就势必会丢掉一部分收益较低的,集中资源解决问题。

到了九十年代,光刻光源已被卡在193纳米无法进步长达20年,这个技术非常关键,这直接导致ASML和台积电在线如此强势的关键。中国才刚刚开始启动193纳米ArF光刻机项目,足足落后ASML20多年。

而外因是,对于光刻机的技术限制,早在我国开始研发光刻机时就已开始。

由于分步光刻机对IC的发展乃至微电子技术的发展有很重要作用,西方发达国家一方面自己拼命发展这种设备,另一方面又对我国实行限制和禁运,企图永远抑制我国电子工业的发展。

除价格昂贵以外,巴统不批准向我国出口先进设备,国外工艺线已用0.5µm的机器的时候,却只对我国出口1.5µm的机器,整整差了三代。此外,在80年代,巴统规定对我国出口的DSW光刻机,镜头NA必须小于0.17,即只能有2µm以上的分辨率。

巴统即成立于1949年的巴黎统筹委员会,是美国与其北约盟友建立起来的出口管制机构,也是瓦森纳协定的前身。

其实在巴统建立初期,中国并不在其管制范围之内。但后来随着美国对日态度和亚洲形态的重新估量,最终在1952年将中国列入了管制的范畴。列入被限制的有军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类共上万种产品。

尽管面临巴统的限制,时间走到80年代中后期的时候,由于造不如买的思想开始盛行,"贸工技"风潮一时盛行,在集成电路等产业也渐渐与国外脱节。

等到2000年后,国家科技部组织实施“十五”863计划“100nm分辨率193nmArF准分子激光器步进扫描投影光刻机”重大项目的研制与攻关,计划在2005年完成试生产样机,2007年小批量生产。

而在2002年,台积电已提出了浸入式193nm技术方案。

奋起直追

好在,伴随着中国半导体技术的日渐发展,在光刻技术领域,也逐渐开始重视、发展起来。

2002年国家在上海组建上海微电子装备有限公司(SMEE)承担“十五”光刻机攻关项目时,中电科45所将从事分步投影光刻机研发任务的团队整体迁至上海参与其中。2008年国家又启动了“02”科技重大专项予以衔接持续攻关。

过几年的努力,自主设计、制造和集成的国内首台100纳米投影光刻机样机研制取得成功,使国内高端光刻机的水平有了重大突破,并为国家02科技重大专项高端光刻机项目的持续实施奠定了良好基础。

通过“十五”光刻机专项攻关的初步成功和国家“02”科技重大专项多年的实施,SMEE掌握了光刻机多项关键技术,成为世界上继欧洲和日本3家光刻机公司之后的少数掌握高端光刻机的系统设计与系统集成测试技术的公司。

目前,中国光刻机技术与国外相比,差距依然巨大。然而在一些自主技术领域,已经取得相关突破。

华卓精科生产的光刻机双工件台,打破了ASML公司在光刻机工件台上的技术上的垄断,成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。

2018年5月,清华大学机械工程系教授朱煜在接受华璋资本调研时表示,其生产的双工件台打破ASML在工件台上的技术垄断,是世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司,而且在全球能单独供应工件台的也只有华卓精科。

在今年年中,上海微电子装备 (集团)股份有限公司披露,将在 2021-2022 年交付第一台 28nm 工艺的国产沉浸式光刻机。国产光刻机将从此前的 90nm工艺一举突破到 28nm 工艺。

光刻机整机与分系统汇聚了光学、精密机械、控制、材料等领域大量的顶尖技术,很多技术需要做到工程极限。

尽管我国在相关技术领域已取得突破,但相对光刻机更多关键技术来说,仍只是九牛一毛。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,面对技术差距,中国光刻机之路还很长,加大对光刻机的投入,改善研发条件,吸引人才,也成为光刻机发展中不可或缺的一环。

科普:光刻机工作原理

上图是一张ASML光刻机介绍图。下面,简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台:是承载硅片的工作台。

激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。

光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。

能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。

能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。

掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。

物镜:物镜用来补偿光学误差,并将线路图等比例缩小。

硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。

在加工芯片的过程中,光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。

参考资料:

[1]77年,光刻机技术座谈会在江苏吴县召开(原作者不详)

[2] 半导体投资联盟:路漫漫其修远兮——国产光刻机技术发展史话(作者:小如)

[3]知乎网友:星辰与小堂的回答、修鸣的回答


来源:机械社区综合整理自 半导体投资联盟、知乎网友:星辰与小、修鸣等,转载请注明出处。




关键词: 光刻机     半导体    

助工
2020-10-13 17:07:45    评分
2楼

了解一下


工程师
2020-10-13 21:18:34    评分
3楼

光刻机这个东西真不是短短的时间能创造出来的


工程师
2020-10-14 22:14:14    评分
4楼

看到真的让人感觉很难受


院士
2020-10-14 22:55:30    评分
5楼
从头再来,继续努力吧。

助工
2020-10-15 22:05:06    评分
6楼

继续加油


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