拒絕技術壟斷 國產首臺超分辨光刻機技術淺析

2025-06-02 04:16:11

    2018年11月29日，一則名為「寬刀雕細活 我國造出新式光刻機」的消息刷爆網絡，援引自新聞中的消息，我們可以看到，由我國中科院光電技術研究所承擔的國家重大科研裝備研製項目「超解析度裝備研製」通過驗收。很多人振奮的原因在於這是我國自行研製的世界首臺利用紫外光源實現22nm解析度的光刻機，這意味著我國在微電子技術領域再次邁出了堅實的一步，縮小了與全球在該領域的差距。在祝賀偉大祖國的同時，我們總結了一下目前關於這方面的學術研究，為大家淺析該技術讓所有國人為之震動，舉國歡慶的原因。

何為光刻機？

    說道光刻機，就不得不說與我們生活息息相關的半導體晶片，在日常生活中，小到我們每天都要接觸的手機、筆記本，大到飛彈衛星、航天科技等高科技產品，其內都包含有大量的半導體晶片。不客氣的說半導體晶片已經滲透到我們生活的各個領域，而半導體技術的發展也將極大程度上促進當今科學技術的進步與發展。但產品的特性決定了半導體技術必須向高度集成的方向發展，集大成者——光刻機應運而生。

    光刻機通又叫做掩模對準曝光機，曝光系統，光刻系統等，整個光刻過程我們可以理解為在矽片表面勻膠，然後將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過程將器件或電路結構臨時「複製」到矽片上的過程。通俗理解光刻機就是極大規模機集成電路的製造設備，其結合了光學、控制、材料、機械、測量等多領域的高精尖科技成果。光刻機的發展水平對於整個半導體晶片的集成電路以及最終性能有著決定性的作用，不誇張的說誰掌握了最高端的光刻機技術，也就掌握了當代半導體製造業的領導地位。由此可見，光刻機作為其中含金量最高的部分組建，在國際上的地位之重以及製造難度之大。

    但先進的光刻機技術一直以來都掌握在極少數發達國家手中，且更新換代的速度非常快，幾乎每兩年就會有一批新的光刻機出現。這對於發展中國家研究光刻機技術而言無疑的災難性的，由於技術封鎖加上科技落後，就算致力於發展光刻機技術，往往花費數年研製出光刻機卻已經比國外的光刻技術晚了兩到三代的水平。這就會造成一個國家的整體科技領域發展要受制於人，困難重重。除了花費高昂的價格購入先進的半導體裝備外別無它路。在我國，半導體晶片的需求量巨大，此次成功研製出超解析度光刻機對於國內的半導體製造業而言意義重大，相信在未來必然會改變這種被動的局面。

「彎道超車」 原理性的勝利

    從新聞中截取出的消息我們可以看到，此次中科院光電技術研究所研製的光刻機是在365nm波長的DUV光源下，單次曝光最高線寬解析度達到22nm，相當於1/17波長。對於很多略懂科技的人員來說，我們都知道22nm的光刻技術其實在幾年前就被使用，如果單拿22nm來說此次光電技術研究所的成就並不足夠震撼，但如果與全球領先的荷蘭ASML的尖端集成電路光刻機對比我們會發展，ASML使用的是採用EUV光刻機的13.5nm光源，加工極限為7nm，而我國的光刻機採用的是DUV下的365nm光源，加工出了22nm的解析度，這意味這我國研製的光刻機打破了傳統的衍射極限，採用一種新的原理理念驗證了表面等離子光刻加工的可行性。接下來為大家粗略解釋一下這兩種原理的光刻技術。

ASML光刻機光刻原理

    上圖紅框區域為ASML光刻機最主要的光刻過程，至於後續步驟中的檢測設備、物鏡反射等原理涉及到重複而又複雜的折射等光學原理，我們暫且不論。傳統光刻機的工作原理大致可以理解為在矽片表面塗上一層抗深紫外光損傷的增光型保護塗層，之後利用模板去除保護塗層表面需要光刻的區域，這就像在矽片表面形成類似圖紙一樣的結構圖。之後利用帶有腐蝕劑的液體對矽片表面進行侵蝕，仍塗有保護層的區域並不會受到腐蝕劑的侵蝕，而失去保護膜的部分被腐蝕後則形成電路。最後去除掉矽片表面的所有雜質，一款矽片即光刻完成。

而我們看到的物鏡等系統作用就在於利用複雜的光學原理將模板進行「無限小」的縮像成印，而EUV光刻機利用13.5nm的光源光刻出7nm的晶片就在於此，但受限於衍射效應是有極限的，最終成像的解析度等取決于波長、數值等因素，這也是目前EUV光刻機重點攻克的難點。同時，採用EUV光源的光刻機成本非常高，為攻克上述難點需要的成本同樣高昂。

國產超解析度光刻機光刻原理

    國產超解析度光刻機採用的則是一種名為表面等離子光刻加工工藝，利用的是一種沿金屬表面傳播的波，大致可以理解為當入射的光子照射在金屬表面的時候。由於光子和金屬表面的自由電子之間會相互作用，金屬表面的自由電子受到入射光子後會激發出一種震蕩狀態，這種震蕩狀態的波將就叫做表面等離子體波，這種波會隨著離開物質表面距離的增大迅速衰減。換為普通人理解即一道光打在金屬表面會有類似球體落在地上的回彈反應，國產光刻的原理即為利用這道回彈衰減的波進行光刻，在原理上這就不在受到傳統衍射極限的限制。

    光電研究所走的高分辨、大面積的技術路線採用365nmDUV紫外光的光刻機只需要幾萬元一隻的汞燈即可，這也就意味著整機的成本價在百萬元-千萬元之間，成本不會太高，而性能則在DUV和EUV之間，這樣的效益對於需求量大的半導體晶片製造業來說意義重大。此次中國中科院光電技術研究所承擔的國家重大科研裝備研製項目「超解析度裝備研製」沒有沿用目前世界主流（例如ASML光刻機）的光刻技術，而是採用新的光刻原理，雖然現階段該技術還無法應用於我們關心的高端晶片製造行業，但在該原理下，為我國趕超國際領先的光刻技術提供了極大的可能性，稱其為在光刻技術這條道路上加速彎道超車一點都不為過。

雙向研究光刻技術 助力國產光刻機發展

    對於很多國人而言，光刻機最近的印象應該就是2018年4月中國向荷蘭訂購了世界上非常先進的一套極紫外光刻（EUV）設備，這是目前最昂貴和非常先進的晶片生產工具，單價達到1.2億美元，目前已經交付給中國企業。在當初一度引發轟動，很多人認為多年來發展「中國芯」最大的技術難關得到的解決。 其實這主要源於我們在上世紀就已經開始發展光刻技術，雖然技術與頂尖技術總是相差幾代，但差距並不大，在加上日前電子科技產品發展速度迅捷，技術壁壘下阻止國內光刻技術的發展遠遠達不到數十年之久，所以禁售在時間的推移下也就不攻自破。

    通過我們上述的技術解析，其實我們已經對此次國內研製的超高解析度光刻機的成功驗收有了一次初步的認識，不難看出，我國並沒有因為國外先進光刻機的購入而將自主研發停滯不前，而是齊頭並進，選擇雙向發展的道路。既購入國外採用先進光科技術的光刻機作為晶片研發的保證，也在不斷深耕屬於我們自己的全新的技術原理，打造屬於國人自己的國產光刻機。兩種截然不同的技術原理恰恰說明了這一點，雖然我們再很多領域都仍處於落後西方的狀態下，但沒有任何一個人說過放棄，一直都始終堅持著相關領域的摸索和發展，相信在不久的未來，我們不僅能夠打造出屬於我們自己的頂尖高科技晶片，而且能夠將中國製造的光刻機作為國際領先標準遠銷海外。

本文編輯：劉國亮

關注泡泡網，暢享科技生活。