從2009年開始算起，中國研究團(tuán)隊一路攻堅克難，國產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已于近期第一次成功曝光。2022年左右有望完成驗收。這意味著，中國半導(dǎo)體材料和設(shè)備（工藝技術(shù)）產(chǎn)業(yè)又向前跨出了關(guān)鍵一大步。光刻機(jī)被全球業(yè)界人士們稱為“工業(yè)皇冠明珠”。而事實上，中國科研和工程人員們也都有志在未來，從“工業(yè)皇冠”上拿到這顆“明珠”。

國產(chǎn)光刻機(jī)達(dá)到幾納米

光電所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點實驗室研制出來的SP光刻機(jī)是世界上第一臺單次成像達(dá)到22納米的光刻機(jī)，結(jié)合多重曝光技術(shù)，可以用于制備10納米以下的信息器件。這不僅是世界上光學(xué)光刻的一次重大變革，也將加快推進(jìn)工業(yè)4.0，實現(xiàn)中國制造2025的美好愿景。

中國生產(chǎn)光刻機(jī)的廠家

1、上海微電子裝備有限公司

2、中子科技集團(tuán)公司第四十五研究所國電

3、合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司

4、先騰光電科技有限公司

5、無錫影速半導(dǎo)體科技有限公司

中國光刻機(jī)的發(fā)展史

2009 年9 月下旬，上海微電子裝備有限公司研發(fā)的先進(jìn)封裝光刻機(jī)通過了江陰長電先進(jìn)封裝有限公司的出廠工藝測試，并正式簽訂了產(chǎn)品銷售合同。該光刻機(jī)具有“大視場、大焦深、高套刻精度、邊緣曝光”等技術(shù)特點，可滿足先進(jìn)封裝I藝中8 英寸及12 英寸硅片級重新布線凸點等厚膠工藝要求。自2009年11月上生產(chǎn)線運(yùn)行以來，江陰長電利用該設(shè)備已成功完成第一批8英寸“重新布線及凸點工藝”產(chǎn)品的多層光刻生產(chǎn)任務(wù)。

國產(chǎn)首臺先進(jìn)封裝光刻機(jī)的研制成功與使用，標(biāo)志著我國在高端封裝關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)品創(chuàng)新與開發(fā)中取得了可喜突破，對提升我國集成電路制造裝備、工藝及材料技術(shù)的自主創(chuàng)新能力具有重要意義。

2010年7月16日下午，上海微電子裝備有限公司（簡稱“SMEE”） 和江陰長電先進(jìn)封裝有限公司（簡稱“JCAP”） 在江蘇省江陰市聯(lián)合召開了“首臺先進(jìn)封裝光刻機(jī)使用現(xiàn)場匯報會暨SMEE 與JCAP戰(zhàn)略合作協(xié)議的簽約儀式”會議?？萍疾?、國家科技重大專項“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”實施管理辦公室和

總體專家組、專項咨詢委、上海市科委、江陰市府等單位的領(lǐng)導(dǎo)出席丁會議，科技部曹健林副部長等領(lǐng)導(dǎo)做了重要講話。

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高端芯片的集成度已經(jīng)達(dá)到數(shù)千至數(shù)億晶體管，推動著芯片封裝技術(shù)向更高密度、更高性能發(fā)展，使基于凸點工藝的封裝成為主流技術(shù)，對封裝光刻機(jī)的性能也大幅提高，傳統(tǒng)的接近/接觸式光刻機(jī)已不能滿足高性能、高密度、低成本等先進(jìn)封裝工藝發(fā)展需求，先進(jìn)的大視場、大焦深、高精度投影光刻機(jī)成為先進(jìn)封裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備。為了改變該類先進(jìn)封裝光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口局面，上海微電子裝備有限公司在國家科技重大專項和上海市科委等部門的支持下，成功開發(fā)出了用于倒裝焊凸點制備的先進(jìn)封裝光刻機(jī)。該機(jī)型具有自主知識產(chǎn)權(quán)，在投影物鏡、高精密的工件臺、對準(zhǔn)調(diào)焦測量、軟件系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了系列創(chuàng)新成果，申請了國家發(fā)明專利74項，已獲國家發(fā)明專利授權(quán)22項，申請國際發(fā)明專利3項。

2009年9月下旬，上海微電子裝備有限公司研發(fā)的先進(jìn)封裝光刻機(jī)通過了江陰長電先進(jìn)封裝有限公司的出廠工藝測試，并正式簽訂了產(chǎn)品銷售合同。該光刻機(jī)具有“大視場、大焦深、高套刻精度、邊緣曝光”等技術(shù)特點，可滿足先進(jìn)封裝工藝中8英寸及12 英寸硅片級重新布線凸點等厚膠工藝要求。自2009年11月上生產(chǎn)線運(yùn)行以來，江陰長電利用該設(shè)備已成功完成第一批8 英寸“重新布線及凸點工藝”產(chǎn)品的多層光刻生產(chǎn)任務(wù)。

國產(chǎn)首臺先進(jìn)封裝光刻機(jī)的研制成功與使用，標(biāo)志著我國在高端封裝關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)品創(chuàng)新與開發(fā)中取得了可喜突破，對提升我國集成電路制造裝備、工藝及材料技術(shù)的自主創(chuàng)新能力具有重要意義。

延伸閱讀：光刻機(jī)的發(fā)展史

光刻機(jī)的最小分辨率、生產(chǎn)效率、良率均在不斷發(fā)展。 光刻機(jī)的最小分辨率由公示 R=kλ/NA，其中 R 代表可分辨的最小尺寸，對于光刻技術(shù)來說， R 越小越好； k 是工藝常數(shù)； λ 是光刻機(jī)所用光源的波長； NA 代表物鏡數(shù)值孔徑，與光傳播介質(zhì)的折射率相關(guān)，折射率越大， NA 越大。光刻機(jī)制程工藝水平的發(fā)展均遵循以上公式。此外，光刻機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和工作模式也在發(fā)展，不斷提升芯片的生產(chǎn)效率和良率。

根據(jù)所使用的光源的改進(jìn)，光刻機(jī)經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了光刻機(jī)所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。此外雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展也在不斷提升光刻機(jī)的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

按所用光源，光刻機(jī)經(jīng)歷了五代產(chǎn)品的發(fā)展

最初的兩代光刻機(jī)采用汞燈產(chǎn)生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿足0.8-0.35 微米制程芯片的生產(chǎn)。最早的光刻機(jī)采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機(jī)對接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良， 通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細(xì)小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。

第三代光刻機(jī)采用 248nm 的 KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點提升至350-180nm 水平，在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻，即現(xiàn)在光刻機(jī)通用的，光源通過掩模， 經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補(bǔ)償后， 以掃描的方式在硅片上實現(xiàn)曝光。

第四代 ArF 光刻機(jī)：最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品。第四代光刻機(jī)的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機(jī)是目前使用最廣的光刻機(jī)，也是最具有代表性的一代光刻機(jī)。由于能夠取代 ArF 實現(xiàn)更低制程的光刻機(jī)遲遲無法研發(fā)成功，光刻機(jī)生產(chǎn)商在 ArF 光刻機(jī)上進(jìn)行了大量的工藝創(chuàng)新，來滿足更小制程和更高效率的生產(chǎn)需要。

創(chuàng)新一：實現(xiàn)步進(jìn)式掃描投影。 此前的掃描投影式光刻機(jī)在光刻時硅片處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過掩模的移動實現(xiàn)硅片不同區(qū)域的曝光。 1986 年 ASML 首先推出步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)，實現(xiàn)了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動， 并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達(dá)到 5： 1， 有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產(chǎn)效率提升了一個臺階。

創(chuàng)新二：雙工作臺光刻機(jī)。硅片在進(jìn)入光刻流程前要先進(jìn)行測量和對準(zhǔn)，過去光刻機(jī)只有一個工作臺，測量、對準(zhǔn)、光刻等所有流程都在這一個工作臺上完成。 2001 年 ASML 推出了雙工作臺系統(tǒng)（TWINSCAN system），雙工作臺系統(tǒng)使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個工作臺在進(jìn)行曝光工作的同時，另外一個工作臺可以同時進(jìn)行曝光之前的預(yù)對準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提升大約 35%。

雖然從結(jié)果上來看，僅僅是增加了一個工作臺，但其中的技術(shù)難度卻不容小覷，雙工作臺系統(tǒng)對于換臺的速度和精度有極高的要求， 如果換臺速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率；如果換臺精度不夠， 則可能影響后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開展。

雙工作臺光刻機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)

創(chuàng)新三： 浸沒式光刻系統(tǒng)。到了 45nm 制程節(jié)點時， ArF 光刻機(jī)也遇到了分辨率不足的問題，此時業(yè)內(nèi)對下一代光刻機(jī)的發(fā)展提出了兩種路線圖。一是開發(fā)波長更低的 157nmF2準(zhǔn)分子激光做為光源， 二是由 2002 年臺積電林本堅提出的浸沒式光刻。此前的光刻機(jī)都是干式機(jī)臺，曝光顯影都是在無塵室中，以空氣為媒介進(jìn)行。由于最小分辨率公式中的 NA 與折射率成正相關(guān)，如果用折射率大于 1 的水做為媒介進(jìn)行光刻，最小分辨率將得到提升，這就是浸沒式光刻系統(tǒng)的原理。

ASML 率先推出浸沒式光刻機(jī)，奠定自身市場地位。林本堅提出浸沒式光刻設(shè)想后， ASML開始與臺積電合作開發(fā)浸沒式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機(jī)TWINSCANXT:1900i，該設(shè)備采用折射率達(dá)到 1.44 的去離子水做為媒介，實現(xiàn)了 45nm 的制程工藝，并一舉壟斷市場。當(dāng)時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機(jī)被市場拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產(chǎn)品線上顯著落后于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML 一家獨大的重要轉(zhuǎn)折點。

浸沒式光刻機(jī)原理

通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機(jī)最高可以實現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機(jī)已無法滿足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機(jī)。

第五代 EUV 光刻機(jī)，千呼萬喚始出來。 1-4 代光刻機(jī)使用的光源都屬于深紫外光， 第五代 EUV光刻機(jī)使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。

早在上世紀(jì)九十年代，極紫外光刻機(jī)的概念就已經(jīng)被提出， ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)工作，原計劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到 2010 年 ASML 才研發(fā)出第一臺 EUV 原型機(jī)， 2016 年才實現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計時間晚了十幾年。三星、臺積電、英特爾共同入股 ASML 推動 EUV 光刻機(jī)研發(fā)。

EUV 光刻機(jī)面市時間表的不斷延后主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達(dá)到 250 瓦的工作功率需求，二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。這兩大原因使得 ASML及其合作伙伴難以支撐龐大的研發(fā)費(fèi)用。 2012 年 ASML 黨的三大客戶三星、臺積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元，用于支持 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)。此后 ASML 收購了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商 Cymer，并以 10 億歐元現(xiàn)金入股光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商卡爾蔡司，加速EUV 光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，這兩次并購也是 EUV 光刻機(jī)能研發(fā)成功的重要原因。

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