國產光刻機“套刻≤8nm”意味著什么？接近 ASML 2015年的水平
時間：24-09-26 來源：中國經營報
國產光刻機“套刻≤8nm”意味著什么？接近
ASML 2015年的水平
波長為193nm（納米）、分辨率≤65nm、套刻≤8nm……日前，工信部的一份文件，再次把國產光刻機推入公眾視野，甚至傳出國產DUV光刻機突破8nm工藝的“重磅消息”。
9月9日，工信部旗下微信公眾號“工信微報”推送了工信部于9月2日簽發的關于印發《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024年版）》的通知文件，通知文件中的“電子專用裝備”的第一項即“集成電路生產裝備”，明確提到氟化氪（KrF）光刻機和氟化氬（ArF）光刻機的技術指標，尤其是氟化氬光刻機，文件標明其套刻精度≤8nm。
《中國經營報》記者注意到，該文件一經發布后，關于國產光刻機取得大突破的言論“喜大普奔”，還有人把“套刻≤8nm”誤認為8nm光刻機。事實上，套刻精度指的是每一層光刻層之間的對準精度，而≤8nm的套刻精度并不一定代表能制造8nm工藝的芯片。
“光刻機套刻小于8納米，邏輯上對應的區間，也能上到成熟區間，甚至更高一些。但別指望它覆蓋手機用的處理器工藝，主要還是面向成熟區間。”半導體行業資深觀察人士王如晨對記者表示，工信部文件表格里不止氟化氬光刻機，還有配套設備，是個小生態，“看工藝節點，都側重成熟區間，尤其28納米”。
制造更小線寬芯片的辦法
需要指出的是，早在6月20日，工信部就發布了《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024年版）》公示，“集成電路生產設備”一欄當中就有一款氟化氪光刻機和一款氟化氬光刻機。
隨后在9月，工信部再次發布通知文件，這是對外正式公布。依照不同光源，光刻機可分為UV（紫外）、DUV（深紫外）以及EUV（極紫外）三大類型。而通知文件中的氟化氪光刻機和氟化氬光刻機，兩者均屬于第四代DUV光刻機。
目前來說，光刻機共經歷了五代發展，隨著波長從最早的436nm到最新的13.5nm，芯片制程也逐漸達到接近極限的3nm。
光刻機性能如何，有兩個關鍵所在：一是光刻機波長，二是物鏡系統的數值孔徑（NA）。根據知名公式——瑞利判據，即CD=k1*λ/NA。CD代表線寬，即芯片可實現的最小特征尺寸；λ代表光刻機使用光源的波長，NA指的是光刻機物鏡的數值孔徑，也就是鏡頭收集光的角度范圍；k1是一個系數，取決于芯片制造工藝有關的眾多因素。
根據這個公式，如果要制造更小線寬的芯片，即CD值越小，可使用波長更短的光源、更大數值孔徑的物鏡和降低k1值這些辦法。
比如荷蘭半導體設備制造商阿斯麥（ASML）的EUV光刻機，光源波長只有13.5nm，同時ASML也在不斷提高光刻機的孔徑，以用于7nm甚至更高工藝制程芯片的制造。
而在光刻機物鏡和晶圓之間加入超純水，把水作為介質，不僅變相地把光源波長等效縮短，也變相地提升了NA數值。而這種加入了超純水的光刻機被稱為浸沒式光刻機，由此DUV光刻機也能達到光學分辨率的天花板。
然而，浸沒式光刻機理論上容易，但工程實現相當麻煩。有著“浸潤式光刻機之父”之稱的林本堅，在臺積電任職期間，單單一個浸液系統，該團隊就耗時2年，修改了7—8回才實現突破。業內人士稱，?浸沒式光刻機的研發難度之高，相當于在月球上用槍打到地球上的一個目標。?
分辨率≤65nm、套刻≤8nm是什么水平
除了以上方法外，多重曝光也是提升光刻機制造工藝的一種技術。比如ASML浸潤式DUV光刻機NXT：1980的分辨率≤38nm，卻可以支撐臺積電第一代7nm工藝的生產，靠的就是多重曝光技術。
作為光刻機的一個重要技術指標，套刻精度通常指的是“多重曝光能達到的最高精度”，它決定了每次曝光之間物理位移的最小誤差，直接影響著多層曝光工藝的質量和效率。隨著工藝節點不斷縮放至14nm、10nm、7nm，多重曝光成為必要手段。
那么，通知文件中的ArF光刻機（光源波長193nm，分辨率≤65nm，套刻≤8nm）極限能做到多少納米制程？處于什么水平？極限制程能達到多少納米？
綜合來看，這種規格的國產ArF光刻機性能與ASML于2015年二季度出貨的ArF光刻機TWINSCAN XT：1460K（分辨率為≤65nm，套刻精度＜5nm）較為接近。而按套刻精度與量產工藝1∶3的關系，這個光刻機理論上可量產28nm工藝的芯片。
不過，業內人士認為，考慮到套刻精度誤差更大等原因，該國產ArF光刻機可能還到不了“28nm光刻機”的分辨率要求。總體來說，這次曝光的國產DUV光刻機，應該是之前90nm分辨率的國產光刻機的改良版，能用于55—65nm的成熟制程芯片制造需求。
“工信部表格里不止氟化氬光刻機，還有配套設備，是個小生態。看工藝節點，都側重成熟區間，尤其28納米。”王如晨表示，如果規模化推廣，FAB（晶圓廠）成功量產，中國除了手機等場景外，有更大或者說真正意義上的自主性，“絕大部分民用、工業、國防的場景足夠了。”
國產光刻機向前邁了一小步
光刻機作為半導體制造的核心設備，其技術水平直接決定了芯片的性能和品質。長期以來，我國在光刻機領域一直受制于人，高端設備主要依賴進口。
相比之前90nm分辨率的國產光刻機，新的65nm分辨率已經有了一定的進步。當然，我們依然要清醒認識到國產光刻機與國外先進水平之間的差距。
需要指出的是，通知文件所披露的這款ArF光刻機依然是干式DUV光刻機，而非更先進的浸沒式DUV光刻機（也被稱為ArFi光刻機）。
對于國產光刻機廠商來說，從干式DUV轉向浸沒式DUV這一過程還有很多難題需要解決，不僅僅是技術方面。ASML盡管在2006年就推出了首臺量產的浸沒式DUV光刻機XT：1700i，但卻是在2010年代前后才依靠浸沒式DUV光刻機打敗了當時的光刻機兩大巨頭佳能和尼康，確立了霸主地位。
ASML財報顯示，2023年中國成為該公司的第二大市場。2024第一季度和第二季度，ASML中國地區銷售額占比都是49%，第二季度以銷售額論，ArFi占比50%，超過EUV的31%。
其實，ASML最先進的EUV光刻機早已被完全禁止出口中國；去年10月，美國又更新了先進芯片制造技術出口管制，將限制出口中國的光刻機范圍擴大，即擴大至采用多重曝光能夠實現先進制程能力的光刻機。
9月6日，荷蘭政府宣布，擴大光刻機出口管制范圍至浸沒式深紫外光刻設備，與美國的管制“對齊”，ASML如果要向中國出口TWINSCAN NXT：1970i和1980i型號浸潤式DUV光刻系統，需要先向荷蘭政府申請出口許可證。
業內人士認為，ASML進一步收緊先進DUV的出口，是驅動國產最新光刻機信息公布的因素之一。對此，王如晨表示：“趕在美國脅迫荷蘭政府加了一個出口許可關而ASML配合發聲后，本就算是做了一次側面的回擊。”
申萬宏源證券認為，官方披露核心設備進展提振市場信心，國產光刻機相關產業鏈受益，國內晶圓廠擴產自主可控可期，國產半導體設備整體受益。中芯國際、北方華創、中微公司、拓荊科技、微導納米、上海微電子等產業鏈企業，都將從國產65nm的ArF光刻機中得到發展機會。
摘自-中國經營報
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