隨著近年來(lái)芯片行業(yè)的快速發(fā)展，大眾對(duì)于光刻機(jī)的關(guān)注度越來(lái)越高。

媒體和廠商也更加頻繁地使用“7nm光刻機(jī)”這樣的關(guān)鍵詞來(lái)進(jìn)行宣傳。但事實(shí)是：從來(lái)就沒(méi)有什么救世主，也沒(méi)有7nm光刻機(jī)。

7nm只是一種工藝的代號(hào)，它和光刻機(jī)本身是不掛鉤的。按照一般人的理解7nm光刻機(jī)就是指能制作7nm工藝的光刻機(jī)，這個(gè)命名方式乍看起來(lái)很合理，實(shí)際上漏洞百出。

截取自中芯國(guó)際招股書(shū)

舉個(gè)例子，在中芯國(guó)際財(cái)報(bào)中，公司透露了會(huì)將部分生產(chǎn)28納米芯片的設(shè)備轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)其它制程產(chǎn)品。假設(shè)中芯國(guó)際用于生產(chǎn)28納米芯片的光刻機(jī)將來(lái)用于生產(chǎn)45納米芯片，那么這臺(tái)光刻機(jī)原來(lái)應(yīng)該叫“28nm”光刻機(jī)，就因?yàn)樗a(chǎn)了45nm芯片，那么他就應(yīng)該變成更為落后的“45nm”光刻機(jī)了?那如果將來(lái)它再回來(lái)生產(chǎn)28納米芯片，那么它就又升級(jí)成了“28nm”光刻機(jī)?但整個(gè)過(guò)程中光刻機(jī)的本質(zhì)并沒(méi)有改變啊。

武漢弘芯不是什么救世主

近期網(wǎng)絡(luò)上所謂關(guān)于武漢弘芯的“7nm”光刻機(jī)抵押在銀行的消息，鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。但這真的是“7nm”光刻機(jī)嗎?

武漢弘芯半導(dǎo)體制造有限公司(HSMC)于2017年11月成立，總部位于中國(guó)武漢臨空港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。公司匯聚了來(lái)自全球半導(dǎo)體晶圓研發(fā)與制造領(lǐng)域的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，擁有豐富的14納米及7納米以下節(jié)點(diǎn)FinFET先進(jìn)邏輯工藝與晶圓級(jí)先進(jìn)封裝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

值得說(shuō)明的是，14納米及7納米的相關(guān)工藝經(jīng)驗(yàn)來(lái)武漢弘芯中來(lái)自臺(tái)積電等公司的“前員工”，并不是指公司已經(jīng)具備了相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)。

截取自武漢弘芯官網(wǎng)

在官網(wǎng)的項(xiàng)目時(shí)程中，武漢弘芯14納米工藝大概會(huì)在2020年下半年開(kāi)始測(cè)試流片，其7納米工藝在2020年開(kāi)始研發(fā)。而中芯國(guó)際在2019年時(shí)，其14納米工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

另外關(guān)于武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機(jī)，根據(jù)相關(guān)消息此光刻機(jī)已被抵押。

數(shù)據(jù)來(lái)自天眼查

根據(jù)天眼查上的數(shù)據(jù)，我們可知武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機(jī)實(shí)際型號(hào)為T(mén)WINSCAN NXT:1980Di。2019年12月22日，武漢弘芯半導(dǎo)體舉行了首臺(tái)高端光刻機(jī)設(shè)備進(jìn)廠儀式，就是為了迎接這款光刻機(jī)。

數(shù)據(jù)來(lái)自ASML

從ASML官網(wǎng)的數(shù)據(jù)中我們可以看到，這款2015年推出的光刻機(jī)光源波長(zhǎng)為193nm，屬于DUV光刻機(jī)。且從官網(wǎng)的型號(hào)表上可以看到，這款光刻機(jī)并非“最優(yōu)秀”的DUV光刻機(jī)。

ASML官網(wǎng)上的一款EUV光刻機(jī)

要是想制造工藝尺寸更小的芯片，換光源是比較直接且立竿見(jiàn)影的辦法。因此國(guó)外為了阻礙我國(guó)尖端芯片制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，極力限制我國(guó)進(jìn)口波長(zhǎng)大致為13.5nm的EUV光刻機(jī)，但對(duì)于技術(shù)相對(duì)落后的DUV光刻機(jī)限制并不大。2020年3月4日，中芯國(guó)際從荷蘭ASML進(jìn)口的一臺(tái)大型光刻機(jī)已順利進(jìn)入深圳廠區(qū)，據(jù)悉此臺(tái)光刻機(jī)即為DUV光刻機(jī)。

關(guān)于武漢弘芯所謂的“7nm”光刻機(jī)的命名問(wèn)題，這款光刻機(jī)是否真的能做到7nm工藝呢?目前已有一家中國(guó)企業(yè)可以用同樣水平的DUV光刻機(jī)制造7nm工藝的芯片，這家中國(guó)企業(yè)名為：臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司。其中臺(tái)積電第一代7nm工藝N7和第二代7nm工藝N7P均采用了DUV光刻機(jī)制造，但是為了更好的性能，其第三代7nm工藝N7+則采用了更為先進(jìn)的EUV光刻機(jī)制造。

在這其中其實(shí)還有一些偷換概念的問(wèn)題，舉個(gè)例子：文森特·梵高是一名著名的畫(huà)家，他的畫(huà)作價(jià)格不菲，甚至有些畫(huà)作價(jià)值過(guò)億。不過(guò)梵高早年窮困潦倒，使用的畫(huà)筆也很普通，但這并不影響梵高用普通的畫(huà)筆創(chuàng)作出諸多優(yōu)秀的畫(huà)作。那么這時(shí)如果有一個(gè)人買(mǎi)到了梵高同款的普通畫(huà)筆，他就能成為梵高嗎?他就能創(chuàng)作出價(jià)值過(guò)億的畫(huà)作嗎?

光刻機(jī)只是半導(dǎo)體制造工藝的開(kāi)始，武漢弘芯已經(jīng)有了臺(tái)積電同款“畫(huà)筆”，那么武漢弘芯能否做出同款的“N7”和“N7P”呢?

偷換概念的“7nm”光刻機(jī)：業(yè)界原本的分類(lèi)

業(yè)界對(duì)于光刻機(jī)主要是根據(jù)其使用光源進(jìn)行命名和分類(lèi)。比如現(xiàn)在處于尖端地位的EUV(extreme ultra violet)光刻機(jī)，這類(lèi)光刻機(jī)使用了極紫外光作為光源。目前業(yè)界的EUV光刻機(jī)大多使用的是波長(zhǎng)為13.5nm左右的極紫外光。

另一種業(yè)界比較主流的光刻機(jī)就是DUV(deep ultra violet)光刻機(jī)了，這類(lèi)光刻機(jī)使用的是深紫外光作為光源。目前業(yè)界的DUV光刻機(jī)大多使用的是波長(zhǎng)為193nm的氟化氬準(zhǔn)分子激光(ArF excimer laser)或者波長(zhǎng)為248nm的氟化氪準(zhǔn)分子激光(KrF excimer laser)作為光源。

光刻機(jī)只是個(gè)開(kāi)始

相信大家都注意到了，市面上主流的DUV光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)只有193nm，而現(xiàn)在主流的芯片制造工藝都已經(jīng)到了14nm。如果要用193nm的光源刻出更細(xì)的線條，這還需要更多的技術(shù)支持。

我們可以通過(guò)這個(gè)公式來(lái)大致看一下193nm的光源能刻出的工藝分辨率，其中：

R，分辨率，比如90nm、65nm、45nm之類(lèi)。

λ，激光的波長(zhǎng)，現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)從248nm過(guò)渡到了現(xiàn)在最常用的193nm，還有更為先進(jìn)的13.5nm。

n，為介質(zhì)折射率，空氣約1，水約1.44。

NA，為數(shù)值孔徑，和鏡子大小，以及距離有關(guān)。

k1，系統(tǒng)常數(shù)，代指掩膜等相關(guān)技術(shù)。

所以通過(guò)這個(gè)公式我們可以大致計(jì)算出，在一般情況下193nm波長(zhǎng)的光源分辨率也就能做到60nm左右(相關(guān)系數(shù)取一般值，此結(jié)果僅供參考)。那么接下來(lái)的問(wèn)題就是如何突破這個(gè)所謂的“一般情況”了。

對(duì)此業(yè)界大體有兩種解決辦法,浸潤(rùn)式光刻和多重曝光。

浸入式光刻技術(shù)是在2000年初首先由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室亞微米技術(shù)小組提出，他們認(rèn)為在傳統(tǒng)光刻機(jī)的光學(xué)鏡頭與晶圓之間的介質(zhì)可用水替代空氣，以縮短曝光光源波長(zhǎng)和增大鏡頭的數(shù)值孔徑，從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為1.44:1如果用水替代空氣，相當(dāng)于193nm波長(zhǎng)縮短到134nm,如果采用比水介質(zhì)反射率更高的其液體，可獲得比134nm更短的波長(zhǎng)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是運(yùn)用了惠更斯原理，讓光從一種介質(zhì)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)，那么在分界點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)波源，向外發(fā)散子波。也就是說(shuō)在這個(gè)過(guò)程中光的波長(zhǎng)發(fā)生了改變，通過(guò)這種方式我們獲得了一個(gè)波長(zhǎng)更小的光源。

一種多重曝光的流程示意圖

另外一種技術(shù)就是多重曝光了，在圖中最上面是已經(jīng)經(jīng)過(guò)一次Patterning的保護(hù)層(綠色，如SiN)再加上一層光刻膠(藍(lán)色)。光刻膠在新的Mask下被刻出另一組凹槽(中間)。最后光刻膠層被去掉，留下可以進(jìn)一步蝕刻的結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將本應(yīng)一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來(lái)制作。比如要刻幾條等間距的線，單次曝光可能只能刻出間距100nm的線，那么這時(shí)候稍微再移動(dòng)大概50nm再刻一次，這時(shí)候線與線的間距就變成50nm了。

當(dāng)然除了浸潤(rùn)式光刻和多重曝光，還有很多技術(shù)可以幫助進(jìn)一步減小半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)鍵尺寸。

但是比起用各種技術(shù)優(yōu)化，直接更換光源會(huì)有較大的提升，即從波長(zhǎng)為193nm的DUV光刻機(jī)換成波長(zhǎng)大致為13.5nm的EUV光刻機(jī)。