摘要:近日,网上有传闻称,上海微电子的“28nm光刻”(传闻型号为SSA800/10W)机没有通过02专项的国家验收,无法在2021年底完成,28nm光刻机卡住了“02专项”。该消息随后引发了众多网友的关注和热议。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

近日,网上有传闻称,上海微电子的“28nm光刻”(传闻型号为SSA800/10W)机没有通过02专项的国家验收,无法在2021年底完成,28nm光刻机卡住了“02专项”。该消息随后引发了众多网友的关注和热议。

其实早在2020年6月的时候,网上就曾传出过国产“28nm光刻机”即将在2020年年底交付的传闻,当时芯智讯根据某开发区发布的新闻稿当中也找到了相关的信息,称“到2020年产品将与整机单位共同完成28nm国产光刻机的集成工作”。但是,到了2020年年底,上海微电子的28nm光刻机并未入传闻那样实现交付。

而在今年的6月,网上又再度传出上海微电子的“28nm光刻机”将在2021年年底交付的传闻。可惜,截至到目前为止,仍未有确凿的消息显示,上海微电子的“28nm光刻机”能够在年底交付。

由此,网上出现“今年搞定28nm光刻机的目标已经失败了,上海微电子没有通过02专项的国家验收”的消息也不难理解。当然,这个消息是否真的属实,目前并没有官方的回应,即便该传闻属实,这个锅可能也并不能完全让上海微电子来背。

在下面开始这个话题之前,还是有必要进行一些简单的科普。

光刻机按照用途可以分为IC 前道光刻机、封装光刻机、面板光刻机以及 LED/MEMS/功率器件光刻机。而我们经常所说的光刻机,通常指的是IC前道光刻机。

另外,需要指出的是,网上关于“28nm光刻机”的说法是有误的,虽然网上很多人这么叫,其实际指的应该是可以被用于28nm芯片制造的光刻机,即193nm ArF浸润式DUV光刻机(这里的193nm指的是光源的光波长),而且使用该光刻机经过多次曝光可以支持7nm制程的芯片制造。

为了便于描述,下面就继续沿用“28nm光刻机”的说法。

三大巨头垄断光刻机市场,国产光刻机夹缝求生

在目前的光刻机市场,ASML、佳能以及尼康是最大的三家供应商,占据了全球99%的市场。其中ASML 在中高端光刻机市场更是一家独大,且是全球唯一家拥有可以被用于7nm以下工艺制程的EUV光刻机的供应商。近几年来,随着先进制程的持续推进,ASML凭借其独家拥有的售价超1亿美元的EUV光刻机,使得其在光刻机市场销售份额持续提升。

相比之下,中国虽然也有自己的国产光刻机厂商——上海微电子装备股份有限公司(SMEE),但是由于起步晚,再加上国外的技术封锁,使得其在技术上与国外存在着较大差距。

早在2002年,光刻机就被列入国家863重大科技攻关计划,上海微电子装备有限公司也由此成立。主要从事半导体装备、泛半导体装备以及高端智能装备的设计制造销售,其中光刻设备是公司的主营业务。

目前上海微电子的光刻机已可以应用于集成电路产业链中晶圆制造、封装测试,以及平板显示、高亮度 LED 等领域。资料显示,上海微电子直接持有各类专利及专利申请超过2400项。

据上海微电子官网介绍,其主要生产 SSX600 和 SSX500 两个系列的光刻机。其中,SSX600 系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术,以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术,可满足 IC 前道制造 90nm、110nm、280nm 关键层和非关键层的光刻工艺需求,该设备可用于 8吋线或 12 吋线的大规模工业生产。SSB500 系列步进投影光刻机不仅适用于晶圆级封装的重新布线(RDL)以及 Flip Chip 工艺中常用的金凸块、焊料凸块、铜柱等先进封装光刻工艺,还可以通过选配背面对准模块,满足 MEMS 和 2.5D/3D 封装的 TSV 光刻工艺需求。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

△上海微电子600系列光刻机

也就是说,目前上海微电子最先进的SSA600系列光刻机只能用于90nm制程的芯片制造。并且,上海微电子的光刻机的实际出货情况也并不理想。

根据亚化咨询数据显示,2020年所公开的招中标信息中,上海微电子已共计中标2台半导体用光刻机,将分别供应给上海积塔半导体和中芯绍兴。2021年1月,中标1台光刻机,供应给长江存储。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

今年7月,青岛新核芯科技有限公司半导体高端封测项目举行机台进场仪式,一台上海微电子的封装光刻机也正式搬入。不过这并不是应用IC前道的光刻机。

另据芯智讯了解,中芯国际此前也曾采购过一台上海微电子的SSX600系列光刻机,不过不知是何原因,该光刻机没有被应用到产线上。

有研究机构的统计资料显示,2020年全球光刻机总销售量为413台。其中ASML销售258台占比62%,佳能销售122台占比30%,尼康销售33台占比8%。按照销售额来计算的话ASML的份额高达91%,佳能只有3%、尼康也仅有6%。

显然,在这个统计数据当中,根本都没将上海微电子统计进去。即使将上海微电子的2020年可查到的2台光刻机的出货算进去,占比也确实可以忽略不计。

光刻机是系统工程,需要成百上千家供应商的共同努力

在中美科技战、贸易战的背景之下,中国半导体产业被美国“卡住了脖子”,而这其中最为关键的一环就是半导体设备,华为就是因为台积电、中芯国际等晶圆代工厂被美国禁止利用基于美国技术的半导体设备为华为代工,直接导致了华为自研芯片的断供。

而在众多的半导体设备当中,光刻机可谓是最为关键的设备。但是,造光刻机并不是一件简单的事情,系统集成只是一方面,更为关键的是,其中需要用到非常多的关键器件,而这并不是一家或几家厂商就能搞定的。

即便是国产光刻机龙头上海微电子,其自2002年成立至今也有了近20年的光刻机研发历史,但是其已量产的90nm光刻机也仅仅是ASML十多年前的水平。而这样一款并不先进的90nm光刻机,其内部结构也是非常之复杂,很多关键器件也都是由第三方供应的。

上海微电子总经理贺荣明曾表示:“SMEE最好的光刻机(90nm分辨率的光刻机),包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。像欧洲冠军杯决赛,任何一个人发挥失常就要输球。”

而ASML先进的EUV光刻机则拥有超过10万个零件,涉及到上游5000多家供应商。这些零部件极为复杂,对误差和稳定性的要求极高,并且这些零件几乎都是定制的,90%零件都采用的是世界上最先进技术,85%的零部件是和供应链共同研发,甚至一些接口都要工程师用高精度机械进行打磨,尺寸调整次数更可能高达百万次以上。

总结来说,光刻机可以算是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,其中包括上万种精密零部件,而且结合了光学、流体力学、表面物理与化学、精密仪器、自动化、高分子物理与化学、软件、机械、图像识别等多个领域的尖端知识。可以说,全世界没有一家企业,甚至可以说没有一个国家可以独立完成高精密半导体前道光刻机的完整制造。

上海微电子本身起步就晚,而且不论是在人员数量、营收规模,还是研发投入上,与ASML都有着巨大的差距。要想缩短与ASML的差距,这并不仅仅只是提升自身的系统集成能力就能够实现的,还需要配套的上万个零部件的制作水平跟上,这也就需要成百上千家的零部件供应商的共同努力。

但是,由于《瓦森纳协定》的限制,上海微电子很难从国外进口用于生产高端光刻机的部件,因此在核心器件上只能依靠国产供应商。

根据网上公开的一些资料,可以将目前上海微电子光刻机各子系统拆分如下:

上海微电子负责光刻机设计和总体集成,北京科益虹源提供光源系统,北京国望光学提供物镜系统,国科精密提供曝光光学系统,华卓精科提供双工作台(上海微电子也在自研),启尔机电提供浸没系统。

中国半导体前道光刻机供应链情况:

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

国产“28nm光刻机”到底卡在了哪?

正如前面所提到的,光刻机涉及到非常多的零部件,其中上海微电子主要是负责系统集成工作,更多的核心零部件则都是由其他的国产供应商来供应。只要其中一个核心部件没有搞定,那么“28nm光刻机”就难以成功。

而在02专项光刻机项目二期中,设定的时间为:2021年验收193nmArF浸没式DUV光刻机,对标产品为ASML 2018年推出的DUV光刻机:TWINSCAN NXT:2000i。

资料显示,TWINSCAN NXT:2000i 包括一个 1.35 NA(NA是指投影透镜的数值孔径)193 nm 折反射投影镜头,可实现低至 40 nm(C-quad)和 38 nm( (dipole) )的生产分辨率,以及支持完整 26 x 33 mm 视场尺寸。主要面向7nm逻辑及先进制程DRAM节点。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

虽然上海微电子目前的SSA600系列光刻机能够用于IC前道90nm关键层的制造,似乎看上去与28nm差距并不是太大,都是用的193nm ArF光源,但是实际上,要对标TWINSCAN NXT:2000i,不仅仅要增加浸润单元,而且四大子系统也都要进行大幅度的升级。

从以下公式可以看到,光刻分辨率(R)主要由三个因数决定,分别是光的波长(λ)、镜头半孔径角的正弦值(sinθ)、折射率(n)以及系数k1有关。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

在光源波长及k1不变的情况下,要想提升分辨率,则需要提升n或者sinθ值。由于sinθ与镜头有关,提升需要很大的成本,目前sinθ已经提升到0.93,已很难再提升,而且其不可能大于1。所以提升n就显得更为现实。

因此,在193nm浸没式光刻机中,需要增加浸润单元,即利用超纯水替换透镜和晶圆表面之间的空气间隙(水在193nm波长时的折射率n=1.44,空气为1),使得光源进入后波长缩短,从而提升分辨率。

另外,在半导体光刻过程中,除了光刻分辨率之外,焦深(DOF)也至关重要,大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围,提高光刻的质量。而焦深则主要是通过提升NA来改进。

所以,对于193nm浸没式光刻机来说,由于增加了浸润单元,所以增加了这部分的设计,同时由于要保持光源经过浸润单元到晶圆的能量不变,所以需要加大光源的功率,需要使用60W 6kHz ArF光源;另外,光学系统数值孔径需要变大,由原来90nm光刻机的NA 0.75提升到NA 1.35,这其中需要加入具有特别构造的镜片;运动平台速度也要更快。最终可以使得光刻机整体的分辨率提升到了38nm。

可以说,相比之前的90nm光刻机,上海微电子的“28nm光刻机”的提升是属于“大跃进”级别的。

从目前来看,如果上海微电子的“28nm光刻机”确实遭遇了难题,那么除了上海微电子自身的系统集成问题之外,浸润单元或者关键子系统可能也没完全准备好。

在193nm浸没式光刻机所需光源系统方面,主要由中科院光电研究院负责准分子激光光源系统研发,由北京科益虹源负责产业转化。科益虹源也承担了“02重大专项浸没光刻光源研发”、“02重大专项核心零部件国产化能力建设”、“02重大专项集成电路晶圆缺陷检测光源”项目。有消息显示,此前国产40W 4kHz ArF光源已经交付,不过“28nm光刻机”所需的60W 6kHz ArF光源似乎仍在研发攻关当中。

在曝光光源系统方面,2018年3月3日,由国科精密承担的国家科技重大专项“高NA浸没光学系统关键技术研究”项目在上海通过了任务正式验收,会议要求全力做好28nm节点ArFi光刻机曝光光学系统研制。

在浸液系统方面,主要由浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和浙江启尔机电负责,2018年底,浙江启尔机电总投资5亿元的“光刻机浸液系统产品研制与中试基地”在杭州青山湖封顶,该项目主要研究光刻机浸液系统,目前已经完成建设。

浸液系统技术长期以来一直被荷兰和日本垄断,光刻机主要以荷兰ASML,日本Nikon和日本Canon三大品牌为主。该项目研发成功后将推动国产光刻机一举超越Nikon和Canon的光刻机,成为全球光刻机生产企业第二名。

在物镜系统研发方面,主要由中科院长春光机所(现北京国望光学)负责。投影物镜是精密光学部件,直接决定着曝光的成像质量,必须保证投影物镜在工作状态中的高度稳定。此前NA 0.75光刻机曝光光学系统已经通过02专项验收,满足90nm级ArF干式光刻机的需要。

但是浸没液体相比于传统气体介质具有较高粘度,粘性力的增强,使得压力驱动下浸没液体对投影物镜的作用力将变得越来越不可忽视。作用在物镜表面的应力如果过大将使物镜产生变形和位移,并引起双折射与光路失真,如缺乏有效控制,将造成曝光成像的缺陷。目前国内在NA1.35浸润式物镜系统的研发上进展如何尚不清楚。

在双工件台方面,资料显示,2016年由清华大学(主要依托华卓精科)承担的02专项“光刻”双工件台系统样机研发”项目通过了内部验收。2018年9月21日,华卓精科收到国家科技重大专项财政资金1.39亿元,用于“浸没式光刻机双工件机台产品研制与能力建设”和“浸没双工件台平面光栅位置测量系统研发”。

华卓精科的招股书显示,华卓精科还对双工件台技术进一步进行纵向延伸,突破了当前业内先进的六自由度磁浮微动台技术,实现了对微动台高阶柔性模态的抑制,使其运动精度优于2nm,大大提高了双工件台的分辨率。

有消息显示,2019年底,华卓精科的浸没式光刻机双工件机台已经刚通过了02专项的CDR里程碑评审,研发和试产基地也完成了建设。

国产“28nm光刻机”又跳票?到底卡在了哪里?-芯智讯

△此前网上曝光的据称是上海微电子的28nm光刻机双工件台曝光系统的操作控制界面

总的来说,就已有的信息来看,国产“28nm光刻机”几大关键的部件的似乎并未完全搞定,也没有全部通过02专项的验收,所以作为主要负责“28nm光刻机”系统总成的上海微电子自然也难以在今年年底实现“28nm光刻机”项目验收和交付。另外前期对于项目进展预期过于乐观、研发投入相对不足,以及各个关键部件的研发完全独立、缺乏紧密协作,也可能是导致项目进度未能如期的一大原因。

编辑:芯智讯-浪客剑

部分资料来源:芯智讯过往文章、《浸没式光刻机浸液流动特性及其对物镜影响分析》、半导体前沿、知乎、ASML官网