掌握了国内唯一半导体光刻工艺在晶体技术应用

曹欣欣

ASML的崛起

苹果自研芯片的实力有目共睹。从移动端用的A系列到电脑端用的M系列，碾压同期所有竞品。近日有消息称，苹果计划最快于2023年推出TSMC制造的3nm Mac芯片，即第三代苹果硅芯片，内部代号为“伊比沙岛”、“洛沃斯”、“帕尔马”。在半导体制造中，3 nm技术是继5 nm MOSFET技术节点之后的下一个技术。三星和TSMC已经宣布计划将3纳米半导体节点投入商业生产。它基于GAAFET(通用栅极场效应晶体管)技术，这是一种多栅极MOSFET技术。

半导体晶圆(基板)上烧制电路的光刻工艺是半导体制造过程中最重要的工艺之一，因此也成为近年来科技公司争夺的“技术高地”。

总部位于荷兰的ASML (ASML)公司拥有绝大多数光刻设备。根据彭博的数据，世界上最大的五家半导体设备制造商是应用材料(AMAT)、ASML (ASML)、TEL、Lam Research和KLA。这五家半导体厂商凭借领先的技术和强大的资金支持，占据了全球半导体设备制造业70%以上的份额。

1984年，电子巨头飞利浦和芯片机器制造商（ASMI）创建了一家新公司AMSL，目的是为了满足不断增长的半导体市场而开发光刻系统。当时办公室尚在母公司的空地一旁的木屋内，仅有百余人陆续加入，同年推出第一个系统——PAS 2000步进机。

工程师在ASML一培训中心使用 EUV 光刻机1984年，电子巨头飞利浦和芯片机器制造商(ASMI)成立了一家新公司AMSL，旨在开发光刻系统以满足不断增长的半导体市场。当时办公室还在母公司空旁边的木屋里，只有一百多人陆续加入。同年，第一台系统——pas 2000步进机上市。工程师在ASML培训中心使用EUV光刻机

1988年，飞利浦在中国台湾省建立合资工厂后，ASML开始进入亚洲市场。ASML并非一帆风顺，在20世纪80年代和90年代也经历过破产危机。几经挣扎，拿到了IPO的投资，推出了突破平台PAS 5500，才得以翻身。1995年，ASML成为一家完全独立的上市公司，在阿姆斯特丹和纽约证券交易所上市。

2010年，首个极紫外(EUV)光刻工具原型(NXE:3100)标志着光刻新时代的开始。EUV光刻术使用更短波长的光来制造更小的芯片，从而产生更快更强大的芯片。2021年，ASML已经成为绝对的霸主。预计年交付量将达到45至50台。目前ASML出货的光刻机主要有NXE:3400B和改进的NXE: 3400C，两者基本结构相同，但NXE: 3400C采用模块化设计，维护更方便，平均维护时间会从48小时缩短到8 ~ 10小时，支持7nm和5nm。掩模对准器中的痛点和困难

从技术上讲，光刻设备本身就是一个投影曝光系统，由紫外光源、光学透镜、对准系统等部件组成。在半导体制造过程中，光刻设备投射出一束光束，该光束穿过印有图案的光掩模和光学透镜，将电路图曝光在带有感光涂层的硅片上。暴露或未暴露的部分被蚀刻以形成沟槽，然后被沉积、蚀刻和掺杂以构建不同材料的电路。

在这个过程中，数十亿个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或其他晶体管构建在硅片上，形成通常所说的集成电路。光刻在整个芯片制造过程中非常重要，决定了半导体电路的纳米级加工程度。对光刻机的技术要求非常严格，对误差和稳定性的要求极高。相关部件需要集成材料、光学、机电等领域的最先进技术。因此，光刻机的分辨率和精度成为其性能的评价指标，直接影响芯片的工艺精度、功耗和性能水平。

光源的改进让光刻机经历了四五代。到达28nm工艺节点后，单次曝光图形的间距无法进一步提高。业界开始采用多次构图(多次曝光和蚀刻)技术来提高图案密度。但该技术引入的掩膜增加了生产工艺，导致成本大幅增加，良品率无法保证。

浸没式光刻是7nm之后的下一代工艺节点，很难再发展。EUV(极紫外光刻)成为解决这一问题的关键。目前EUV光刻机光源主要采用准分子激光照射tin等靶材激发13.5nm光子作为光刻机光源。

EUV光刻机将在各大厂商7nm以下的最先进工艺中使用，其中三星已经在7nm节点采用。目前只有ASML能提供量产的EUV光刻机。自20世纪70年代以来，中国的掩模光刻机技术由清华大学精密仪器系、中国科学院光电技术研究所和中电科45个研究所共同开发。目前，国内制造商只有上海微电子(SMEE)和中国电子分公司(CETC)拥有的电气设备。其中SMEE量产性能最好的是90nm(193 ArF)光刻机，远远落后于国际水平。

即使不同的国家在探索光刻机方面有不同的进展，但这项技术的极限正在逼近，因为硅的极限约为1纳米。要想超过1纳米，就得换材料。但是，在目前已经发现的材料中，没有比硅更合适的了。很难超过1nm，那么达到1nm呢？目前芯片内部线宽窄至3 nm时，电路中用于导通的铜线间距过小，就会发生短路。光刻预处理和后处理领域的专利

除了光刻机技术的发展，半导体芯片制造过程中还有不同的专利，这是我国光刻机发展必须重视的。半导体制造过程分为在圆形衬底上制造大量电路的前过程和将衬底上形成的电路切割成块并组装它们的后过程。

在光刻前后处理领域，我们的邻国日本发挥了相对稳定的优势。从2006年到2018年的累计数据来看，在42646份申请中，有18531份(占比43.5%)申请人为日本国民，大幅超过韩国和美国的7000多份。

另一方面，按申请人的国家和地区来看，2012年，美国的专利申请量超过了日本，此后美国一直保持第一。根据2018年提交的专利申请，美国之后是中国大陆、台湾省和南韩。一些分析师认为，这导致了日本在世界半导体产量中所占份额的下降。日本在光刻设备领域落后于ASML，但拥有前处理和后处理技术的日本半导体制造设备公司在世界上保持着很高的地位。不仅是制造设备，在光刻胶等原材料领域也是如此。

从单个申请人来看，东京电力科学技术(TEL)每年稳定申请约400项，2006年至2018年共申请5196项，占总数的12.1%。东京电力科技(TEL)在涂布和显影设备领域拥有超过80%的全球份额，这些设备在半导体基板上涂布光致抗蚀剂，并用光刻设备烧制后显影电路。

在日本企业优势突出的光刻前后处理技术领域，其他企业也在加速追赶。最大半导体代工企业台积电（TSMC）的专利申请数量近年来出现激增。在中国大陆企业中，半导体代工企业中芯国际集成电路制造（SMIC）近年来申请数量为250项，闯入前10位。世界半导体制造设备协会（SEMI）的预测显示，2021年的半导体制造设备市场规模将比2020年增长34%，增至953亿美元，到2022年有望超过1000亿美元。

光刻设备的前后工序包括光刻胶（感光树脂）的涂布、显影和剥离等工序在日企优势突出的光刻前后处理技术领域，其他企业也在加速追赶。最大的半导体代工公司TSMC的专利申请数量近年来激增。在中国大陆的企业中，半导体代工企业SMIC近年来提出了250项申请，闯入前10名。世界半导体制造设备协会(SEMI)的预测显示，2021年半导体制造设备市场规模将比2020年增长34%，增至953亿美元，预计到2022年将超过1000亿美元。光刻设备的前后工序包括光刻胶(光敏树脂)的涂敷、显影和剥离。