中国突围ASML垄断？中科院研发者发声回应

莫冰静

这是光刻过程中一项细分技术领域的突破，但不是中国光刻机突围


文 | 陈伊凡
编辑 | 谢丽容
今年 7 月，在中国科学院官网上发布了一则研究进展，中科院苏州所联合国家纳米中心在《纳米快报》（Nano Letters）上发表了题为《超分辨率激光光刻技术制备 5 纳米间隙电极和阵列》（5 nm Nano gap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究论文，介绍了该团队研发的新型 5 纳米超高精度激光光刻加工方法。


该论文发表在《纳米快报》（Nano Letters）。图截自 ACS 官网
消息一经发出，外界一片沸腾，一些媒体称此技术可以 " 突破 ASML 的垄断 "、" 中国芯取得重大进展 "，" 中国不需要 EUV 光刻机就能制作出 5 纳米制程的芯片 "。
该论文的通讯作者、中科院研究员、博士生导师刘前告诉《财经》记者，这是一个误读，这一技术与极紫外光刻技术是两回事。
极紫外光刻技术解决的主要是光源波长的问题，极紫外光刻技术（Extreme Ultra-violet，简称：EUV），是以波长为 10-14 纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。
集成电路线宽是指由特定工艺决定的所能光刻的最小尺寸，也就是我们通常说的 "28 纳米 "、"40 纳米 "。 这个尺寸主要由光源波长和数值孔径决定，掩模上电路版图的大小也能影响光刻的尺寸。目前主流的 28 纳米、40 纳米、65 纳米线宽制程采用的都是浸润式微影技术（波长为 134 纳米）。但到了 5 纳米这样的先进制程，由于波长限制，浸润式微影技术无法满足更精细的制程需要，这是极紫外光刻机诞生的背景。
而中科院研发的 5 纳米超高精度激光光刻加工方法的主要用途是制作光掩模，这是集成电路光刻制造中不可缺少的一个部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。目前，国内制作的掩模版主要是中低端的，装备材料和技术大多来自国外。
刘前对《财经》记者说，如果超高精度激光光刻加工技术能够用于高精度掩模版的制造，则有望提高我国掩模版的制造水平，对现有光刻机的芯片的线宽缩小也是十分有益的。这一技术在知识产权上是完全自主的，成本可能比现在的还低，具有产业化的前景。
但是，即便这一技术实现商用化，要突破荷兰 ASML（阿斯麦）（NASDAQ:ASML）在光刻机上的垄断，还有很多核心技术需要突破，例如镜头的数值孔径、光源的波长等。
如果把光刻机想象成一个倒置的投影仪，掩模就相当于幻灯片，光源透过掩模，把设计好的集成电路图形投影到光感材料上，再经蚀刻工艺将这样的图形转移到半导体芯片上。


示意图：电路设计图首先通过激光写在光掩模版上，光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面。
通常，每一个掩模版的版图都不一样，制作一枚芯片常常需要一套不同的掩模版。掩模版制作要求很高，致使其价格十分昂贵，如一套 45 纳米节点的 CPU 的掩模版大概就需要 700 万美元。如今，随着产品的个性化、小批量趋势，致使掩模版的价格在整个芯片成本中急速飞升。
高端掩模版在国内还是一项 " 卡脖子 " 技术。在半导体领域，除了英特尔（NASDAQ:INTC）、三星（PINK:SSNLF）、台积电（NYSE:TSM）三家能自主制造外，高端掩模版主要被美国的 Photronics（NASDAQ:PLAB）、大日本印刷株式会社（DNP）以及日本凸版印刷株式会社（Toppan）（PINK:TOPPY）三家公司垄断，根据第三方市场研究机构前瞻产业研究院的数据，这三家公司的市场份额占到全球的 82%。


数据来源：前瞻产业研究院
制图：陈伊凡
而且，这一技术如今尚在实验室阶段，要实现商用还有很长的路要走。ASML 从 1999 年开始研发极紫外光刻机，到 2010 年才出了第一台原型机，2019 年第一款 7nm 极紫外工艺的芯片才开始商用，前后花了 20 年时间。这是一个技术从实验室走向商用所必须付出的时间成本。
半导体产业发展 60 多年，摩尔定律基本得以实现的关键就在于光刻机能不断实现更高分辨率，在单位面积芯片上制造更多的晶体管，提高芯片的集成度。如果没有光刻机，就没有芯片先进制造可言。根据第三方市场研究机构前瞻产业研究院数据，2019 年全球光刻机市场 74% 被荷兰的 ASML 公司垄断。ASML 也是如今全球唯一一家能够量产极紫外光刻机的公司。


数据来源：前瞻产业研究院
制图：陈伊凡
如何突破层层专利保护，也是要实现制造完全自主的光刻机的难点之一。极紫外光刻技术领域就像一个地雷密布的战场，ASML 通过大量专利和知识产权保护，垄断该技术。
一直以来，业界都在尝试另一条技术路线，例如华裔科学家、普林斯顿大学周郁在 1995 年首先提出纳米压印技术，目前仍无法突破商用化的困境。
并且，极紫外光刻机能够成功商用，并非仅靠 ASML 一家之功，它更像是一个集成创新的平台，其中有将近 90% 的核心零部件来自全球不同企业，ASML 通过收购，打通了上游产业链，例如德国卡尔蔡司、美国硅谷光刻集团的激光系统、西盟科技的紫外光源。目前没有一个国家能够独立自主完成光刻机的制造，中国以一国之力，短期内要突破 ASML 在极紫外光刻技术上的垄断，几乎是不可能的事情。