9月份中共工信部發佈了《首台(套)重大技術裝備推廣應用指導目錄(2024年版)》,雖然這份清單包含了各種製造工具,但兩台光刻機尤其引人注目。其中一台光刻機的參數是:採用波長為193nm、套刻精度低於8nm的氟化氬(ArF)光源,可在12英寸晶圓上實現65nm的解像度。
一時之間,一些大陸輿論認為國產光刻機取得重大突破,甚至還有小粉紅誤以為套刻精度低於8nm,就可以生產8nm晶片。
套刻精度是指什麼?
作為光刻機的一個重要技術指標,套刻精度是指每一層曝光層之間的對準精度。
晶片製造過程是將多層的曝光圖案一層一層實現,並堆疊而成,而兩層之間需要精準對準,這就是套刻精度,並不是指能夠製造的晶片工藝製程節點。
台灣IC設計資深經理Brad Liao對大紀元表示,光刻機是用類似曝光顯影方式把圖案弄到晶圓上,一個晶圓生產出來至少有10到20層光罩,每一個光罩和另一層光罩之間要對準,最好是對得准準的、完全沒有誤差,但不可能,它一定有偏移,那個偏移量就是套刻精度。
「套就是某一層跟某一層把它對起來,套刻精度只是兩個光罩之間對準的好和壞,套刻的誤差越小,代表機台越先進。越精細對起來就要越准,不然的話,圖形本來就很細,只要稍微偏一點,可能不知道跑到哪裏去。」
大陸芯智訊報導,這次曝光的65nm解像度國產DUV光刻機,只是之前上海微電子90nm解像度國產光刻機的改良版,只能滿足55~65nm成熟製程晶片的製造需求,遠遠達不到28nm製程。
一位業內專家向芯智訊透露,雖然該光刻機的套刻精度為≤8nm,但只是出廠標準,在晶圓加工過程中還會帶來誤差,8nm的套刻精度,實際落在產品上可能就差不多11~12nm了,單次曝光最多只能做到55~65nm的水平。
如果要做多重曝光,套刻精度就需要足夠的高,8nm的套刻精度無法完成多重曝光。
Brad Liao表示,解像度是65納米,頂多可以做到65納米,最細的線大概做到65左右,再往下那個線都掛掉了。阿斯麥(ASML)公司可以做28納米的機台,套刻精度都是3.5納米以下,這種套刻精度才有辦法做28納米。
荷蘭ASML公司是全球唯一可以生產極紫外光刻機(EUV)的公司,目前已知有三個型號的浸沒式深紫外光刻機(DUV)禁止出售給中國。圖為2018年4月17日,ASML荷蘭總部實驗室。(Emmanuel Dunand/AFP)
大陸晶片商最早製造28nm製程晶片,基本都是採用了荷蘭ASML解像度達到≤38nm、套刻精度<3.5nm的NXT:1970i(浸潤式DUV)。
而量產28nm晶片則使用荷蘭更先進的ASML NXT:1980i,該機型套刻精度達到<2.5nm,可以進行多重曝光,可以實現7nm製程的製造。台積電第一代7nm製程,就是採用ASML NXT:1980i,經過多重曝光來做的。
這也是為什麼美國和荷蘭,一開始把光刻機對華出口限制給卡到了NXT:1980i以上,後面又把NXT:1970i和NXT:1980i限制出口,這兩款採用多重曝光,能夠實現先進制程能力。
距離國際水平差多遠?
這款國產光刻機距離國際先進水平還相差多遠呢?
實際上,荷蘭阿斯麥公司2006年推出的乾式DUV光刻機XT:1450的解像度,就已經達到了57nm,套刻精度為7nm。所以這款國產光刻機性能與ASML公司的技術實際差距超過18年。
需要指出的是,這款光刻機依然是乾式DUV光刻機,而非更先進的浸潤式DUV光刻機。
浸潤式光刻機理論上容易,但工程上實現相當麻煩。有着「浸潤式光刻機之父」之稱的林本堅,在台積電任職期間,單單一個浸液系統,團隊就耗時2年,修改了7~8回才實現突破。業內人士表示,浸潤式光刻機的研發難度之高,相當於在月球上用槍打到地球上的一個目標。
Brad Liao表示,大陸應該還沒有這個技術,因為從來他們沒有公佈過有浸潤式光刻機,但肯定有研發。浸潤式不是那麼簡單,相機或光學鏡頭都要泡在水裏,鏡頭在水裏動來動去,涉及到流體力學,水在怎麼流啊等等,真的不是很容易的事。
他介紹說,浸潤式的想法是台灣林本堅提出來的,剛開始只有少數人支持這個方向,其他人全部不支持,他們在開發過程中遇到種種困難,好不容易克服了困難終於做出來,從此之後ASML就獨大了。這個技術本身就很難,一旦有人突破了,裏面所有專利幾乎都是它的,要避開它的專利再重建非常難。
本次工信部公佈的數據,沒有具體說明這些機台的製造商,也沒有說明這些機器每小時可以生產多少晶圓。大陸業內人士稱,目前還沒有業內企業說見到了這個光刻機。
28nm光刻機被限或重創大陸晶片產業
9月初,荷蘭對外貿易和發展部長雷內特‧克萊弗(Reinette Klever)宣佈改變該國的出口管制,要求ASML申請許可證,才能向中國客戶銷售其1970i和1980i浸潤式深紫外(DUV)光刻機。
荷蘭政府的聲明表示,ASML還必須申請服務許可證,為之前出售給中國客戶的浸潤式光刻系統提供備件和軟件更新。這些系統目前已受到限制。
今年3月份,荷蘭已經對中國大陸裝運最先進的浸潤式DUV系統進行了出口管制,包括TWINSCAN NXT:2000i、TWINSCAN NXT:2050i。
在已經無緣最先進的EUV(極紫外)光刻機的情況下,DUV被認為對中國突破高端晶片關鍵工藝至關重要,此類禁令或將重創中國晶片產業。
Brad Liao表示,可以做到28nm的1970i和1980i,都是浸潤式的,這次要禁1970i和1980i,中共反應非常激烈。
「憑我印象,之前光刻機從來不放在工信部的公佈裏面,我也第一次聽到工信部公佈這個消息,就代表這件事不是小事,是一件大事。」
如果新禁令被嚴格執行,對中共晶片業有何影響?Brad Liao解釋說,1970i和1980i一旦禁了之後,基本上大陸技術就要退回到頂多65nm的階段,甚至可能跳回90nm了。如果用重複曝光當然是可以往下做,但良率就會掉到至少50%以下。
Brad Liao表示,在中國大陸很多技術像汽車晶片、長江儲存的記憶體都用到28nm,一旦1970i和1980i被禁的時候,他們的28nm產品全部都不行了。最先進的技術全部停頓,整個被迫往後退了五年、十年之前。
「只能整個是從頭再來,或跟國外買。但用好好的IC,直接用到另外一個IC,你要重新驗證,真的非常非常痛苦。」他說。