首先得有，28nm/65nm突破爲何被工信部列爲“重大技術”
01
從0到1，國產光刻機尋光之旅
民衆熱切期盼國產光刻機技術取得突破，這一願望源於對國產芯片擺脫外部制約的強烈渴望。對於這一現代半導體工業集大成的領域，國產光刻機究竟走到哪一步了？
“在西方技術層層封鎖下，國產8納米光刻機橫空出世！”“工信部官宣14nm國產光刻機，距離ASML的EUV光刻機還有多遠？”
日前，工信部正式發佈了《首臺重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024年版）》，該目錄詳細列出了國產光刻機的最新動態，這引發了許多人的極大關注和興奮。這一次是官方點名，不同於廠商自賣自嗨的新聞通稿發佈會。
清單中列出了兩種國產光刻機，一種是氟化氪光刻機，另一種爲氟化氬光刻機，後者的參數的曝光在網上引發了一陣熱議，因爲它的照明波長達到了193nm、且分辨率爲65nm，優於上海微電子600系列的90nm。同時，該光刻機的套刻精度達到≤8nm。
氟化氬光刻機參數曝光引發網絡熱議
在氟化氬光刻機的信息發佈之後，網絡上卻出現了各種不同的聲音，有說我國8nm光刻機取得突破的，也有分析14nm/28nm光刻機取得突破的，當各種說法在短時間內涌現時，氟化氬光刻機究竟是怎樣的存在呢？
這裡大家其實應該首先了解“套刻精度達到≤8nm”的含義，光刻機的套刻誤差(Overlav)描述的是光刻上一層圖案與下一層圖案之間的對齊精度，對晶體管性能、集成電路良率等具有重大影響。
半導體制造是數十上百層薄膜堆疊的過程，需要多次光刻實現不同層的圖案化，因此每一層的光刻都需要與其前一層進行精準的對齊，以保證上下層薄膜圖案的相對位置與設計位置相吻合，套刻精度就是描述光刻設備這一性能的參數指標。
半導體制造中套刻誤差示意圖
製程越先進，對套刻精度的要求越高。隨着特徵尺寸越來越小，所允許的套刻誤差也將隨之縮小，以保證良好的相對對齊精度。
此外，隨着製程越發先進，薄膜層數也隨之提升，套刻誤差累計更加嚴重，對套刻精度的要求更高。
需要說明的是，套刻精度與製程工藝是兩碼事，新光刻機的套刻精度小於8納米，不意味着能夠量產8納米工藝製程的芯片，實際上也不存在所謂的8納米制程工藝芯片，不少人認爲套刻精度與量產工藝節點大約有1:3的關係。
因此，儘管目前國產光刻機的套刻精度達到了8納米，但這並不意味着可以直接生產8納米制程的芯片，而是可能更適合於28納米或更寬泛的應用範圍。具體到芯片方面，以國際半導體技術路線圖對套刻誤差的要求爲例，“套刻精度達到≤8nm”足以滿足DRAM器件、Flash器件等存儲相關芯片光刻環節的需要。
國際半導體技術路線圖對套刻誤差的要求
02
官宣國產光刻機是什麼水平？
“套刻精度達到≤8nm”讓氟化氬光刻機滿足存儲芯片光刻需求，那其整體性能同ASML光刻機相比，又處於怎樣的地位呢？這裡還是得從氟化氬光刻機官宣的參數談起——波段193納米，分辨率65納米，套刻≤8納米。
光刻是指在特定波長光線的作用下，將設計在掩膜版上的集成電路圖形轉移到硅片表面的光刻膠上的技術工藝。通俗來講，它採用類似照片沖印的技術,將電路圖形轉移到硅片或介質層上，以實現電路圖形的刻畫和複製。
光刻機的工作原理是採用波長爲 2000~4500 埃的紫外光作爲圖像信息載體，以光刻蝕劑爲中間(圖像記錄)媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質層上的一種工藝。
一般光刻工藝的基本步驟
光刻環節直接決定芯片的製成水平和性能水平，耗時佔整個製造環節的一半，成本佔據芯片生產的三分之一。一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續塗膠、曝光。
越複雜的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。而光刻機歷經五代衍變的過程中，縮短光源波長成爲其性能突破的關鍵。
20世紀六七十年代，接觸式光刻技術被用於IC製造的初期，採用可見光作爲光源;80年代改用高壓汞燈產生的紫外光(UV)，g線和i線是紫外光中能量較高的譜線，365nm的i-ine可將最高分辨率推動至220nm;80年代中期，IBM/Cymer等公司開始研發深紫外(DUV)準分子激光，最高分辨率降低至KrF(110nm)和ArF(65nm)採用ArF光源的第四代光刻機是目前應用最廣泛的一代。隨着工藝節點發展到7nm及以下，20世紀初期產業聯合研發第五代EUV光刻機，使用13.5nm的極紫外光，比DUV光短14倍以上。
而在《首臺重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024年版）》中的國產氟化氬光刻機本身均屬於光刻技術中的第四世代——ArF乾式光刻機，算是DUV光刻機的一個重要分支。
光刻機分類及演進歷程
縮短光源波長是提高分辨率最直接的方法，但光源發展到ArF(193nm)時，下-代光源推進速度放緩，巨頭開始將目光轉向提高數值孔徑，並出現了F2(光源演進)與ArF+immersion(增大NA，瑞利公式中的NA參數，指物鏡的數值孔徑)的路線之爭。
當下增大NA主要有兩個方法，一是增加投影物鏡的直徑，使更多的行射光被收集並聚焦在晶圓表面，從而提高數值孔徑。但當線寬小於65nm時，由於射出投影物鏡的光角度太大(接近水平)，加上折射效應，光線無法聚焦，該方法就會失效；另一個則是採用浸沒式光刻，在投影物鏡和晶圓間加水，從而增大介質折射率(193nm波長激光中，空氣=1，水=1.44，玻璃~1.5)，實現等效波長爲193/1.44=134nm
目前NA最大爲1.35(ASML的溼法DUV)，EUV光刻機正在從0.33NA向0.55NA突破。< span>
浸沒式光刻技術原理簡析
DUV光刻機想要生產更先進製程芯片，除了浸沒式外，就必須突破多重曝光技術的瓶頸。多重曝光將原本一層光刻的圖形拆分到多個掩模上，利用光刻Litho和刻蝕Etch實現更小製程。
1.35NA的浸沒式DUV分辨率約38nm，單次曝光能滿足28nm邏輯節點，在2015年EUV光刻機量產之前，臺積電最先進製程已發展到16/12nm，實現手段便是多重曝光技術。
當製程微縮至10nm及以下時，浸沒式DUV多重曝光的工藝複雜度急劇上升。ArF+雙重曝光廣泛用於22/20/16/14nm，三重或多重光刻技術可達到10nm甚至7nm。臺積電第一代7nm工藝N7便是用浸沒式DUV+多重曝光實現的，但大幅增加了光刻、刻蝕、沉積等工藝的使用，對工藝整合的挑戰巨大，也增加了良率損失的風險。
假如完全採用浸沒式DUV實現7nm，需要進行34步光刻工藝及59-65步的對準套刻;作爲對比，完全採用EUV實現7nm，僅需要9步光刻及12步關鍵對準套刻，且成像質量更高，三星表示用EUV能減少超過20%的相對缺陷。
當然，國產氟化氬光刻機並未透露其具體在多重曝光技術上的表現，這爲人們提供了不少想象空間，不過通過其他一些參數比較，目前主流的聲音是我國這臺氟化氬光刻機可以同ASML的1460k光刻機進行比較。
國產氟化氬光刻機可參考ASML機型
值得注意的是，儘管分辨率相近，但ASML的1460k光刻機在套刻精度上達到了5納米，展現了更高的製造精度。而ASML的另一款幹型光刻機1470，分辨率略爲57納米，所以新官宣的國產光刻機在第四世代中屬於較爲先進的範疇，與全球最頂尖的技術水平相比仍存在一定的差距。
總體而言，光刻機作爲高壁壘、重資本、高風險的行業，在當前海外對華制裁的背景下，光刻機是被限制的重點，國產化是唯一選擇，也是我國半導體產業崛起的關鍵一環。
03
非最先進但很基礎
28nm/65nm國產化意義重大
如果光刻工藝製程來說，28nm稱得上是一個臨界點，在此之下的製程，比如5nm/7nm/10nm都可以稱之爲先進製程，這也是大多數消費端用戶最爲熟知的領域，因爲我們天天都在使用的手機、電腦芯片目前都是先進製程下的產物，而這也會讓人產生一種自然而然的理解：只要不是先進製程的芯片，就是已經過時的芯片。但事實其實沒有這麼簡單，因爲並不是世界上所有科技工業都需要最先進的工藝。
先進製程芯片主要用於高性能計算、高端智能手機處理器等對性能要求極高的領域，這些產品通常面向高端市場，製造難度大、良品率低且長期處於供不應求的狀態，所以成本往往居高不下。
但不是所有終端產品都需要高性能，事實上除了手機和個人電腦，大多數的科技終端產品對工藝的先進程度並不太敏感，它們有的需要更高的穩定性，有的需要更低的發熱量，有的則需要更合理的成本……
成熟製程佔比始終保持在七成左右
從產能需求來看，根據TrendForce發佈的市場報告顯示，直到2027年，全球晶圓代工市場成熟製程及先進製程的產能比重大概維持在7:3左右。
而且任何事情都是一步一個腳印走出來的，半導體工藝也是如此，我們不可能直接就憑空變出一臺EUV光刻機，所以先從技術門檻相對較低、終端普及面更大的成熟製程入手是非常合理的選擇。
在我國，65nm和28nm製程芯片的用途就很廣，像中小容量的存儲芯片、模擬芯片、MCU、電源管理芯片、模數混合芯片、CMOS傳感器、傳感器等主要採用成熟製程，比如在智能汽車領域，車規級芯片幾乎就不需要先進製程，用成熟製程來製造能更好地確保穩定性。
以MCU芯片爲例，汽車的ESP車身電子穩定系統和ECU電子控制單元等都需要用到這種芯片，它主要由8英寸晶圓生產，芯片的製程普遍在45~130nm之間，考慮到新能源車的半導體器件數量遠超傳統燃油車，預計到2025年，我國新能源汽車出貨量將達到500萬輛，這就需要大量成熟製程半導體器件支持。
目前國內的MCU工藝可以完整覆蓋成熟製程
而在家用電器領域，如電視、空調、冰箱等，成熟工藝的芯片性能完全夠用，功耗、成本、可靠性方面有着很好的平衡。至於工業控制領域，許多工業設備和控制系統也不需要最先進的芯片技術，成熟工藝的芯片可以在性能和成本效益之間做出最好的均衡。
除此之外，新一代通信技術、安防、雲計算等領域的快速發展，射頻、功率半導體等使用成熟製程的芯片需求量也持續增高，而這些領域也都在主推可控可信、國產替代，所以國產光刻機發力成熟工藝，現實意義很明確。
03
AI芯片需求激增
國產芯片奮力直追
目前的芯片需求發力點集中在人工智能領域，作爲目前幾乎全球科技產業共同認可的新方向，人工智能的全行業賦能也意味着算力會出現大面積的缺口。而國產AI芯片在近年來取得了顯著的發展，但與國際頂尖水平相比仍存在一定的差距。
目前的AI芯片主要分爲GPU、FPGA、ASIC等類型，其中GPU作爲通用型算力芯片，在AI市場用量最大，目前由英偉達與AMD主導，國內代表企業包括海光信息、景嘉微、燧原科技等。
FPGA爲半定製芯片，具備低延時，開發週期短等特性，與GPU相比，其適用於多指令，單數據流的分析，而不適合複雜算法的計算，主要用於深度學習算法中的推理階段，美國的賽靈思和英特爾是該領域翹楚，國內代表企業包括百度崑崙芯、深鑑科技等。
ASIC爲全定製型AI芯片，在功耗、可靠性、 集成度等方面具備優勢，主流產品包括流TPU芯片、NPU芯片、VPU芯片以及BPU芯片等，國外代表廠商包括谷歌、英特爾等，國內代表廠商包括華爲、阿里巴巴、寒武紀、地平線等。訓練芯片主要用於構建和優化AI模型，而推理芯片則用於運行已經訓練好的模型進行實際任務處理。
國產AI芯片已經開始起步，但差距必須正視
目前，因爲AI芯片因爲沒有列入管控範圍，所以國產AI芯片主要還是採用包括14nm、7nm及以下等先進製程，比如百度崑崙芯採用了14nm和7nm製程工藝，而阿里平頭哥則在臺積電下單了7nm以下先進製程的訂單。
很顯然，這些領域並不是目前國產供應鏈可以完全自給自足的，哪怕國產AI芯片在技術上取得了一定進展，但與英偉達等國際大廠相比，在性能、生態等方面仍存在較大差距，這個問題我們必須正視，不能盲目“打雞血”。
而且理性來看，國內各大廠商自研發的AI芯片並非以銷售爲主，更多是整合在自己的雲計算平臺上，向其他廠商和用戶提供AI計算服務，也就是說國內的AI從芯片到平臺再到具體項目都是各自爲戰，如果體量不夠大的話，相應的影響力也就不會太明顯，目前還缺乏一個類似NVIDIA的供應鏈領頭羊出現。
04
篳路藍縷
完全國產化仍需努力
雖然光刻機也只是芯片製造的一個環節，但它本身所需供應組件衆多，供應鏈管理難度高。光刻機上游涉及的內部零件種類衆多，且越高端的光刻機組成越複雜，如EUV光刻機內部零件多達80000件以上，其核心組件包括光源系統、雙工作臺、物鏡系統、對準系統、曝光系統、浸沒系統、光柵系統等，其中光源、晶圓曝光臺、物鏡和對準系統的技術門檻較爲顯著。
因此，光刻機企業往往具備高外採率、與供應商共同研發的特點，而其下游應用主要包括芯片製造、功率器件製造、芯片封裝等。
事實上我國光刻機的研製起步並不晚，早在70年代就研製出接觸式曝光系統，由於早期我國半導體產業的整體落後，以及受到“造不如買”的思潮影響，光刻機產業化落地滯後，直到2002年ArF光刻機被列入“863計劃”、2008年啓動“02專項”，光刻機事業纔再度覺醒。
我國光刻機攻尖採取類ASML的模式，各科研院所、高校做分系統，中科院微電子所、長光所、上光所，清華大學、浙江大學、哈工大等均參與光刻機的研發，完成後由上海微電子公司進行整機組裝。目前幹法光刻機的分系統基本通過驗收，陸續產業化落地，並繼續承擔“02專項”進行溼法光刻機分系統研發。
90nm成熟製程的完全自主國產光刻機早已實現量產
上海微電子公司2017年承擔的02專項“浸沒光刻機關鍵技術預研項目”和2018年承擔的02專項“90nm光刻機樣機研製”向後通過驗收，對應的SSA600/20步進掃描投影光刻機實現量產，目前正在加速推進產業化落地。
而如果接下來的浸沒式DUV順利跑通，通過ArFi+多重曝光或可將芯片製造的國產化能力推進至先進製程，這將會是里程碑式的邁進。
國家牽頭，科研院所、關鍵公司參與，供應鏈自主可控，這就是目前中國光刻機產業鏈的發展模式。從不斷涌現的新消息可以看出，國產芯片的突破並非舉步維艱，而是正在按照正確的道路摸索前行當中，或許再等幾年，我們還真有機會看到完全國產的先進製程花開結果，一切就交給時間來給我們答案吧！
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編輯｜張毅
審覈｜吳新
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