中科院研發者回應5納米光刻技術突破ASML壟斷

文 | 陳伊凡

編輯 | 謝麗容

今年7月，在中國科學院官網上發布了一則研究進展，中科院蘇州所聯合國家納米中心在《納米快報》（Nano Letters）上發表了題為《超解析度雷射光刻技術製備5納米間隙電極和陣列》（5 nm Nano gap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究論文，介紹了該團隊研發的新型 5 納米超高精度雷射光刻加工方法。

該論文發表在《納米快報》（Nano Letters）。圖截自官網ACS官網

消息一經發出，外界一片沸騰，一些媒體稱此技術可以「突破ASML的壟斷」、「中國芯取得重大進展」，「中國不需要EUV光刻機就能製作出5納米製程的晶片」。

該論文的通訊作者、中科院研究員、博士生導師劉前告訴《財經》記者，這是一個誤讀，這一技術與極紫外光刻技術是兩回事。

極紫外光刻技術解決的主要是光源波長的問題，極紫外光刻技術（Extreme Ultra-violet，簡稱：EUV），是以波長為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術。

集成電路線寬是指由特定工藝決定的所能光刻的最小尺寸，也就是我們通常說的「28納米」、「40納米」。 這個尺寸主要由光源波長和數值孔徑決定，掩模上電路版圖的大小也能影響光刻的尺寸。目前主流的28納米、40納米、65納米線寬製程採用的都是浸潤式微影技術（波長為134納米）。但到了5納米這樣的先進位程，由于波長限制，浸潤式微影技術無法滿足更精細的製程需要，這是極紫外光刻機誕生的背景。

而中科院研發的5納米超高精度雷射光刻加工方法的主要用途是製作光掩模，這是集成電路光刻製造中不可缺少的一個部分，也是限制最小線寬的瓶頸之一。目前，國內製作的掩模版主要是中低端的，裝備材料和技術大多來自國外。

劉前對《財經》記者說，如果超高精度雷射光刻加工技術能夠用於高精度掩模版的製造，則有望提高我國掩模版的製造水平，對現有光刻機的晶片的線寬縮小也是十分有益的。這一技術在智慧財產權上是完全自主的，成本可能比現在的還低，具有產業化的前景。

但是，即便這一技術實現商用化，要突破荷蘭ASML（阿斯麥）（NASDAQ:ASML）在光刻機上的壟斷，還有很多核心技術需要突破，例如鏡頭的數值孔徑、光源的波長等。

如果把光刻機想像成一個倒置的投影儀，掩模就相當於幻燈片，光源透過掩模，把設計好的集成電路圖形投影到光感材料上，再經蝕刻工藝將這樣的圖形轉移到半導體晶片上。

示意圖：電路設計圖首先通過雷射寫在光掩模版上，光源通過掩模版照射到附有光刻膠的矽片表面。

通常，每一個掩模版的版圖都不一樣，製作一枚晶片常常需要一套不同的掩模版。掩模版製作要求很高，致使其價格十分昂貴，如一套45納米節點的CPU的掩模版大概就需要700萬美元。如今，隨著產品的個性化、小批量趨勢，致使掩模版的價格在整個晶片成本中急速飛升。

高端掩模版在國內還是一項「卡脖子」技術。在半導體領域，除了英特爾（NASDAQ:INTC）、三星（PINK:SSNLF）、臺積電（NYSE:TSM）三家能自主製造外，高端掩模版主要被美國的Photronics（NASDAQ:PLAB）、大日本印刷株式會社（DNP）以及日本凸版印刷株式會社（Toppan）（PINK:TOPPY）三家公司壟斷，根據第三方市場研究機構前瞻產業研究院的數據，這三家公司的市場份額佔到全球的82%。

數據來源：前瞻產業研究院 製圖：陳伊凡

而且，這一技術如今尚在實驗室階段，要實現商用還有很長的路要走。ASML從1999年開始研發極紫外光刻機，到2010年才出了第一臺原型機，2019年第一款7nm極紫外工藝的晶片才開始商用，前後花了20年時間。這是一個技術從實驗室走向商用所必須付出的時間成本。

半導體產業發展60多年，摩爾定律基本得以實現的關鍵就在於光刻機能不斷實現更小解析度，在單位面積晶片上製造更多的電晶體，提高晶片的集成度。如果沒有光刻機，就沒有晶片先進位造可言。根據第三方市場研究機構前瞻產業研究院數據，2019年全球光刻機市場74%被荷蘭的ASML公司壟斷。ASML也是如今全球唯一一家能夠量產極紫外光刻機的公司。

數據來源：前瞻產業研究院 製圖：陳伊凡

如何突破層層專利保護，也是要實現製造完全自主的光刻機的難點之一。極紫外光刻技術領域就像一個地雷密布的戰場，ASML通過大量專利和智慧財產權保護，壟斷該技術。

一直以來，業界都在嘗試另一條技術路線，例如華裔科學家、普林斯頓大學周鬱在1995年首先提出納米壓印技術，目前仍無法突破商用化的困境。

並且，極紫外光刻機能夠成功商用，並非僅靠ASML一家之功，它更像是一個集成創新的平臺，其中有將近90%的核心零部件來自全球不同企業，ASML通過收購，打通了上遊產業鏈，例如德國卡爾蔡司、美國矽谷光刻集團的雷射系統、西盟科技的紫外光源。目前沒有一個國家能夠獨立自主完成光刻機的製造，中國以一國之力，短期內要突破ASML在極紫外光刻技術上的壟斷，幾乎是不可能的事情。