其实,早在6月20日,工信部就发布了《首台重大技术装备推广应用指南(2024年版)》。在集成电路生产设备一栏中,就公布了氪氟化物光刻机和氩氟化物光刻机。随后9月9日,工信部再次发布通知:
氪氟化物光刻机其实就是老式的KrF光刻机,采用248nm光源,分辨率≤110nm,套刻精度≤25nm;氩氟化物光刻机就是采用193nm光源的ArF光刻机(又称DUV光刻机),但公开的还是干式DUV光刻机,而非更为先进的浸没式DUV光刻机(又称ArFi光刻机)。

根据官方披露的参数,这台DUV光刻机的分辨率≤65nm,套刻精度≤8nm。虽然相比上海微电子之前的光刻机(分辨率为90nm)有所提升,但依然不足以生产28nm芯片,更别说8nm、7nm芯片了。不少网友直接把套刻精度和光刻制程工艺节点级别混淆了。
光刻的精度主要取决于光刻机的分辨率,如果分辨率为65nm,那么一次曝光可以达到的工艺节点大约在65nm左右。
套刻精度指的是每一层光刻层之间的对准精度。众所周知,芯片制造过程其实就是将很多层光刻图案一层层地实现和堆叠起来。一层图案光刻完成后,还需要在其上继续进行下一层图案的光刻,而两层之间需要精确对准。这种对准的精度就是套刻精度,并不是指可以制造的芯片的工艺节点。

那么,这个65nm光刻分辨率和套刻精度≤8nm,能达到多少纳米工艺水平呢?目前对应什么级别的光刻机呢?大家可以对比一下下面ASML光刻机的参数:
ASML在2015年第二季度出货的XT:1460K,光刻分辨率≤65nm,但套刻精度较高(<5nm)。虽然这款国产DUV光刻机的分辨率也是≤65nm,而且可以生产65nm工艺甚至更先进的芯片,但是国产光刻机的套刻精度误差较大,这也会导致良率水平相对较低。
也就是说,国产DUV光刻机的性能甚至还不如9年前ASML出货的XT:1460K光刻机的水平。如果再往前追溯,2006年ASML推出的干式DUV光刻机XT:1450的分辨率已经达到57nm,套刻精度为7nm。国产DUV光刻机的性能落后ASML的技术18年以上。
65nm光刻分辨率虽然采用多次曝光,可能能够实现更加先进的工艺节点,但会受到套刻精度带来的误差叠加和放大的限制。
据某大光刻机公司内部专家向新智讯透露,65nm分辨率的ArF光刻机,配合良好的OPC(光学邻近校正)算法,可以推进到55nm工艺。
“单次曝光的(套刻精度)控制窗口是线宽的1/4到1/5,所以一颗线宽55nm的芯片至少需要11nm才能制造出来。虽然光刻机的套刻精度≤8nm,但这只是出厂标准,晶圆加工过程中各种工艺也会带来误差,所以整个芯片制造都会低于出厂标准。所以8nm的套刻精度,在产品上可能实际会落在11-12nm上。所以单次曝光能达到的最高水平是55-65nm。”
“如果采用多次曝光,比如双重曝光,那么需要的曝光量就得减半。所以以现有的55nm单次曝光量来说,如果要做双重曝光,至少需要55÷5÷2=5.5nm。如果是四次曝光,又得减半,也就是需要2.75nm。所以8nm是没办法做多重曝光的。”该光刻技术专家进一步向新智讯解释道。
所以,总结一下,如果要做多重曝光,叠加精度需要足够高。换句话说,叠加误差需要足够小。
例如业界最早量产的28nm工艺,基本采用先进的ASML NXT:1970(浸没式DUV),其分辨率较高≤38nm,套刻精度<3.5nm。
由于国内28nm工艺量产比较晚,因此28nm量产采用了更为先进的ASML NXT:1980,虽然其分辨率依然≤38nm,但套刻精度进一步提升至<2.5nm,也使得晶圆厂可以通过该机型进行多次曝光,实现7nm工艺的制造。例如台积电第一代7nm工艺,就是采用ASML NXT:1980进行多次曝光,当然多次曝光会大大增加成本。
这也是为什么美国和荷兰最初将对华光刻机出口限制在NXT:1980型以上,后来又将采用多次曝光实现先进制程能力的光刻机NXT:1970型和NXT:1980型限制出口到拥有先进制程能力的大陆晶圆厂。
综上所述,此次曝光的65nm分辨率国产DUV光刻机应该只是之前90nm分辨率国产光刻机的改进版,只能用于55-65nm成熟工艺芯片的制造需求,远远达不到大家期待的制造28nm工艺芯片的要求。当然,相比之前最先进的90nm分辨率国产光刻机,新款65nm分辨率国产光刻机至少还是取得了一定的进步。不过,我们还是需要清醒地认识到我们与国外先进水平的差距,不能盲目乐观。
对于国内光刻机厂商来说,从干式DUV转向浸没式DUV的过程中,还有不少技术难题需要解决。需要注意的是,在2010年代左右,ASML凭借浸没式DUV光刻机(其在2006年推出了第一台量产的浸没式DUV光刻机XT:1700i)击败了当时两大光刻机巨头佳能和尼康,奠定了霸主地位。


