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国家重大科研装备研制项目超分辨光刻装备研制通过验收

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11月29日电,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”29日通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制,光刻分辨力达到22纳米,结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

国家重大科研装备研制项目超分辨光刻装备研制通过验收。中科院理化技术研究所许祖彦院士等验收组专家一致表示,该光刻机在365纳米光源波长下,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米。项目在原理上突破分辨力衍射极限,建立了一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线,绕过国外相关知识产权壁垒。

光刻机是制造芯片的核心装备,我国在这一领域长期落后。它采用类似照片冲印的技术,把母版上的精细图形通过曝光转移至硅片上,一般来说,光刻分辨力越高,加工的芯片集成度也就越高。但传统光刻技术由于受到光学衍射效应的影响,分辨力进一步提高受到很大限制。为获得更高分辨力,传统上采用缩短光波、增加成像系统数值孔径等技术路径来改进光刻机,但技术难度极高,装备成本也极高。

项目副总设计师胡松介绍,中科院光电所此次通过验收的表面等离子体超分辨光刻装备,打破了传统路线格局,形成一条全新的纳米光学光刻技术路线,具有完全自主知识产权,为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性领域的跨越式发展提供了制造工具。据了解,这种超分辨光刻装备制造的相关器件已在中国航天科技集团公司第八研究院、电子科技大学、四川大学华西医院、中科院微系统所等多家科研院所和高校的重大研究任务中得到应用。

中国光刻机制造落后现状

目前国际上生产光刻机的主要厂商有荷兰的ASML、日本的尼康、佳能。其中,数ASML技术最为先进。国内也有生产光刻机的公司,比如上海微电子装备,但技术水平远远落后于ASML。上海微电子装备目前生产的光刻机仅能加工90纳米工艺制程芯片,这已经是国产光刻机最高水平。而ASML已经量产7纳米制程EUV光刻机,至少存在着十几年的技术差距。

光刻机是制造芯片的核心装备,过去一直是中国的技术弱项。光刻机的水平严重制约着中国芯片技术的发展。我们一直在被“卡脖子”。

国内的芯片制造商中芯国际、长江存储等厂商不得不高价从ASML买入光刻机。今年5月,日经亚洲评论曾报道,中芯国际向国际半导体设备大厂ASML下单了一台1.2亿美元的EUV光刻机,预计将于2019年初交货。另外,长江存储今年也从ASML买入一台浸润式光刻机,售价高达7200万美元。那么,所谓的光刻机到底是啥?

光刻机原理

光刻机,芯片制造的核心设备之一。中科院光电所的胡松、贺晓栋在《中科院之声》发表的一篇文章中这样介绍它的重要性:后工业时代包括现在的工业3.0、工业4.0,都以芯片为基础,光刻机作为制造芯片的工具,就相当于工业时代的机床,前工业时代的人手。

但比较特殊的是,光刻机以光为“刀具”。具体来说,工艺流程大致是这样的:在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶,再用光线透过掩模照射在硅片表面,被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶, 就实现了电路图从掩模到硅片的转移。引自:《一文看懂光刻机》,华创证券

这只是一个简化的过程,通常情况下,想要用光刻机制造出一个芯片,需要在极其细微的结构上进行上百次套刻和数千道工艺,需要几百种设备才能完成。

这次中科院研制成功的光刻机,能力达到了22纳米。这是什么概念呢?中科院的文章中提到了一个对比:头发的直径约为80微米,22纳米是头发直径的1/3600。也就是说,这个光刻机能够在头发表面加工各种复杂的结构。这台光刻机,是谁研发出来的?

中科院光电所的7年探索

这台光刻机背后的研究机构是中科院光电所。带头完成这项研发任务的,是中科院光电所所长、超分辨光刻装备项目首席科学家、中国科学院大学教授博导罗先刚研究员。

罗先刚在光电领域的学术地位从他的一长串title中可见一斑:微细加工光学技术国家重点实验室主任,国家973计划首席科学家,曾获2016年度国家技术发明一等奖,2017年中国工程院院士增选有效候选人,国家杰出青年科学基金获得者,中组部首批万人计划科技领军人才、2009年“新世纪百千万人才工程”国家级人选,2004年中科院“百人计划”入选者,中国光学学会、美国光学学会、国际光学工程学会、国际光电子与激光工程学会四大学会成员。

从1995年在中科院光电技术研究所读硕士开始,罗先刚已经从事光电领域20余年了,在中科院光电技术研究所读完硕士和博士后,他去了日本理化学研究所做博士后和研究科学家。2004年,罗先刚回到了他读书的中科院光电技术研究所,开始担任研究员。20余年的光电学术之路上,他不仅发表了SCI收录论文100余篇,还带出了数十名优秀的硕士博士生。

项目副总师胡松也是中科院光电技术研究所的研究员、中国科学院大学博导,在光学投影曝光微纳加工技术、 微细加工光刻技术有丰富的经验,享受国务院政府津贴,曾主持多个国家级、部委级、省级科研项目,发表十余项专利技术。

中科院光电所完成这项计划用了7年。根据经济日报报道,2012年,中科院光电所承担了超分辨光刻装备这一国家重大科研装备项目研制任务,当时并没有任何国外成熟经验可借鉴。

7年来,项目组突破了高均匀性照明、超分辨光刻镜头、纳米级分辨力检焦及间隙测量和超精密、多自由度工件台及控制等关键技术,完成国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备研制,其采用365纳米波长光源,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米(约1/17曝光波长)。

在此基础上,项目组还结合超分辨光刻装备项目开发的高深宽比刻蚀、多重图形等配套工艺,实现了10纳米以下特征尺寸图形的加工。另外,这个项目还发表了论文68篇,申请国家发明专利92项,其中授权47项,申请国际专利8项,授权4项,为国家培养了一支超分辨光刻技术和装备研发团队。

文章来源:新华社

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