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如何突破光刻技术难题?

浏览: 发表时间:2021-05-18 11:06:06
项目摘要
光刻技术是微电子制造过程的关键技术,主要涵盖了光刻机、光刻工艺和光刻胶等。国产光刻机实现90nm工艺节点,光刻胶以印制线路板(PCB)光刻胶为主,中高端光刻机和光刻胶的关键技术及其知识产权均为国外大公司所垄断,严重依赖进口。光刻技术尤其高端光刻技术的国产化是我国微电子制造的“卡脖子”关键技术。突破这一“卡脖子”技术难题,是保障我国数万亿计的微电子产业链的安全,推动这一产业快速发展的关键。

项目内容

问题描述

光刻技术是微电子制造过程的关键技术,主要涵盖了光刻机、光刻工艺和光刻胶等。国产光刻机实现90nm工艺节点,光刻胶以印制线路板(PCB)光刻胶为主,中高端光刻机和光刻胶的关键技术及其知识产权均为国外大公司所垄断,严重依赖进口。光刻技术尤其高端光刻技术的国产化是我国微电子制造的“卡脖子”关键技术。突破这一“卡脖子”技术难题,是保障我国数万亿计的微电子产业链的安全,推动这一产业快速发展的关键。

问题背景

微电子产业市场规模巨大,全国微电子市场超过7万亿元,其中芯片市场规模达1.5万亿元,我国芯片市场高度依赖进口。根据海关总署数据,2018年集成电路进口额达到了3120.58亿美元。半导体产业安全可控的供应关系到下游智能汽车、5G、人工智能和物联网等战略行业的关键零部件供应安全,因此实现半导体行业的国产替代和自主可控需求强烈。 光刻技术是制造集成电路的关键技术,是通过紫外光、准分子激光、电子束等广义光源和与其敏感的光刻胶之间的相互作用在基板上形成微纳结构图形的过程/技术。光刻技术的核心在于光刻机、光刻工艺和光刻胶三个方面,如果不能实现国产化,国产芯片生产制造就始终面临被“卡脖子”的难题。高端光刻机,例如EUV光刻机被阿斯麦(ASML)垄断,佳能、尼康则占据了中端光刻机市场。光刻胶方面,由于极高的行业壁垒,全球光刻胶行业被日本、欧美专业公司垄断,日本等国的前五大厂商占据了全球光刻胶市场87%的份额,其中日本JSR、东京应化、日本信越与富士电子材料市占率加和达到72%。 我国经过近二十多年的努力,特别是最近十年,国家相关部委组织多个大型项目和专项进行光刻技术和产品的攻关,取得了一定的进展,但跟日、韩相比,甚至跟我国台湾地区相比,我国光刻技术和产业的发展水平仍较落后,差距仍然很大,“被卡脖子”、“受制于人”的困境依然存在。

最新进展

在摩尔定律的推动下,集成电路芯片集成度不断提高,为了满足不断提高光刻分辨率的要求,光刻技术也不断发展,经历了宽谱光刻、436nm(G线)/365nm(I线)光刻、248nm光刻、193 nm光刻(DUV)、13.5nm光刻(EUV)等一系列技术平台,集成电路芯片的集成度不断提高,集成电路制造也进入了 7nm工艺节点,三星和高通基于EUV技术平台积极推进3-6nm的芯片开发和制造。近期ASML公司更是宣布2021年将推下一代EUV光刻机面向2nm、1nm工艺。 在我国政策推动下,中国光刻设备和光刻胶得到快速发展。在光刻设备方面,上海微电子已量产的光刻机可实现 90nm 工艺节点,与国际3-6nm还有不短的距离,目前正在积极研发193nm浸入式光刻机,EUV光刻方面,由中科院长春光机所牵头,中科院上海光机所、中科院微电子研究所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等正在积极研发。在光刻胶方面,国产PCB光刻胶具备了一定的技术和量产能力,已经实现对主流厂商大批量供货,A股上市公司容大感光、广信材料、东方材料、飞凯材料、永太科技等企业占据国内 50%左右湿膜光刻胶和光成像阻焊油墨市场份额。而技术门槛更高的LCD光刻胶、半导体光刻胶,国内也有所突破,据公开资料显示,北京科华和苏州瑞红G线光刻胶、I线光刻胶均取得量产,北京科华KrF光刻胶通过了中芯国际认证,ArF光刻胶处于研发阶段。上海新阳KrF光刻、ArF光刻胶处于研发阶段,永太科技的彩色/黑色光刻胶处于项目建设阶段。在光刻胶的原材料方面,常州强力生产用于光刻胶的光引发剂和部分丙烯酸树脂,中科院理化技术研究所、北京化工大学、中山大学、北京师范大学和江南大学等都开展了相关光刻胶原材料的研发。 光刻技术的国产化必须是包括光刻设备、光刻胶和所使用全部原料的国产化,否则还是不能摆脱受制于人,被别人“卡脖子”的尴尬现状。结合我国光刻技术的发展现状,主要有以下亟待突破的关键点: 在光刻胶方面分层次展开:(1)在PCB光刻胶方面,继续提高湿膜光刻胶及光固化阻焊油墨的国产化比例及全产业链国产化;推进干膜光刻胶的国产化,优化制膜工艺,提升干膜厚度均匀性和降低膜缺陷。(2)LCD光刻胶方面,实现CF彩色光刻胶、CF黑色光刻胶和TFT光刻胶的国产化规模应用,并逐步扩大生产规模,实现全产业链原材料如树脂、光引发剂、高纯溶剂等的国产化替代。(3)扩大g线和i线半导体光刻胶的国产化比例,实现全产业链的国产化。(4)实现国产248nm半导体光刻胶的规模化应用,推进相关原料及纯化技术的全产业链国产化,实现新型感光树脂和光引发剂的结构设计及规模化超纯(ppm至ppb级)制备,其产品质量达到248nm光刻胶生产厂家使用标准,重点是突破知识产权的包围圈。(5)实现半导体193nm光刻胶的国产化应用,进行相关原材料设计、研究并实现国产化,突破知识产权的包围圈。(6)针对最新的EUV技术的光子数量下降、光子能量增强带来的光化学反应更加复杂、高真空加工环境和加工精度的提升等新的技术难题,开展13.5nm光刻的光引发剂、树脂、添加剂的开发工作,解决RLS平衡,重点降低线边缘粗糙度(LE R ),并通过该领域的研发显著缩小国内外光刻胶的差距。 在光刻机方面,一方面扩大低端光刻机的市场,优化性能,同时尽快推出国产193nm浸入式光刻机,开展应用验证,尽快市场化,实现中端光刻机的国产化,在EUV光刻方面,需要进一步开展相关基础研究。同时需要突破硅晶圆的国产化难点,以及其他溅射靶材、研磨液等材料的全产业链国产化。

重大意义

光刻技术属敏感技术,发达国家对光刻技术的转让严格管控,光刻设备的购买属于高度管制,同时光刻胶产品的采购也极易受到限制,将严重影响我国相关产业链,乃至国家安全。所有种类光刻胶的完全国产化不仅可以提高我国相关产业链在世界上的竞争力,更是从国家安全角度具有十分重大的战略意义。




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