国产SP光刻机到底牛在哪里

据中新网报道，由中国科学院光电技术研究所承担的国家重大科研装备——超分辨光刻装备项目于11月29日在成都通过验收，作为项目重要成果之一，中国科学家已研制成功世界上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备，并形成一条全新的纳米光学光刻工艺路线，具有完全自主知识产权。

中科院光电所所长、超分辨光刻装备项目首席科学家罗先刚研究员介绍说，2012年，该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，经过近7年艰苦攻关，在无国外成熟经验可借鉴的情况下，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。

▲超分辨光刻设备加工的4英寸光刻样品。

这一世界首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备是基于表面等离子体超衍射研制而成，它打破了传统光学光刻分辨力受限于光源波长及镜头数值孔径的传统路线格局，形成了一条全新的超衍射纳米光刻从原理、装备到工艺的技术路线，具有完全自主知识产权，为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性战略领域的跨越式发展提供了制造工具。

验收专家认为，中科光电所研制成功的超分辨光刻装备所有技术指标均达到或优于实施方案规定的考核指标要求，关键技术指标达到超分辨成像光刻领域的国际领先水平。该项目在原理上突破分辨力衍射极限，建立一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线，绕过了国外高分辨光刻装备技术知识产权壁垒，实现中国技术源头创新，研制出拥有自主知识产权、技术自主可控的超分辨光刻装备，也是世界上首台分辨力最高紫外超分辨光刻装备。

同时，利用研制成功的超分辨光刻装备已制备出一系列纳米功能器件，包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等，验证了该装备纳米功能器件加工能力，已达到实用化水平。

中科院光电所超分辨光刻装备项目已发表论文68篇，目前已获授权国家发明专利47项，授权国际专利4项，并培养出一支超分辨光刻技术和装备研发团队。罗先刚表示，中科院光电所后续将进一步加大超分辨光刻装备的功能多样化研发和推广应用力度，推动国家相关领域发展。

争议不断

当这则“中国成功研制世界上首台分辨力最高的紫外(即22纳米@365纳米)超分辨光刻装备”的消息一经报道，立刻引发了两种完全对立的声音。

很多人认为这是“历史性的突破”，中国芯片制造将走向完全自主；而另一群人则认为是在“吹牛”、“放卫星”。那么究竟哪种观点才靠谱呢？

今天业内人士——认证信息为“中国科学院/新加坡国立大学光学工程博士在读”的知乎网友@看风景的蜗牛君 对此进行了解析。

先回答大家最关心的两个问题：

1、我们可以实现芯片彻底国产化了吗？

答：暂时还不行。

2、不吹不黑，这个装备真的这么厉害吗，还是只是吹牛？

答：确实很厉害。

很多人只盯着新闻里22nm这个指标，其实大家要关注的是“365nm的光源，单次曝光线宽可达22nm”。注意到我加黑的那几个关键词了吗？22nm指标虽然很棒但是业界早就做过了，到底哪里厉害呢？所以关键是用365nm的光源单次曝光做到22nm，懂点光学的就知道这意味着什么：打破了传统的衍射极限。

所以在我看来，这台机器最大的价值是验证了表面等离子体（SP）光刻加工的可行性。

这台SP光刻机与ASML光刻机对比怎么样呢？举个不恰当的例子吧，这就像是初期的枪械与最厉害的弓箭的对比。早期枪械，比如火铳，无论是射击精度还是射击距离都远远比不上厉害的弓箭，但是如今的狙击枪早已把弓箭甩开十万八千里了，这就是原理性的胜利。

要理解刚才说的这个“原理性的胜利”到底是怎么回事，我们首先得回顾一下以ASML为代表的传统光刻机是怎么做的。

上面是ASML光刻机简单的原理图，抛开复杂的监测设备不谈，最核心的原理就是通过物镜系统将掩膜版上的图案进行缩印成像。涉及到成像过程，就不得不考虑光的衍射极限。即便抛开所有的几何像差，由于衍射的作用，一个无限小的点成像后也会变成一个弥散斑，被称为“艾里斑”。因此实际光学系统成像的分辨率就是两个艾里斑恰好能够分开的距离。

所以由于衍射效应，成像分辨率会受到限制，最终的分辨率取决于波长、数值孔径等参数，波长越小、数值孔径越大分辨率则越高。所以ASML这些年来主要的研究方向就是利用更短的波长（近紫外-深紫外-极紫外）、增大数值孔径（更复杂的物镜、液体浸没）。但是每进一步都变得更加艰难，对系统设计、加工装配、误差检测等等诸多方面都提出了更为苛刻的要求，成本也越来越高昂。

那么表面等离子体光刻又是怎么一回事呢？表面等离子体指的是一种局域在物质表面的特殊的电磁波，随着离开物质表面距离的增大迅速衰减，一般认为波长量级以上的区域就不存在了。

更为神奇的是，虽然表面等离子体波是由其他电磁波激发的，但是波长会被极大地压缩，而压缩的比例取决于材料的电磁性质等参数。

这就意味着，利用表面等离子体波进行光刻时，从原理上就不在受到传统衍射极限的限制了。

在光刻机研制方面，我们一直有两个选择：沿用ASML的老路走一遍，还是另辟蹊径通过新原理弯道超车？我们国家目前两个选择都在做。而这台SP光刻机的研制成功，就是让我们看到了弯道超车的可能性。其实从原理上，这简直就不是弯道超车了，而是在别的人还在绕山路的时候，我们尝试着打了一条隧道……虽然还没有完全挖通，但曙光就在眼前了。