国产光刻机“套刻≤8nm”意味着什么

　　波长为193nm（纳米）、分辨率≤65nm、套刻≤8nm……日前，工信部的一份文件，再次把国产光刻机推入公众视野，甚至传出国产DUV光刻机突破8nm工艺的“重磅消息”。

　　9月9日，工信部旗下微信公众号“工信微报”推送了工信部于9月2日签发的关于印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》的通知文件，通知文件中的“电子专用装备”的第一项即“集成电路生产装备”，明确提到氟化氪（KrF）光刻机和氟化氩（ArF）光刻机的技术指标，尤其是氟化氩光刻机，文件标明其套刻精度≤8nm。

　　记者注意到，该文件一经发布后，关于国产光刻机取得大突破的言论“喜大普奔”，还有人把“套刻≤8nm”误认为8nm光刻机。事实上，套刻精度指的是每一层光刻层之间的对准精度，而≤8nm的套刻精度并不一定代表能制造8nm工艺的芯片。

　　“光刻机套刻小于8纳米，逻辑上对应的区间，也能上到成熟区间，甚至更高一些。但别指望它覆盖手机用的处理器工艺，主要还是面向成熟区间。”半导体行业资深观察人士王如晨对记者表示，工信部文件表格里不止氟化氩光刻机，还有配套设备，是个小生态，“看工艺节点，都侧重成熟区间，尤其28纳米”。

　　制造更小线宽芯片的办法

　　需要指出的是，早在6月20日，工信部就发布了《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》公示，“集成电路生产设备”一栏当中就有一款氟化氪光刻机和一款氟化氩光刻机。

　　随后在9月，工信部再次发布通知文件，这是对外正式公布。依照不同光源，光刻机可分为UV（紫外）、DUV（深紫外）以及EUV（极紫外）三大类型。而通知文件中的氟化氪光刻机和氟化氩光刻机，两者均属于第四代DUV光刻机。

　　目前来说，光刻机共经历了五代发展，随着波长从最早的436nm到最新的13.5nm，芯片制程也逐渐达到接近极限的3nm。

　　光刻机性能如何，有两个关键所在：一是光刻机波长，二是物镜系统的数值孔径（NA）。根据知名公式——瑞利判据，即CD=k1*λ/NA。CD代表线宽，即芯片可实现的最小特征尺寸；λ代表光刻机使用光源的波长，NA指的是光刻机物镜的数值孔径，也就是镜头收集光的角度范围；k1是一个系数，取决于芯片制造工艺有关的众多因素。

　　根据这个公式，如果要制造更小线宽的芯片，即CD值越小，可使用波长更短的光源、更大数值孔径的物镜和降低k1值这些办法。

　　比如荷兰半导体设备制造商阿斯麦（ASML）的EUV光刻机，光源波长只有13.5nm，同时ASML也在不断提高光刻机的孔径，以用于7nm甚至更高工艺制程芯片的制造。

　　而在光刻机物镜和晶圆之间加入超纯水，把水作为介质，不仅变相地把光源波长等效缩短，也变相地提升了NA数值。而这种加入了超纯水的光刻机被称为浸没式光刻机，由此DUV光刻机也能达到光学分辨率的天花板。

　　然而，浸没式光刻机理论上容易，但工程实现相当麻烦。有着“浸润式光刻机之父”之称的林本坚，在台积电任职期间，单单一个浸液系统，该团队就耗时2年，修改了7—8回才实现突破。业内人士称，‌浸没式光刻机的研发难度之高，相当于在月球上用枪打到地球上的一个目标。‌

　　分辨率≤65nm、套刻≤8nm是什么水平

　　除了以上方法外，多重曝光也是提升光刻机制造工艺的一种技术。比如ASML浸润式DUV光刻机NXT：1980的分辨率≤38nm，却可以支撑台积电第一代7nm工艺的生产，靠的就是多重曝光技术。

　　作为光刻机的一个重要技术指标，套刻精度通常指的是“多重曝光能达到的最高精度”，它决定了每次曝光之间物理位移的最小误差，直接影响着多层曝光工艺的质量和效率。随着工艺节点不断缩放至14nm、10nm、7nm，多重曝光成为必要手段。

　　那么，通知文件中的ArF光刻机（光源波长193nm，分辨率≤65nm，套刻≤8nm）极限能做到多少纳米制程？处于什么水平？极限制程能达到多少纳米？

　　综合来看，这种规格的国产ArF光刻机性能与ASML于2015年二季度出货的ArF光刻机TWINSCAN XT：1460K（分辨率为≤65nm，套刻精度＜5nm）较为接近。而按套刻精度与量产工艺1∶3的关系，这个光刻机理论上可量产28nm工艺的芯片。

　　不过，业内人士认为，考虑到套刻精度误差更大等原因，该国产ArF光刻机可能还到不了“28nm光刻机”的分辨率要求。总体来说，这次曝光的国产DUV光刻机，应该是之前90nm分辨率的国产光刻机的改良版，能用于55—65nm的成熟制程芯片制造需求。

　　“工信部表格里不止氟化氩光刻机，还有配套设备，是个小生态。看工艺节点，都侧重成熟区间，尤其28纳米。”王如晨表示，如果规模化推广，FAB（晶圆厂）成功量产，中国除了手机等场景外，有更大或者说真正意义上的自主性，“绝大部分民用、工业、国防的场景足够了。”

　　国产光刻机向前迈了一小步

　　光刻机作为半导体制造的核心设备，其技术水平直接决定了芯片的性能和品质。长期以来，我国在光刻机领域一直受制于人，高端设备主要依赖进口。

　　相比之前90nm分辨率的国产光刻机，新的65nm分辨率已经有了一定的进步。当然，我们依然要清醒认识到国产光刻机与国外先进水平之间的差距。

　　需要指出的是，通知文件所披露的这款ArF光刻机依然是干式DUV光刻机，而非更先进的浸没式DUV光刻机（也被称为ArFi光刻机）。

　　对于国产光刻机厂商来说，从干式DUV转向浸没式DUV这一过程还有很多难题需要解决，不仅仅是技术方面。ASML尽管在2006年就推出了首台量产的浸没式DUV光刻机XT：1700i，但却是在2010年代前后才依靠浸没式DUV光刻机打败了当时的光刻机两大巨头佳能和尼康，确立了霸主地位。

　　ASML财报显示，2023年中国成为该公司的第二大市场。2024第一季度和第二季度，ASML中国地区销售额占比都是49%，第二季度以销售额论，ArFi占比50%，超过EUV的31%。

　　其实，ASML最先进的EUV光刻机早已被完全禁止出口中国；去年10月，美国又更新了先进芯片制造技术出口管制，将限制出口中国的光刻机范围扩大，即扩大至采用多重曝光能够实现先进制程能力的光刻机。

　　9月6日，荷兰政府宣布，扩大光刻机出口管制范围至浸没式深紫外光刻设备，与美国的管制“对齐”，ASML如果要向中国出口TWINSCAN NXT：1970i和1980i型号浸润式DUV光刻系统，需要先向荷兰政府申请出口许可证。

　　业内人士认为，ASML进一步收紧先进DUV的出口，是驱动国产最新光刻机信息公布的因素之一。对此，王如晨表示：“赶在美国胁迫荷兰政府加了一个出口许可关而ASML配合发声后，本就算是做了一次侧面的回击。”

　　申万宏源证券认为，官方披露核心设备进展提振市场信心，国产光刻机相关产业链受益，国内晶圆厂扩产自主可控可期，国产半导体设备整体受益。中芯国际、北方华创、中微公司、拓荆科技、微导纳米、上海微电子等产业链企业，都将从国产65nm的ArF光刻机中得到发展机会。