2020 年 8 月 28 日，隨著近年來芯片行業(yè)的發(fā)展，大眾對于光刻機的關(guān)注度越來越高。媒體和廠商也更加頻繁地使用 “7nm 光刻機”這樣的關(guān)鍵詞來進行宣傳。但事實是：從來就沒有什么救世主，也沒有 7nm 光刻機。

7nm 只是一種工藝的代號，它和光刻機本身是不掛鉤的。按照一般人的理解 7nm 光刻機就是指能制作 7nm 工藝的光刻機，這個命名方式乍看起來很合理，實際上漏洞百出。

截取自中芯國際招股書

舉個例子，在中芯國際財報中，公司透露了會將部分生產(chǎn) 28 納米芯片的設(shè)備轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)其它制程產(chǎn)品。假設(shè)中芯國際用于生產(chǎn) 28 納米芯片的光刻機將來用于生產(chǎn) 45 納米芯片，那么這臺光刻機原來應(yīng)該叫 “28nm”光刻機，就因為它生產(chǎn)了 45nm 芯片，那么他就應(yīng)該變成更為落后的 “45nm”光刻機了？那如果將來它再回來生產(chǎn) 28 納米芯片，那么它就又升級成了 “28nm”光刻機？但整個過程中光刻機的本質(zhì)并沒有改變啊。

近期網(wǎng)絡(luò)上所謂關(guān)于武漢弘芯的 “7nm”光刻機抵押在銀行的消息，鬧得沸沸揚揚。但這真的是 “7nm”光刻機嗎？

武漢弘芯半導(dǎo)體制造有限公司（HSMC）于 2017 年 11 月成立，總部位于中國武漢臨空港經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。公司匯聚了來自全球半導(dǎo)體晶圓研發(fā)與制造領(lǐng)域的專家團隊，擁有豐富的 14 納米及 7 納米以下節(jié)點 FinFET 先進邏輯工藝與晶圓級先進封裝技術(shù)經(jīng)驗。

值得說明的是，14 納米及 7 納米的相關(guān)工藝經(jīng)驗來武漢弘芯中來自臺積電等公司的 “前員工”，并不是指公司已經(jīng)具備了相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)。

截取自武漢弘芯官網(wǎng)

在官網(wǎng)的項目時程中，武漢弘芯 14 納米工藝大概會在 2020 年下半年開始測試流片，其 7 納米工藝在 2020 年開始研發(fā)。而中芯國際在 2019 年時，其 14 納米工藝已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。

另外關(guān)于武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機，根據(jù)相關(guān)消息此光刻機已被抵押。

數(shù)據(jù)來自天眼查

根據(jù)天眼查上的數(shù)據(jù)，我們可知武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機實際型號為 TWINSCAN NXT:1980Di。2019 年 12 月 22 日，武漢弘芯半導(dǎo)體舉行了首臺高端光刻機設(shè)備進廠儀式，就是為了迎接這款光刻機。

數(shù)據(jù)來自 ASML

從 ASML 官網(wǎng)的數(shù)據(jù)中我們可以看到，這款 2015 年推出的光刻機光源波長為 193nm，屬于 DUV 光刻機。且從官網(wǎng)的型號表上可以看到，這款光刻機并非 “最優(yōu)秀”的 DUV 光刻機。

ASML 官網(wǎng)上的一款 EUV 光刻機

要是想制造工藝尺寸更小的芯片，換光源是比較直接且立竿見影的辦法。因此國外為了阻礙我國尖端芯片制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，極力限制我國進口波長大致為 13.5nm 的 EUV 光刻機，但對于技術(shù)相對落后的 DUV 光刻機限制并不大。2020 年 3 月 4 日，中芯國際從荷蘭 ASML 進口的一臺大型光刻機已順利進入深圳廠區(qū)，據(jù)悉此臺光刻機即為 DUV 光刻機。

關(guān)于武漢弘芯所謂的 “7nm”光刻機的命名問題，這款光刻機是否真的能做到 7nm 工藝呢？目前已有一家中國企業(yè)可以用同樣水平的 DUV 光刻機制造 7nm 工藝的芯片，這家中國企業(yè)名為：臺灣積體電路制造股份有限公司。其中臺積電第一代 7nm 工藝 N7 和第二代 7nm 工藝 N7P 均采用了 DUV 光刻機制造，但是為了更好的性能，其第三代 7nm 工藝 N7 + 則采用了更為先進的 EUV 光刻機制造。

在這其中其實還有一些偷換概念的問題，舉個例子：文森特 · 梵高是一名著名的畫家，他的畫作價格不菲，甚至有些畫作價值過億。不過梵高早年窮困潦倒，使用的畫筆也很普通，但這并不影響梵高用普通的畫筆創(chuàng)作出諸多優(yōu)秀的畫作。那么這時如果有一個人買到了梵高同款的普通畫筆，他就能成為梵高嗎？他就能創(chuàng)作出價值過億的畫作嗎？

光刻機只是半導(dǎo)體制造工藝的開始，武漢弘芯已經(jīng)有了臺積電同款 “畫筆”，那么武漢弘芯能否做出同款的 “N7”和 “N7P”呢？

業(yè)界對于光刻機主要是根據(jù)其使用光源進行命名和分類。比如現(xiàn)在處于尖端地位的 EUV（extreme ultra violet）光刻機，這類光刻機使用了極紫外光作為光源。目前業(yè)界的 EUV 光刻機大多使用的是波長為 13.5nm 左右的極紫外光。

另一種業(yè)界比較主流的光刻機就是 DUV（deep ultra violet）光刻機了，這類光刻機使用的是深紫外光作為光源。目前業(yè)界的 DUV 光刻機大多使用的是波長為 193nm 的氟化氬準分子激光（ArF excimer laser）或者波長為 248nm 的氟化氪準分子激光（KrF excimer laser）作為光源。

相信大家都注意到了，市面上主流的 DUV 光刻機光源的波長只有 193nm，而現(xiàn)在主流的芯片制造工藝都已經(jīng)到了 14nm。如果要用 193nm 的光源刻出更細的線條，這還需要更多的技術(shù)支持。

我們可以通過這個公式來大致看一下 193nm 的光源能刻出的工藝分辨率，其中：

R，分辨率，比如 90nm、65nm、45nm 之類。

λ，激光的波長，現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)從 248nm 過渡到了現(xiàn)在最常用的 193nm，還有更為先進的 13.5nm。

n，為介質(zhì)折射率，空氣約 1，水約 1.44。

NA，為數(shù)值孔徑，和鏡子大小，以及距離有關(guān)。

k1，系統(tǒng)常數(shù)，代指掩膜等相關(guān)技術(shù)。

所以通過這個公式我們可以大致計算出，在一般情況下 193nm 波長的光源分辨率也就能做到 60nm 左右（相關(guān)系數(shù)取一般值，此結(jié)果僅供參考）。那么接下來的問題就是如何突破這個所謂的 “一般情況”了。

對此業(yè)界大體有兩種解決辦法 , 浸潤式光刻和多重曝光。

浸入式光刻技術(shù)是在 2000 年初首先由麻省理工學(xué)院林肯實驗室亞微米技術(shù)小組提出，他們認為在傳統(tǒng)光刻機的光學(xué)鏡頭與晶圓之間的介質(zhì)可用水替代空氣，以縮短曝光光源波長和增大鏡頭的數(shù)值孔徑，從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為 1.44:1 如果用水替代空氣，相當(dāng)于 193nm 波長縮短到 134nm, 如果采用比水介質(zhì)反射率更高的其液體，可獲得比 134nm 更短的波長。

簡單來說就是運用了惠更斯原理，讓光從一種介質(zhì)折射進入另一種介質(zhì)，那么在分界點相當(dāng)于一個波源，向外發(fā)散子波。也就是說在這個過程中光的波長發(fā)生了改變，通過這種方式我們獲得了一個波長更小的光源。

一種多重曝光的流程示意圖

另外一種技術(shù)就是多重曝光了，在圖中最上面是已經(jīng)經(jīng)過一次 Patterning 的保護層（綠色，如 SiN）再加上一層光刻膠（藍色）。光刻膠在新的 Mask 下被刻出另一組凹槽（中間）。最后光刻膠層被去掉，留下可以進一步蝕刻的結(jié)構(gòu)。

簡單來說就是將本應(yīng)一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來制作。比如要刻幾條等間距的線，單次曝光可能只能刻出間距 100nm 的線，那么這時候稍微再移動大概 50nm 再刻一次，這時候線與線的間距就變成 50nm 了。

當(dāng)然除了浸潤式光刻和多重曝光，還有很多技術(shù)可以幫助進一步減小半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)鍵尺寸。但是比起用各種技術(shù)優(yōu)化，直接更換光源會有較大的提升，即從波長為 193nm 的 DUV 光刻機換成波長大致為 13.5nm 的 EUV 光刻機。