在中国国际工业博览会上,一家名为朗道光刻的上海初创企业展出了一台极紫外光源系统原型机。这是国产极紫外设备从实验室走向产业化应用的关键一步。
该原型机的零部件国产化率已达90%,大部分核心部件由研发团队自主攻克。在外部出口管制持续收紧的背景下,中国在先进制程芯片制造的最核心环节取得了阶段性进展。
按照目前的推进规划,该设备距离真正的商业化量产还需要三到五年的时间。如果将光刻机视作芯片制造皇冠上的明珠,极紫外光源就是这颗明珠的心脏。
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目前最先进的光刻机必须采用波长仅为13.5纳米的极紫外光,只有这种波长的光线才能经济地制造5纳米乃至3纳米的先进制程芯片。
由于13.5纳米波长的光在自然界中几乎不存在,且会被空气和普通透镜强烈吸收,整个光路必须在严苛的真空中运行,并依靠复杂的多层膜反射镜进行传导。制造这种极紫外光,需要采用激光等离子体技术。
具体而言,就是利用高功率激光,以每秒数万次的极高频率精准轰击飞行中的微小锡液滴。锡滴被高温等离子化后,才能辐射出极其微弱的极紫外光。
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这项底层技术最初由Cymer公司发明,随后被荷兰阿斯麦公司全面收购并垄断。朗道光刻此次展示的原型机,正是突破了这一由阿斯麦长期独占的光源生成技术。
尽管国产化率已达九成,剩下的一成依然涉及特种材料、高端激光器以及精密传感器等高难度领域。对于这款原型机而言,能够发出13.5纳米的极紫外光只是第一步,距离真正的芯片制造还有两道关键的工程验证门槛。
第一是光源的输出功率。极紫外光在传导过程中衰减极大,如果功率不足,就无法完成晶圆上的曝光刻画,商用要求光源达到兆瓦级。目前的数据显示,该系统已经可以达到千千瓦级别的能量输出。第二是长期运行的稳定性。
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芯片制造要求光源不能仅维持两三分钟的峰值功率,而是必须在整个光刻流程中持续、稳定地输出,经受住长时间高强度工作的考验,这是原型机未来需要向商用设备跨越的巨大挑战。
面对中国在极紫外光源领域的实质性推进,长期处于垄断地位的阿斯麦感受到了前所未有的商业压力。除了极紫外技术的突破,中国在深紫外光刻机领域的应用同样超出了外界预期。
从2012年到2026年第一季度,中国已累计采购了343台浸没式深紫外光刻系统,其中270台属于先进型号。通过多重曝光工艺,这些原本主要用于成熟制程的设备已经被成功应用于7纳米先进制程芯片的制造。
在这种技术夹击下,阿斯麦采取了大规模出货的商业策略,试图压制中国自主研发的动力。今年第三季度,阿斯麦对华销售额激增109%,达到29亿美元,中国市场的设备份额也从第二季度的14%迅速攀升至23%。
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这种通过超量销售成熟与非受限设备来挤压自主研发空间的做法,被业内视作一种温水煮青蛙的阻击策略。在这场全球半导体技术供应链的角力中,中国同样握有反制的关键筹码。
现代高科技产品,包括阿斯麦光刻机内部用于生成激光离子的金属光学高敏器件,都离不开稀土材料的支撑。近期,一家为阿斯麦提供关键材料的德国供应商,因为中国的出口管制措施而面临停工危机,直接威胁到了阿斯麦的供应链运转。
在相互制衡的局面下,欧盟负责贸易事务的代表谢夫乔维奇近期在北京与中国商务部部长王文涛进行了深入谈判。面对稀土等原材料的供应链压力,欧盟方面已经考虑在一定程度上放宽对华技术限制,以此作为交换,希望中方解除相关材料的出口管控。
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除了在传统光刻机路线上死磕,中国还开辟了另一条绕开阿斯麦设备壁垒的路径,即纳米压印技术。这项技术避开了传统设备面临的精密光学分辨率瓶颈,选择直接将电路图案像盖章一样物理压印到芯片表面。
总部位于杭州的普林技术已经向深圳的立泽科技交付了首台名为PLAS-L的纳米压印微影设备。普林技术的负责人葛海雄,曾长期跟随美国国家工程院工程师周宇进行技术研发。
早在2017年,周宇就通过聚合物成型技术突破了100纳米的物理限制,将分辨率推进到了接近原子级别的10纳米。与传统的极紫外光刻机相比,纳米压印设备的最大优势在于生产成本大约能降低90%。
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尽管普林技术早在去年就已完成设备的交付,但至今并未向国际市场大范围公开其量产进度。在半导体制造行业,一项新技术能否真正走向大规模商业化,最核心的指标是良率。
在缺乏明确良率数据支撑的情况下,纳米压印技术距离真正的全面商用,同样还需要三到五年的时间进行工程验证与优化。
无论是自主攻克极紫外光源这一光刻机的心脏,还是另辟蹊径发展纳米压印技术,从实验室走向晶圆厂的量产产线,都是技术创新中最艰难的死亡之谷。中国半导体装备制造的这场长跑已经从图纸走向了实物。
在未来的三到五年里,这些原型设备能否稳定跳动并突破良率与成本的关口,将是决定全球芯片产业新格局的关键所在。
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