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曹健林:九年风云集一镜

发布时间:2018-09-06 09:45:24


——对我国首套高端光刻投影物镜研发历程的回顾与思考

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半导体行业内装备材料是牵动行业壮大 发展的关键,尤其高端光刻机更是“工业皇 冠上的明珠”。在 9 月 5 日上午举行的第二十 届中国国际光电博览会(CIOE 2018)暨全球 光电大会(OGC)开幕式之后,2018 全球光 电产业技术大会主题报告环节,来自中国科 技部原副部长曹健林分享了《我国首套高端 光刻投影物镜研发历程的回顾与思考》的精彩报告。


曹健林表示,能在 CIOE 中国光博会这个 场合作这个报告,感慨万千。有两个特别主 要的理由,一个理由是中国光博会已经成为 国际上规模最大的光电产业博览会。


坦白说,我们在十年前就达到国际上规 模最大,但在跟国外同行交流时,我自己心 里也知道,国外同行也直言不讳的指出,你 们展出的高端产品不够。什么叫高端产品? 从经济学角度讲,就是技术构成比较复杂, 附加值比较高,卖得贵的产品,也是那种需 要长期积累的产品,技术积累。比如说大家 都知道光刻技术。我是 1988 年时在日本做我 的博士论文,就是软X射线光学和相关多层 膜技术。这个当时设定的目标就是为了下一 代的光刻。因此当我回国之后做科研,一直 在想什么时候能有中国的光刻机。光刻机是 我们一个长远的梦。
第二,在今天这个场合来讲这个主题,更 有特殊的意义。中兴通讯就座落在我们这个 城市,两度遭到美国的制裁。大家谈“我的 中国芯”,芯片在哪里?怎么做芯片?做芯 片最高端的产品,它最重要的一道工序就是 光刻。


集成电路制造的高端光刻机,是当代工 业皇冠上的明珠,这个明珠对于光学来讲, 集中体现在一个曝光光源系统,是由照明系 统和投影物镜组成的。投影物镜更是光刻机 的核心部件,是光刻机技术难度的集中体现, 也是当前最为复杂、最为精密的光学系统。 为了研发这类光学系统,催生了所谓超精密 光学系统。今天我见到我们很多老师前辈,我们有精密光学,但我个人认为中国做超精 密科学是从光刻机的研发开始。


这也是一个长的历史过程。改革开放之后 从 80 年代开始,中央政府就支持光刻机的研 发,但那时候技术基础不够、投资强度也不够, 到 2000 年之后,在 2006 年国家制定的中长期 科技发展规划中确定了要研发集成电路生产 的关键装备。当时经历了大量讨论、研究, 是不是要研制光刻机。最终还是确定了我们 要做光刻机。因此,2007 年开始启动了 90 纳 米节点的曝光光学系统立项论证,经过一年 论证,项目获批。中国开始真正做超精密光 学技术及其高端光刻机系统的研发工作。我 们支持了两部分,今天跟大家报告的是走得 比较成功的部分,是一个合作的产品。物镜 是由中国科学院长春光学精密机械与物理研 究所国家重点实验室,本人从 1990 年开始是 这个实验室的常务副主任,1995年开始是这 个实验室的主任,一直到今天还是这个实验 室的主任,我对这个过程历历在目。我们和 照明系统,上海光机所信息光学与光电技术 实验室一起做的。


一期投入 6 亿,主要是建立物镜超精密光 学研发团队及研发平台。大家可能要问,这么 多钱,这么贵。今天一个中等比较高端的光刻 机产品,工作波长是 193 纳米,大概卖 60008000 万欧元,一台 EUV 的光刻机是 1.2 亿欧 元左右。它的装备、环境建设也是非常必要的, 是很庞大的昂贵的系统。这里包括设计、加工、 检测、镀膜、装条等等。在座可能很多都是 光学界的老前辈,都是咱们熟悉的,但咱们 不熟悉的是都是高精度,而且要系统协同一 起做。在研发体系上,要引入系统工程的思想, 构建面向复杂产品研发的集成化产品开发策 略,我们要攻坚克难。所有技术,无论是设 计、加工、检测、镀膜,都要做到最高水平, 同时还有一个产业化发展的目标。不是要你 在实验室做出来,做出来要到生产线,而且 要批量生产。


从 2008 年开始启动,到 2012 年年中时,基本具备了研发所需要的基本实验条件。基 本实验条件没有几亿砸进去是构成不了的。 2013 年 9 月通过整机单位组织的 CDR 评审, 2015 年完成物镜集成装配,然后测试。


在座有很多做光学加工、精密器械的老 前辈,很多都是国内的核心单位。本人也当 过长春光机所九年的所长,在中国,如果没 干光刻机之前,我们的复杂精密光学设备, 基本上是由几个光机所在做,我们对这个东 西熟悉,但光刻机的要求,我们是不熟悉的, 是重新开始。我们要把这么多约束和目标结 合在一起。像今天很多所谓研究所、大学, 把任务拿来,你设计,他加工,他电装,再 控制,然后再往一起装。我们看到的教训, 这样做是肯定做不出来现在的光刻机,关键 是协同一起做。


这套东西是上海微电子装备公司SMEE 带动了今天整个光刻机大家庭,都要按照一 套规定的研发程序。首先要明确定义,然后 有所谓 RDR,所有的关键技术、方案评审, 要经过考核,然后再做 PDR、CDR,确定制 造工艺之后再生产、系统集成。现在是按照 这套东西严格地一步步做,而且也是在研发 光刻机的过程中逐步积累起来。


在设计、加工、制造、集成阶段,大家 都很好的在一起工作,系统的协调,碰到问 题共同攻关。这里给出了一个任务书上的核 心指标,总体波像差,指标要求小于 6.5 纳米。 经过计算机模拟预测,预测小于 4.2 纳米。实 测结果,这是总体给出的要求小于 12 纳米。 这个结果,高于传统中国最高加工精度一个 数量级。


检测精度达到0.1nm左右,实际加工的 元件面形优于0.4nmRMS,这实现的精度比 没有研发光刻机之前提高了一个数量级。


整机曝光工艺测试结果为 90nm 的密集曝 光线条,在电镜检测的照片,去年 10 月通过 曝光工艺验收。结果是从85nm 到 150nm,密 集线清晰可见。当然,这还有工艺等等,但 曝光是打下了第一步的基础。今年年初通过一期项目评审,大家评价是突破了国外的技 术限制,创建了我国的超精密光学技术体系, 标志着我国已经具备了高端光刻机曝光工艺 系统的技术研发能力。今年1月份通过了国 家任务验收,考核成绩是优秀,达到 91 分。


另一方面我们也在积极做量产的准备。在 4年前,我们就开始筹备,卖出第一部是长春, 注册成立了中国第一家专门干高精度光学元 器件和组件、部件的长春国科精密光学技术 有限公司。今年 6 月在北京市地方政府的大力 支持下,成立了北京国望光学科技有限公司, 在亦庄。这也是和集成电路大基金共同商定 的结果,大基金也要接着投入。


目前在长春和上海,感谢这两个所的大力 支持。在长春,现在有一个差不多3万平米 的楼,在上海嘉定做了一个产业园区。目前 在长春跟上海两地的建筑面积 2.6 万平米,其 中超精密环控实验室 7000 平米,已经投了大 概 5 亿进去,下一步在亦庄,投资规模 60 亿 生产基地,一期投 20 亿元,目前已经在找地 面做准备,地块总面积 6 万平方米。


我们在北京有一个总公司,是产业化总 部,专门负责国际化市场主体,目前长春是全 资子公司,分工是做物镜系统研发;上海分 公司做照明系统研发。目前正在承担的任务, 刚才 90nm 准备在生产线上用,现在攻关的是 ArFI28nm 节点曝光光学系统技术,另外一个 是 KrF110nm 节点曝光光学系统产品研制,明 年希望能出两台以上。


我们希望在座很多同行,掌握自己独到技 术的企业、研究所你们有幸参与到这个队伍 中来的,可以和我们联系。


最后谈点体会:第一,“世上无难事,只 要肯登攀”。中国革命,包括中国的科技发展, 一再证明这一点,只要中国的科技队伍下决 心,“两弹一星”我们能做,光刻机我们也能做。


第二,战术上必须重视,必须有足够的投 入。我们想做这件事情几十年了,但为什么 2008年以后真正下功夫了?钱,相关支持真 正到位了。


第三,真的还不能只关注技术攻关,技术 指标,还要必须建立全新的技术研发管理与 支撑体系。研发的方法和团队的组织,一定 要有足够的科学性。


第四,它的确不仅仅是科技界自身的事 情,这种重视和支持必须是全方位,要创造 一个发展的大环境。这也是中国难得的优势。 我们也有一些劣势,比如目前在技术交流、 关键元器件的购置方面碰到了一些障碍,但 我们也有我们的优势,我们可以动用中国政、 产、学、研、用甚至金融各方面力量大家一 起发展。


最后也是我们感受很深的,团结合作是我 们赶超的唯一途径。合作的范围与成功的可 能性呈正比。在座都是业内人士,大家有什 么超精密的加工、检测、控制技术特别是在 一些执行元器件和传感器方面,如果有独到 的,可以有用武之地的,建议大家跟我们联系, 我们这支队伍是开放的,谢谢大家!