2002年第2期机器人技术与应用我国“十五”期间 IC 制造装备的发展战略研究汪劲松 朱 煜 清华大学制造工程研究所摘 要 本文将通过世界 IC 工艺装备的发展趋势和国内现状的分析,从十五“863”重大专项的角度,对我国的 IC 装备发展战略进行探讨 。提出以 100nm 的光刻机等关键设备为战略目标,以自主技术创新突破和产业化为目的,实现我国 IC 装备技术和产业的跨越式发展。 关键词 集成电路;制造装备;光刻机;发展战略;工艺引 言在经济全球化、信息化的今天 , IC 产业无疑是影响国家经济 、政治和国防安全的战略必争产业 。在 IC 产业中, IC 装备有着极其重要的战略地位 ,受到了美国 、日本 、欧洲和包括台湾、新、马等亚洲各 IC 产业新生力量的高度重视 , 纷纷制定国家战略予以大力支持 。目前, 世界 IC 装备产业已成为 IC 产业的驱动力和重要组成部分 , 美国半导体设备协会预测 2001 年全球半导体生产装备需求已达到 340 亿美元 ,并继续快速增长。近年来 ,在国家大力发展信息产业方针的引导下 , 北京、上海 、深圳等地引进了一批较为先进的 IC 生产线, 中国微电子产业进入了蓬勃发展的新时期 ,我国 IC 产业的崛起已成定势 。但是 ,在西方发达国家的技术封锁下 ,如果缺乏自主 IC 装备的支撑 ,单纯依靠引进生产线 ,我国 IC 产业只能是“代代引进 、代代落后” , 我国 IC 产业的发展永远受制于人 , 难以达到世界先进水平 。没有自主 IC 装备产业形成 IC 的完整产业链 ,我国至多只能发展成 IC 大国,而不可能成为IC 强国,无法实现我国 IC 产业的真正崛起。这与我国的强国战略是极不相符的。IC 工艺装备的战略地位已经受到了中央政府的高度重视, 研究、制定、实施我国 IC 装备技术和产业的发展战略已成当务之急 。本文将通过世界 IC 工艺装备的发展趋势和国内现状的分析 , 从十五“863” 重大专项的角度, 对我国的 IC 装备发展战略进行探讨 。 1 世界 IC 工艺与制造装备的发展趋势 1.1 世界 IC工艺的发展趋势自从 1958 年美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路起, 40 余年来世界 IC 产业经历了小规模、中规模、大规模、超大规模和特大规模集成电路的发展阶段。单块半导体硅晶片上集成的元器件数目越来越多 ,集成电路的功能和速度飞速提高 ,并遵循著名的摩尔定律 :集成电路的性能每过 18 个月提高一倍, 其加工图形特征尺寸每 3 年更新一代 , 缩小 2倍。目前,在深亚微米超精细微加工工艺的支持下, 硅片上制作 CMOS 的图形特征尺寸已达到 0.18 0.13m ,集成度达到 108 ,CPU 的速度达到每秒数千兆次(G)的水平 。光刻技术和相关 IC 工艺和装备的不断进步 , 使得 IC 制造技术的极限不断被打破 , 摩尔定律继续发挥作用 ,目前正逼近 100nm 水平 ,并向 100nm 以下继续发展。研究表明 , 目前占据 IC 主流的 CMOS 器件至少可以达到 35nm 特征尺寸 ,CMOS 工艺有着非常广阔的发展前景。为协调各大公司和研究机构 IC 工艺研究和设备研制的进展, 满足 IC 工艺技术水平发展的需要 ,美国半导体工业协会(SIA)从 1992 年开始研究并发布半导体技术发展路线(NTRS ,或 RoadMAP),揭示 IC 工艺 5 2002年第1期机器人技术与应用技术水平今后 15 年按照摩尔定律的发展趋势和技术路线 , 每两年调整的 RoadMAP 反映出实际发展时间有所提前 。由于美国在世界微电子业的领导地位 ,这一发展路线对于微电子装备的技术发展趋势具有重要的参考价值(表 1)。表中列入了 2001 年国际半导体协会(ITRS)发布最新的世界 IC 工艺技术发展蓝图。的超精细微加工。由于 IC 核心装备的研发难度极高,目前只有少数西方发达国家能够提供,并形成美国、日本、欧洲三强鼎立的局面。集成电路超精细微加工工艺包括光刻、刻蚀、氧化、扩散 、掺杂 、溅射 、CMP 等工艺 , 涉及近百道工序 , 工艺非常复杂, 设备要求极高 。其中 ,实现超微图形成像的光刻技术一直是推动 IC 工艺技术水平发展的核表 1SIA 和ITRS公布的世界 IC工艺技术发展RoadMAP(特征尺寸:m) 年份20012002200320042005200620072008200920102011201220132014SIA94版0.180 .130.100.07SIA97版0.150.130 .100.070.05SIA99版0 .130.100 .070.050.035ITRS2001版0.130 .100 .070.050.035另一方面 , IC 工艺及其装备递进发展 、多代共心驱动力。 存 ,一个时期存在丰富的工艺层次 。在进行大规模生目前 0 .25 m 生产线采用的主要是 248nm 氪氟 产前 3 4 年进行试生产 ,开始投入规模生产的最先(KrF)准分子激光器光刻机 , 而最先进的 0 .18 和 进生产线仅占全部 IC 生产线的一小部分 , 大部分生0.13 m 生产线则仍使用 248nm 光刻机采用分辨率增 产线的工艺水平则低一至两代 , 而低好几代的工艺强技术(RET)实现。同时, 采用 193nm 的氩氟(ArF)准装备会在较长时间内被继续使用 。2001 年日本和美分子激光器作为光源的光刻机也已经推出了商业化 国开始 0 .10 m 工艺的试生产 , 最先进的规模生产线样机 ,可以直接用来进行 0 .18 和 0.13m 的 IC 制造 , 为 0.13 和 0.18 m 工艺水平, 约占 10 %, 60 %以上的目前国外采用分辨率增强技术将其用于 0.1 m 工艺 生产线为 0.25 和 0.35m ,其余 20%多为大于0.5m的试生产, 为大规模生产做准备。工艺的生产线 。由此 ,可以预测各工艺层次的大致发由于 IC 工艺飞速提高 ,如何实现 0 .07m 及以下 展构图 ,如表 2 所示 。工艺水平的光刻成了 IC 产业关注的焦点。目前 ,除进表2 世界集成电路工艺水平层次发展预测(特征尺寸:m) 年份20012004200720082010201120132014开始试生产0.100.070.050 .0350.025开始量产(约10%)0.130.100.070 .050 .035主流生产线(50%以上)0 .35 0 .250 .25 0 .180.18 0 .130.13 0.100 .10 0 .07残留生产线(约20%)0.50以下0.35以下0.25以下0 .18以下0.13以下综上所述,世界 IC 产业将在 2004 开始 0.1m 工艺的规模生产 , 2008 年开始 0 .07m 工艺的规模生产 ; 2010 2012 年 0.13 0.10m 工艺将成为主流,20132015 年 0.10 0 .07m 工艺将成为主流。1.2 世界 IC 工艺装备的研究现状和发展趋势一代 IC 工艺离不开一代 IC 工艺装备的支撑,IC 技术的飞速发展需要先期推出符合 IC 工艺要求的商业化 IC 制造装备 ,以实现 IC 制造所需的深亚微米高成品率 6一步采取多种技术提高 193nm 激光器的光刻分辨率外 , 采用 157nm 的 F2 准分子激光器作为光源显然可以更进一步提高分辨率 。但是, 由于短于 157nm 的激光将找不到任何可以透射的物质制造光学透镜 ,因而传统光学光刻技术无法继续通过缩短波长提高分辨率 ,估计 0 .07m 将成为传统光学光刻的技术终点 。目前 ,除欧洲公司投入巨资致力研制 157nmF2 准分子激光光刻机外, 美国和日本基本上都不再将重点放在传统光学光刻机的继续研制上 ,纷纷投入巨资研发不2002年第2期机器人技术与应用同于传统光学光刻的下一代光刻机(NGL)。下一代光刻机主要包括 X 射线光刻机(XRL)、电子束投影光刻机(SCALPEL)、电子束直写(EB)、极紫外光刻机(EUVL),其中采用 13 .7nm 软 X 射线和多层膜反射式光学系统的 EUVL 被认为最具发展前景 。美国由 INTEL 、IBM 、MOTOROLA 等多家大型公司和研究机构联合组建的 EUV LLC 已经研制出了 EUVL 的试生产样机 , 估计正式推出商业化样机将至少还需要0.25m 的水平 , 中芯国际今年 9 月底更成功实现了0.18m 试流片 , 引进设备的水平仅落后国外一至二代。但是,由于引进生产线在引进和使用时受到较为严格的限制, 且随时可能遭受更为严厉的封锁 , 加之 IC 装备的重要战略地位 ,我国迫切需要尽早在现有的基础上发展自主 IC 装备技术和产业 。 2.1 我国自主 IC 装备的技术和产业基础目前我国有 10 家主要的设备企业和研究机构 ,4年 ;在日本政府的大力资助下, 尼康 、理光、富士通等多家 IC 装备的大型公司共同参与的 ASET 计划也正进行 EUVL 和 EB 的研究 ,并计划于 2007 2008 年推出 EUVL 的商业化样机 。但是, 未来 70nm 以下何种光从事 IC 装备的研究与开发 , 其研究方向和研发产品涉及材料制备、制版设备、前工序设备、后工序设备等领域 ,并已形成一定层次的产品研发能力和相应的技术积累 。但是 ,由于长期以来在集成电路装备发展战表 3 我国 IC 工艺装备技术水平设备门类技术水平及种类主要研制单位 6英寸以下材料制备设备, 如单晶炉、切、磨、抛等;45所、兰新设备公司、西安材料制备设备 8英寸材料制备正在研发;理工大学、上海汇盛公司等光刻机:包括电子束曝光机、I-线分步投影曝光机、准分子激光光刻机 0.8 1 m、6英寸-试生产样机; 0.5 m -原型样机研制与单元技术开发;45所、48所、中科院光电所、 前道工序设备0.35 m-部分单元技术突破;清华大学、 700厂、 708厂、 709厂、北京仪器厂、中科院其它装备:微电子中心、丰德公司等磁增强金属刻蚀机、大束流离子注入机、 平坦化IMD、磁控溅射、 立式LPCVD、 GaAs汽相外延设备、快速热处理等;45所、709厂、4506厂、漓江 后道工序设备塑封机、粘片机、金丝球焊机、键合机、打标机、划片机、切筋打弯机、 IC无线电专用设备公司、铜陵 编带机、电镀线设备等三佳公司等苏州净化设备厂、重庆无线净化设备空气净化设备、气体纯化设备、超纯水设备、净化检测仪器等电专用设备厂等刻技术将成为主流目前尚不明朗, 0 .1 0.07m 这一重要的技术节点将为我国光刻技术的发展带来极大的机遇。除光刻机外,世界各大IC 装备厂商目前主要为0.130.25m生产线提供所需包括材料、芯片制造、封装的配套装备。同时,着眼于下一代生产工艺,美国、日本、欧洲纷纷建设 0.1m 的试生产线,研制和改造满足 0 .1m线宽的 CMOS 工艺和铜引线工艺的全部装备 ,力争2004 年实现 0.1m 的规模生产。2 我国IC 制造装备的现状与问题虽然国内合资公司引进的 IC 生产线已达到略上的问题 ,我国集成电路装备技术水平与国外存在较大的差距。目前 ,我国自主 IC 装备在整机水平上落后达国家 4 代, 单元技术水平差 1-2 代。已基本具备为 0 .8 1m 、6 英寸 IC 生产线提供试生产样机的能力, 0.5m 、6 英寸水平的主要设备初步完成原型样机的开发 , 0.35m 以上水平设备的单元技术已有一定突破(表 3)。值得指出的是, 我国虽然在传统光刻技术上较为落后 ,但由于近年来国家有关方面的大力支持, 我国已经进行了 XRL 、SCALPEL 、EUVL 、EB 等下一代光刻技术的研究 , 并掌握了一些核心