治“芯”病还需极紫外光刻机助力

2019年03月07日08:17  来源:中国知识产权报
 
原标题:治“芯”病还需极紫外光刻机助力

图为极紫外光刻机中国专利文献数量地域分布

秦一帆

芯片制造中,最重要的设备就是光刻机,全球最大的光刻机供应厂商荷兰阿斯麦公司( Advanced Semiconductor Material Lithography,下称阿斯麦公司)所交付的新一代极紫外光刻机引起了广泛关注。

在极紫外光刻浪潮来临之际,笔者检索了极紫外光刻机在中国专利文摘数据库(CNABS)中截至1月30日公开的全部专利文献发现,已公开的极紫外光刻机专利文献有1218件:从专利文献数量上看,总量不算多;从专利申请类型上看,发明专利占比较大。结合数据不难得出,极紫外光刻机领域的专业性很强,研发的技术门槛和资金门槛非常高,并且在相关技术上进行改进或突破的难度也很大,相关专利的技术含量高、价值高,从专利保护上看,专利申请人或专利权人期望获得更长的专利保护周期。

极紫外光刻技术很早就被提出并寄予厚望,但在发展过程,随着浸没光刻、双重图形等技术的不断涌现,以及自身技术难题难以克服,其商用化日期被不断推迟,直至最近才让业界重拾信心。从各年提交的专利文献数量的变化趋势上看,其初期发展不如预期,由于同时期浸没式光刻机的蓬勃发展,2005年至2007年,专利文献数量出现显著下滑,2008年重新开始恢复,但仍有震荡,在2012年实现了较大的提高,此后,各年专利文献数量相对平缓。

国外专利布局实力更强

从专利文献的地域分布来看,来自中国申请人提交的专利文献占比为19.21%,其中,来自中国台湾地区申请人提交的专利文献占比为5.42%;而来自国外申请人提交的专利文献占比达79.72%。可见,在极紫外光刻机这一领域,国外申请人的研发实力更强,专利布局更多,其中,来自欧洲申请人的专利文献数量最多,其后依次为日本、美国和韩国。

在我国,极紫外光刻机领域最重要、专利文献数量最多的申请人是阿斯麦公司,笔者检索到该公司相关专利文献有304件,其中,2002年至2004年增长较快,此后数量有所振荡,近年来未见明显增长。同时,笔者也在德文特世界专利索引数据库(DWPI)中检索了其收录的阿斯麦公司的专利文献并进行比较后可知,阿斯麦公司注重在中国的专利布局,一直以来保持较高的在华专利申请比例。近几年,阿斯麦公司在华申请均是通过《专利合作条约》(PCT)途径进入中国,由此也可见,阿斯麦公司在极紫外光刻机上的专利布局着眼于全球化。

除此以外,在我国的其他申请人中,专利文献数量最大的是德国卡尔·蔡司股份公司,其由阿斯麦公司投资持股,合作研发了下一代极紫外光刻机。

另外,尼康公司也是传统光刻机巨头,不过,这些年来在光刻机市场上的占额明显落后,其将研发重点放在纳米压印上。

与此同时,作为使用光刻机的芯片制造厂商,台湾积体电路制造股份有限公司(下称台积电)专利文献数量高于三星电子、海力士、英特尔。相较于其他厂商,台积电在技术研发投入上的态度更为积极;英特尔公司在10纳米节点技术选择上未将筹码压在极紫外光刻机上,因而相关专利文献较少。

国内极紫外光刻机研究工作的主力军主要是科研院所和高校,其中,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(下称长春光学研究所)于2017年6月宣布在国内首次获得极紫外投影光刻32纳米线宽曝光图形,总体科研能力最强。作为国内最大的光刻机研制生产单位,上海微电子装备有限公司在极紫外光刻上也提交了一些专利申请,但数量在该公司的专利申请总量中占比很低。

专利技术偏重各有不同

极紫外光刻机目前的关键技术在于:如何提供更高功率、稳定的光源,以及如何提供更高性能的掩模保护膜组件,而这也明显地体现在检索到的专利文献所涉及的技术热点上。笔者对阿斯麦公司 2014年以后在中国提交的专利申请进行了梳理,其中超半数涉及极紫外辐射源,具体来说,阿斯麦公司选择采用激光等离子体法生成极紫外辐射(LPP-EUV技术),主要技术热点为激光器、微金属靶发生器、辐射收集装置、以及碎片消除及污染控制,此外,另有部分专利申请涉及掩模保护膜组件,主要技术热点为组件的框结构和保护膜叠层材料。

蔡司公司的专利申请明显偏重于传统光学领域,涵盖了极紫外光刻机照明系统和投影成像系统的设计和测量,光学元器件的设计、安装、定位和测量等,此外,蔡司公司还致力于光学组件的反射多层膜技术和掩模缺陷的检测和补偿。

尼康公司在中国提交的专利申请立足于对传统光刻机和曝光方法进行改进,仅指出相关改进适用于极紫外光刻机。

各芯片制造厂商更关注于极紫外光刻工艺和流程上的改进,而台积电近年来也在极紫外辐射源的收集装置和污染控制、掩模保护膜组件框上展开了研究。

在我国申请人中,长春光学研究所的专利申请在极紫外光刻机的各方面均有涉及,其中,在光学组件的反射多层膜技术上有较多涉及,特别是提高光谱纯度和对中间交替层进行改进;哈尔滨工业大学的专利技术着重于利用放电等离子体法产生极紫外辐射(DPP-EUV技术)或基于DPP-EUV的激光辅助放电技术;华中科技大学着重于LPP-EUV技术;北京理工大学的专利文献主要涉及光刻机照明系统和投影成像系统;中国科学院光电研究院的专利文献多涉及超洁净环境的保持和光学器件的安装定位;上海光学精密机械研究所则关注掩模缺陷补偿技术。

总结国内外主要申请人的专利文献数量、发展趋势和技术热点可知,在极紫外光刻机领域,我国的整体技术实力和专利布局明显落后,虽然近年来加快了在各方面的研究步伐和专利布局,但在诸如掩模保护膜组件等关键点上仍很薄弱。我国各高校和企业注重对极紫外辐射源展开全面研究,在这一关键技术上获得自主知识产权为我国实现极紫外光刻机的自主研发制造奠定了基础,但应当注意到许多技术成果仅限于科研阶段,和产业的结合不够紧密。

(责编:龚霏菲、王珩)