一、光刻機哪個國家能造

光刻機作(zuo)為芯片產(chan)業制(zhi)造(zao)中不可缺少的設備，也(ye)是工時和成本占比最高(gao)的設備，更是全球頂尖技(ji)術和人類智慧的結晶。那么(me)目(mu)前有哪些國家可以制(zhi)造(zao)出光刻機(ji)呢？

目前(qian)在制造光刻機領(ling)域中，荷蘭已經達到了領(ling)先(xian)全球的(de)水平，荷蘭的(de)ASML公司占據了全球市(shi)場(chang)份額的(de)80%。

除(chu)了荷蘭以(yi)外，日(ri)本(ben)和(he)中(zhong)國(guo)(guo)也可以(yi)制(zhi)(zhi)造(zao)出光(guang)刻機。日(ri)本(ben)代表(biao)的企(qi)業(ye)是(shi)(shi)(shi)佳能和(he)尼康，中(zhong)國(guo)(guo)的代表(biao)企(qi)業(ye)是(shi)(shi)(shi)上海微電子。雖然我國(guo)(guo)目前只能制(zhi)(zhi)造(zao)出90納(na)米的光(guang)刻機，但是(shi)(shi)(shi)我國(guo)(guo)已經(jing)加(jia)大了科研投入和(he)人才(cai)培養，相信在不久的將來，就能制(zhi)(zhi)造(zao)出屬于自己的光(guang)刻機。

二、光刻機的難度在哪里

1、光源問題

光刻機以光為媒介，刻畫微納于方寸之間，實現各種微米甚至納米級別的圖形加工。目前，世界上最先(xian)進的光(guang)刻(ke)(ke)機(ji)已經能夠加工13納米(mi)線條。而(er)我們人類的頭(tou)發(fa)絲直(zhi)徑大約(yue)是(shi)50~70微米(mi)，也就是(shi)說，光(guang)刻(ke)(ke)可以刻(ke)(ke)畫出(chu)只有(you)頭(tou)發(fa)絲直(zhi)徑1/5000的線條。

前面提到的荷蘭ASML公司的極紫(zi)(zi)外(wai)光刻(ke)機（EUV）是現在全球最頂尖的光刻(ke)機設(she)備，相較于(yu)DUV，它把(ba)193nm的短(duan)波(bo)紫(zi)(zi)外(wai)線替(ti)換成了13.5nm的極紫(zi)(zi)外(wai)線，能夠把(ba)光刻(ke)技術(shu)擴展(zhan)到32nm以下的特(te)征(zheng)尺寸。

EUV光刻機的(de)光源來(lai)自于(yu)美國的(de)Cymer，這個13.5nm的(de)極紫外(wai)線(xian)(xian)其(qi)實是從193nm的(de)短波(bo)紫外(wai)線(xian)(xian)多次反射之后得到的(de)。

簡單來說，就是用功率為250的二氧化碳激光去不斷轟擊滴落下來的金屬錫滴液，在進行連續轟擊之后，就能激發出EUV等離子體，從而獲得波長更短的光。在(zai)這(zhe)個過(guo)程中，每秒大(da)約要攻擊5萬個滴液，而一個金屬錫滴液，其(qi)實只有20微米的大(da)小。

這是個什么概念？就是相當于從地球上發射出了一束手電光。足以可見其精密(mi)程(cheng)度(du)。光源的(de)問題，就是光刻機制造的(de)難點(dian)問題之一(yi)。

2、反射鏡

光(guang)刻機的第(di)二個難點，是用(yong)來調(diao)整(zheng)光(guang)路和聚焦的反(fan)射鏡。

普通光刻機的(de)(de)物鏡(jing)是透鏡(jing)，高端光刻機的(de)(de)物鏡(jing)是反(fan)射(she)鏡(jing)，反(fan)射(she)鏡(jing)還得利用Bragg反(fan)射(she)的(de)(de)原理添加涂層。

反射鏡的(de)(de)作用是(shi)把模板上(shang)的(de)(de)電路圖等(deng)比例(li)縮(suo)小(xiao)，在硅片(pian)上(shang)以電路圖的(de)(de)形式呈(cheng)現出來，這是(shi)制造芯片(pian)的(de)(de)關鍵元件。

ASML公司EUV的光學元件都來自于以(yi)做光學器件出(chu)名(ming)德國(guo)的蔡司，當(dang)然其中也(ye)包括(kuo)光刻機的反射鏡。

EUV多層膜反射鏡作為光(guang)學系統的(de)重要元件，成為了EUV光(guang)源的(de)一(yi)項關鍵技(ji)術，需實(shi)現EUV波段的(de)高反射率。

近(jin)年來(lai)，科研(yan)人員們通(tong)過研(yan)究發(fa)(fa)現，采(cai)用Mo/Si多層(ceng)膜制(zhi)備出的反射(she)鏡對中心波長為13.5nm、光(guang)譜帶寬，在2%以內EUV光(guang)的反射(she)率可(ke)達(da)70%。通(tong)過將Mo原(yuan)(yuan)子和(he)si原(yuan)(yuan)子交替排列，可(ke)使13.5nm的EUV光(guang)在其中發(fa)(fa)生干涉(she)，從而得到較高的反射(she)效率。

一句話來感受一下(xia)EUV反射鏡精(jing)度到底有多高？假(jia)設(she)差不多半米直徑的(de)鏡面(mian)是德國國土面(mian)積那(nei)么大(da)，那(nei)么其局部(bu)的(de)凹凸(tu)不能超過(guo)1mm。

光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)上面反射鏡的制造，也是光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)技術(shu)的一個難(nan)點。

3、工作臺

光刻機(ji)的(de)(de)工(gong)作(zuo)臺(tai)控制了芯片在制造生(sheng)產中的(de)(de)紋路(lu)刻蝕(shi)，工(gong)作(zuo)臺(tai)的(de)(de)移(yi)(yi)動精度(du)越高，所加工(gong)的(de)(de)芯片精度(du)就越高。這對于國(guo)(guo)家(jia)的(de)(de)硬件能(neng)力(li)和軟(ruan)件能(neng)力(li)都是考驗，即使(shi)是科技實力(li)十分強大的(de)(de)美國(guo)(guo)也無(wu)法做到壟(long)斷光刻機(ji)移(yi)(yi)動工(gong)作(zuo)臺(tai)。

ASML公(gong)司的(de)(de)(de)EUV光刻(ke)機工作臺采用的(de)(de)(de)是一種高精度(du)的(de)(de)(de)激光干(gan)涉(she)儀(yi)，以此進行(xing)微(wei)動(dong)臺的(de)(de)(de)位(wei)移測量(liang)，構建出一個閉環的(de)(de)(de)控制(zhi)系(xi)統，進而實現(xian)納(na)米級的(de)(de)(de)超精密同步運動(dong)。

光(guang)刻機(ji)分辨(bian)率(lv)的日益提高對光(guang)刻機(ji)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)臺提出了更高的要求(qiu)，在工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)臺運(yun)行(xing)過程中，需要花費(fei)更多的時間對準以保證光(guang)刻機(ji)的工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)精度。

也就(jiu)是說，怎樣在保證不浪費(fei)太多時間的(de)同時確保工(gong)件的(de)精(jing)度(du)？這是個問(wen)題。

在(zai)芯(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)造(zao)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，并不是一次(ci)曝光就(jiu)可以完(wan)成的，在(zai)制(zhi)(zhi)造(zao)過程(cheng)(cheng)中(zhong)要(yao)經歷多次(ci)曝光，這(zhe)也就(jiu)意味著，在(zai)芯(xin)片(pian)制(zhi)(zhi)作(zuo)過程(cheng)(cheng)中(zhong)要(yao)進行多次(ci)對準操作(zuo)（每(mei)一次(ci)曝光都(dou)(dou)要(yao)更換不同的掩(yan)(yan)膜(mo)，掩(yan)(yan)膜(mo)與硅晶圓之間(jian)每(mei)次(ci)都(dou)(dou)要(yao)對準操作(zuo)）。芯(xin)片(pian)的每(mei)個元件之間(jian)都(dou)(dou)只有幾納(na)米的間(jian)隔，在(zai)這(zhe)種情況下，掩(yan)(yan)膜(mo)與硅晶圓之間(jian)的對準誤差都(dou)(dou)必須控(kong)制(zhi)(zhi)在(zai)幾納(na)米范圍內(nei)。

一次對準可能相對來說比較容易，但芯片的制造需要多次曝光多次對準，在曝光完一個區域之后，放置硅晶圓的曝光臺就必須快速進行移動，接著曝光下一個需要曝光的區域，想要在多次快速移動中實現納米級別的對準，這個難度相當大。就(jiu)相當于端著一碗湯做(zuo)蛙跳，還得保證跳了(le)幾十次之后一滴湯都(dou)沒灑出來。

工(gong)作臺技(ji)術不論是從精度還是時間效率上來(lai)說，均是光刻機技(ji)術上的一(yi)個難點(dian)。

4、耗電問題

光刻(ke)機要在工(gong)作(zuo)過程中(zhong)穩定地輸出高功率的(de)光線，以支持其在晶圓(yuan)上的(de)持續刻(ke)蝕(shi)。為了實現芯片的(de)工(gong)業(ye)化量產，光刻(ke)機在耗電能力上也有極致的(de)追求(qiu)。

最關鍵的(de)還是，EUV光刻機還非常費電，它需要(yao)消耗(hao)電量把(ba)整(zheng)個工(gong)作(zuo)環境(jing)都抽成真(zhen)空以(yi)避免灰塵，同(tong)時(shi)也可以(yi)通過更高(gao)的(de)功率來彌(mi)補自(zi)身能源轉換(huan)效率低下的(de)問題，一般設備運(yun)行之后(hou)每(mei)小時(shi)就會(hui)損(sun)耗(hao)至少150度的(de)電力。

這種極(ji)度耗電的問題，也是(shi)光刻機制造中(zhong)的一個難點。

除此之外，次級電子對光(guang)刻膠的曝光(guang)、光(guang)化學反應釋放氣(qi)體，EUV對光(guang)罩的侵蝕等種種難題都要一(yi)一(yi)解(jie)決(jue)。這(zhe)種情況(kuang)就導致很長(chang)一(yi)段時間(jian)內(nei)EUV的產量極(ji)低，甚至日均產量只有1500片。

當(dang)然(ran)，除(chu)了上面提到(dao)的(de)幾點(dian)之外，光(guang)刻機的(de)研發(fa)還面臨著(zhu)很多難點(dian)，光(guang)刻機對(dui)(dui)工作環境的(de)要(yao)求極(ji)(ji)高，它必須要(yao)在超潔凈的(de)環境下才(cai)能夠運行(xing)，一點(dian)點(dian)小(xiao)灰塵落在光(guang)罩上就(jiu)會帶來嚴重的(de)良品率問題，并(bing)對(dui)(dui)材料技(ji)術、流程控制等(deng)都有更高的(de)要(yao)求。最致(zhi)命(ming)的(de)一點(dian)，就(jiu)是(shi)光(guang)刻機的(de)研發(fa)成本極(ji)(ji)高。

結語：光刻機制造在光源、物鏡、工作臺、研發投入、工作環境等領域都面臨著不小的難點，也正因如此，光刻機技術久久都未取得明顯突破，我國在芯片制造上依舊面臨被卡脖子的困境。但目前(qian)我國在光(guang)(guang)刻(ke)機技術上已經(jing)取(qu)得了一些(xie)小小的(de)突破，國產(chan)光(guang)(guang)刻(ke)機未來可期！期待(dai)中國光(guang)(guang)刻(ke)機打破壟斷，走向世界的(de)一刻(ke)。