一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯(xin)片(pian)產業制造中不可缺少的設備，也是工時和成本占比最高的設備，更(geng)是全球頂尖技術和人類智慧的結晶。那(nei)么(me)目(mu)前有(you)哪些國家可以制造出(chu)光(guang)刻機呢(ni)？

目前在制造光(guang)刻機(ji)領域中，荷蘭已經達(da)到了(le)領先全球(qiu)的水平(ping)，荷蘭的ASML公(gong)司占據了(le)全球(qiu)市場份額的80%。

除(chu)了荷(he)蘭以外，日本和中國(guo)也可以制(zhi)造(zao)出光刻(ke)機(ji)。日本代(dai)表(biao)的企(qi)業是佳能和尼康，中國(guo)的代(dai)表(biao)企(qi)業是上海微電子。雖然我國(guo)目前只(zhi)能制(zhi)造(zao)出90納(na)米的光刻(ke)機(ji)，但是我國(guo)已(yi)經加大了科研(yan)投入(ru)和人才培養，相信在不久的將來，就能制(zhi)造(zao)出屬于自己(ji)的光刻(ke)機(ji)。

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(mu)前(qian)，世界上最(zui)先進的光刻(ke)機已經(jing)能夠加(jia)工13納米(mi)線條。而我們人(ren)類的頭(tou)(tou)發絲(si)直(zhi)(zhi)徑大約是50~70微米(mi)，也就是說，光刻(ke)可(ke)以刻(ke)畫出只(zhi)有頭(tou)(tou)發絲(si)直(zhi)(zhi)徑1/5000的線條。

前面提到(dao)的(de)(de)荷(he)蘭ASML公司的(de)(de)極(ji)紫(zi)(zi)外光(guang)(guang)刻機（EUV）是(shi)現在全球最頂尖的(de)(de)光(guang)(guang)刻機設備，相較于DUV，它把(ba)193nm的(de)(de)短波紫(zi)(zi)外線替換成了13.5nm的(de)(de)極(ji)紫(zi)(zi)外線，能夠(gou)把(ba)光(guang)(guang)刻技術擴(kuo)展到(dao)32nm以下的(de)(de)特(te)征尺寸。

EUV光刻(ke)機的(de)光源來自于美國(guo)的(de)Cymer，這個13.5nm的(de)極紫外(wai)線(xian)其實是(shi)從(cong)193nm的(de)短波(bo)紫外(wai)線(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。在這個過程中，每(mei)秒大約要攻擊5萬個滴液，而一(yi)個金屬錫滴液，其實(shi)只有20微米(mi)的大小。

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(jian)其精密程度。光(guang)源的問題(ti)，就是(shi)光(guang)刻機制造(zao)的難點問題(ti)之(zhi)一。

2、反射鏡

光刻機的(de)第二個難點，是用來調整光路和(he)聚焦的(de)反射鏡(jing)。

普通光刻機(ji)的(de)物鏡(jing)是透鏡(jing)，高(gao)端光刻機(ji)的(de)物鏡(jing)是反射(she)鏡(jing)，反射(she)鏡(jing)還得利用Bragg反射(she)的(de)原理添加涂層。

反射鏡的(de)作用是把模板上(shang)的(de)電路圖等比例縮小，在(zai)硅片上(shang)以電路圖的(de)形(xing)式呈現出(chu)來，這是制造(zao)芯(xin)片的(de)關鍵元(yuan)件。

ASML公司(si)EUV的光學元件都來自(zi)于以做光學器件出名德國的蔡司(si)，當(dang)然其中也包括光刻機(ji)的反(fan)射鏡(jing)。

EUV多層膜反(fan)(fan)射鏡作為光學系統的重要元件(jian)，成為了EUV光源的一項關(guan)鍵技術，需實現(xian)EUV波段的高反(fan)(fan)射率。

近年來(lai)，科(ke)研人(ren)員(yuan)們(men)通(tong)過研究(jiu)發現，采用Mo/Si多層膜制備出的反(fan)射(she)(she)鏡對中(zhong)心波長為13.5nm、光譜帶寬，在2%以內EUV光的反(fan)射(she)(she)率可達70%。通(tong)過將Mo原子(zi)和si原子(zi)交替排列，可使13.5nm的EUV光在其中(zhong)發生干(gan)涉，從而(er)得到較(jiao)高的反(fan)射(she)(she)效率。

一句話來感受一下(xia)EUV反射(she)鏡精度到底有(you)多高？假設差(cha)不多半米直(zhi)徑(jing)的(de)鏡面(mian)是德國國土(tu)面(mian)積那么大(da)，那么其局部的(de)凹凸不能超過1mm。

光刻機上面反射(she)鏡的制造(zao)，也是光刻機技術(shu)的一(yi)個難(nan)點。

3、工作臺

光刻(ke)機的(de)工(gong)(gong)作(zuo)臺控制了芯(xin)片在(zai)制造生產中的(de)紋路刻(ke)蝕(shi)，工(gong)(gong)作(zuo)臺的(de)移(yi)動精度越高，所加工(gong)(gong)的(de)芯(xin)片精度就越高。這對于國家(jia)的(de)硬件能力和(he)軟件能力都是(shi)考(kao)驗，即使是(shi)科技實力十(shi)分強大的(de)美(mei)國也無法(fa)做到壟斷光刻(ke)機移(yi)動工(gong)(gong)作(zuo)臺。

ASML公司的EUV光(guang)刻機工作臺采用的是一種(zhong)高精度的激(ji)光(guang)干涉(she)儀，以(yi)此(ci)進行微動臺的位移測量(liang)，構(gou)建(jian)出一個閉環的控制系統，進而(er)實現納米級的超精密同步(bu)運動。

光(guang)刻(ke)機(ji)分辨率的(de)日益提高(gao)對光(guang)刻(ke)機(ji)工作(zuo)臺提出了更高(gao)的(de)要求，在工作(zuo)臺運行過程中，需要花費更多(duo)的(de)時間(jian)對準以保證光(guang)刻(ke)機(ji)的(de)工作(zuo)精(jing)度(du)。

也(ye)就是說，怎樣在保(bao)證(zheng)不(bu)浪費太多(duo)時間的同時確保(bao)工(gong)件的精度？這是個(ge)問題。

在(zai)(zai)(zai)芯片(pian)制(zhi)造(zao)過程(cheng)中(zhong)，并不是(shi)一次(ci)曝(pu)光就可(ke)以(yi)完成的(de)，在(zai)(zai)(zai)制(zhi)造(zao)過程(cheng)中(zhong)要經歷多次(ci)曝(pu)光，這也就意味著，在(zai)(zai)(zai)芯片(pian)制(zhi)作過程(cheng)中(zhong)要進行多次(ci)對(dui)準(zhun)操(cao)作（每一次(ci)曝(pu)光都(dou)要更換(huan)不同的(de)掩膜(mo)(mo)，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅晶圓(yuan)(yuan)之間(jian)(jian)每次(ci)都(dou)要對(dui)準(zhun)操(cao)作）。芯片(pian)的(de)每個元件之間(jian)(jian)都(dou)只(zhi)有幾納(na)米(mi)的(de)間(jian)(jian)隔，在(zai)(zai)(zai)這種情況下，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅晶圓(yuan)(yuan)之間(jian)(jian)的(de)對(dui)準(zhun)誤差都(dou)必須控制(zhi)在(zai)(zai)(zai)幾納(na)米(mi)范圍內。

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。就相當于端著一碗(wan)湯(tang)做蛙跳(tiao)，還得保證跳(tiao)了幾十(shi)次之后一滴湯(tang)都沒灑出來。

工作臺技術不論是(shi)(shi)從(cong)精度還是(shi)(shi)時(shi)間(jian)效率(lv)上(shang)來(lai)說(shuo)，均是(shi)(shi)光刻(ke)機技術上(shang)的一個難點。

4、耗電問題

光刻機要在工作過程中穩定地輸出高(gao)功率的(de)(de)(de)光線，以支持(chi)其在晶圓(yuan)上的(de)(de)(de)持(chi)續刻蝕(shi)。為了(le)實現(xian)芯片的(de)(de)(de)工業(ye)化量產，光刻機在耗電能力上也有極致的(de)(de)(de)追求。

最關鍵的還是，EUV光刻機還非常費電(dian)，它需要消耗電(dian)量把整個工(gong)作環境都抽(chou)成(cheng)真(zhen)空(kong)以避(bi)免灰塵，同(tong)時(shi)也可以通過更高的功(gong)率來彌(mi)補(bu)自(zi)身能源(yuan)轉換效率低下(xia)的問題，一般設備運行之后每小時(shi)就會(hui)損(sun)耗至少150度的電(dian)力。

這種極度耗電的問題，也(ye)是光刻機制(zhi)造中(zhong)的一(yi)個難點。

除此之外，次級電子對光(guang)刻膠的曝(pu)光(guang)、光(guang)化(hua)學反應釋(shi)放氣(qi)體，EUV對光(guang)罩的侵蝕等(deng)種(zhong)種(zhong)難(nan)題(ti)都要一(yi)(yi)一(yi)(yi)解決。這(zhe)種(zhong)情況就(jiu)導致很長一(yi)(yi)段時間內EUV的產量極(ji)低，甚至(zhi)日均產量只有1500片。

當(dang)然，除了(le)上(shang)面提到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)幾點之外，光(guang)(guang)刻機的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)還面臨(lin)著很(hen)多難點，光(guang)(guang)刻機對(dui)工作(zuo)環境的(de)(de)(de)(de)(de)要求(qiu)極(ji)高(gao)，它必須要在超潔凈(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)環境下才能夠運(yun)行(xing)，一點點小灰塵(chen)落(luo)在光(guang)(guang)罩上(shang)就會帶(dai)來嚴重的(de)(de)(de)(de)(de)良品率問題，并對(dui)材料技(ji)術、流(liu)程控制等都有更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)要求(qiu)。最致命的(de)(de)(de)(de)(de)一點，就是光(guang)(guang)刻機的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)成本極(ji)高(gao)。

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)我國在光刻(ke)機技(ji)術上已經取得了一(yi)些小(xiao)小(xiao)的突(tu)破，國產光刻(ke)機未來可期(qi)！期(qi)待中國光刻(ke)機打破壟斷(duan)，走(zou)向世界的一(yi)刻(ke)。