一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯片產業制造中不(bu)可缺少的(de)設備(bei)(bei)，也是工時和成本占比最(zui)高的(de)設備(bei)(bei)，更是全球頂尖技術和人類智慧的(de)結晶。那(nei)么(me)目前有哪些國家可以制造出光(guang)刻機呢？

目前在(zai)制(zhi)造光刻機(ji)領域中(zhong)，荷(he)蘭(lan)已經(jing)達到了領先全球(qiu)(qiu)的(de)水(shui)平，荷(he)蘭(lan)的(de)ASML公司占據(ju)了全球(qiu)(qiu)市場份(fen)額的(de)80%。

除了荷蘭(lan)以外，日本(ben)和中(zhong)國(guo)也可以制造(zao)出光(guang)刻(ke)機。日本(ben)代表(biao)的企(qi)業是(shi)佳(jia)能(neng)和尼康，中(zhong)國(guo)的代表(biao)企(qi)業是(shi)上海微(wei)電子。雖(sui)然我國(guo)目前只能(neng)制造(zao)出90納米的光(guang)刻(ke)機，但是(shi)我國(guo)已經(jing)加大了科研投入(ru)和人才培養，相信在(zai)不久的將來(lai)，就能(neng)制造(zao)出屬(shu)于自己的光(guang)刻(ke)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(mu)前，世界上最先(xian)進的光(guang)刻機(ji)已經能(neng)夠加工13納(na)米(mi)線(xian)條。而我們人(ren)類的頭(tou)發絲直徑大約是50~70微(wei)米(mi)，也就是說，光(guang)刻可以刻畫出只有頭(tou)發絲直徑1/5000的線(xian)條。

前面提到(dao)的(de)荷蘭ASML公司的(de)極(ji)紫(zi)外(wai)光(guang)刻機(ji)（EUV）是現在(zai)全球最頂(ding)尖的(de)光(guang)刻機(ji)設備，相較于DUV，它把193nm的(de)短波紫(zi)外(wai)線(xian)替換成了13.5nm的(de)極(ji)紫(zi)外(wai)線(xian)，能夠(gou)把光(guang)刻技術擴(kuo)展到(dao)32nm以下的(de)特(te)征尺寸。

EUV光刻(ke)機(ji)的光源(yuan)來(lai)自于美國的Cymer，這個13.5nm的極紫(zi)外線其實(shi)是(shi)從193nm的短波紫(zi)外線多次反(fan)射之后得(de)到的。

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(ge)過程(cheng)中，每秒大約要攻擊5萬個(ge)滴液，而一個(ge)金(jin)屬錫滴液，其實只有20微米的大小。

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。足以可見其精密程(cheng)度。光源的(de)問題，就(jiu)是光刻機(ji)制造的(de)難(nan)點問題之一。

2、反射鏡

光刻機的第二個難點，是用來調(diao)整光路(lu)和聚焦的反射(she)鏡。

普通光刻機(ji)的(de)物(wu)鏡(jing)(jing)是透鏡(jing)(jing)，高端光刻機(ji)的(de)物(wu)鏡(jing)(jing)是反射鏡(jing)(jing)，反射鏡(jing)(jing)還(huan)得(de)利用Bragg反射的(de)原理添加涂層。

反射(she)鏡的(de)作用(yong)是把(ba)模板(ban)上的(de)電路(lu)圖等(deng)比例縮小，在(zai)硅片(pian)上以電路(lu)圖的(de)形式呈(cheng)現(xian)出來，這是制(zhi)造芯(xin)片(pian)的(de)關鍵(jian)元件。

ASML公司EUV的(de)光學(xue)元件(jian)(jian)都(dou)來自于以(yi)做(zuo)光學(xue)器件(jian)(jian)出名德國的(de)蔡司，當然其中也包括光刻機的(de)反射鏡(jing)。

EUV多(duo)層膜反射鏡作為(wei)(wei)光(guang)學系(xi)統的(de)(de)重要元件，成為(wei)(wei)了EUV光(guang)源的(de)(de)一項關鍵技術，需實現EUV波段的(de)(de)高反射率。

近年來，科(ke)研人(ren)員們通(tong)過(guo)研究(jiu)發現，采用Mo/Si多(duo)層膜(mo)制備出的(de)(de)(de)反射鏡對中(zhong)(zhong)心(xin)波長(chang)為13.5nm、光譜帶寬，在2%以內(nei)EUV光的(de)(de)(de)反射率可(ke)達70%。通(tong)過(guo)將Mo原(yuan)子(zi)和si原(yuan)子(zi)交替排列，可(ke)使13.5nm的(de)(de)(de)EUV光在其中(zhong)(zhong)發生干涉(she)，從而得到較(jiao)高的(de)(de)(de)反射效率。

一句話來(lai)感受(shou)一下(xia)EUV反(fan)射鏡精度到底有多(duo)高？假設差不多(duo)半米直徑的鏡面是(shi)德國(guo)國(guo)土面積那么大，那么其局(ju)部的凹凸(tu)不能超過1mm。

光(guang)刻(ke)機上面反射鏡的(de)制造，也是光(guang)刻(ke)機技術的(de)一個難點。

3、工作臺

光刻機(ji)的工作臺(tai)控制(zhi)了芯(xin)片(pian)(pian)在(zai)制(zhi)造生產中的紋(wen)路刻蝕，工作臺(tai)的移動(dong)精度越(yue)高，所加工的芯(xin)片(pian)(pian)精度就越(yue)高。這對于國家的硬件(jian)能力(li)和軟件(jian)能力(li)都是考驗，即使(shi)是科(ke)技(ji)實力(li)十(shi)分(fen)強大(da)的美國也無法做到(dao)壟(long)斷光刻機(ji)移動(dong)工作臺(tai)。

ASML公司的(de)(de)EUV光刻機工作臺采用的(de)(de)是一(yi)種(zhong)高精度的(de)(de)激光干涉儀，以此進行微動臺的(de)(de)位移測量，構建出(chu)一(yi)個閉環(huan)的(de)(de)控制系(xi)統(tong)，進而實現納(na)米(mi)級的(de)(de)超精密(mi)同步運動。

光(guang)刻(ke)機分(fen)辨率(lv)的日益(yi)提高對光(guang)刻(ke)機工作(zuo)臺提出(chu)了(le)更高的要(yao)求，在(zai)工作(zuo)臺運行過程中，需要(yao)花費更多的時間對準以保證光(guang)刻(ke)機的工作(zuo)精度。

也就是說(shuo)，怎樣在保證不浪費太多時(shi)間的(de)同(tong)時(shi)確保工件(jian)的(de)精(jing)度？這是個問題(ti)。

在芯(xin)片制(zhi)造過程(cheng)(cheng)中(zhong)，并不(bu)是一次(ci)(ci)曝光(guang)就(jiu)可(ke)以完成的，在制(zhi)造過程(cheng)(cheng)中(zhong)要(yao)經歷多次(ci)(ci)曝光(guang)，這也就(jiu)意味著，在芯(xin)片制(zhi)作過程(cheng)(cheng)中(zhong)要(yao)進行多次(ci)(ci)對(dui)準操作（每一次(ci)(ci)曝光(guang)都(dou)(dou)要(yao)更換不(bu)同的掩膜(mo)(mo)，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅晶圓(yuan)之(zhi)間(jian)每次(ci)(ci)都(dou)(dou)要(yao)對(dui)準操作）。芯(xin)片的每個元件(jian)之(zhi)間(jian)都(dou)(dou)只有幾納米的間(jian)隔，在這種情況下，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅晶圓(yuan)之(zhi)間(jian)的對(dui)準誤差都(dou)(dou)必須控制(zhi)在幾納米范(fan)圍(wei)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。就相當于端著一碗湯(tang)做蛙跳，還(huan)得(de)保證跳了幾十次之后一滴湯(tang)都沒灑(sa)出來。

工作臺技(ji)術不論是從(cong)精度還(huan)是時間效率上來說，均是光刻機技(ji)術上的(de)一(yi)個難(nan)點。

4、耗電問題

光(guang)刻機要在(zai)工作過(guo)程中穩(wen)定地輸出高功率的(de)光(guang)線(xian)，以支持其在(zai)晶圓上的(de)持續刻蝕。為了實現(xian)芯片(pian)的(de)工業化量產，光(guang)刻機在(zai)耗電能力上也有極致(zhi)的(de)追求(qiu)。

最(zui)關(guan)鍵的(de)還是(shi)，EUV光刻機(ji)還非常費電(dian)，它(ta)需(xu)要消耗電(dian)量把整個工作環境都抽成真(zhen)空以避免灰(hui)塵，同時也可以通過(guo)更高的(de)功率來彌補自身(shen)能源轉(zhuan)換(huan)效率低(di)下的(de)問題(ti)，一般設備運行(xing)之后(hou)每小時就會損(sun)耗至少150度的(de)電(dian)力。

這種極度耗電的問題，也是光刻機制造中的一(yi)個難點。

除(chu)此之外，次(ci)級電子對光(guang)刻膠的曝光(guang)、光(guang)化學反(fan)應釋放氣體，EUV對光(guang)罩的侵蝕(shi)等(deng)種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)難題都要(yao)一一解決(jue)。這種(zhong)(zhong)情況就導致很長一段時間內(nei)EUV的產量極低，甚至日均(jun)產量只有1500片。

當然，除了上(shang)(shang)面(mian)提到的(de)幾點(dian)(dian)之(zhi)外，光(guang)刻機(ji)的(de)研(yan)發(fa)還面(mian)臨著很多難點(dian)(dian)，光(guang)刻機(ji)對工作環境的(de)要(yao)求(qiu)極高，它(ta)必須要(yao)在超潔凈(jing)的(de)環境下才能(neng)夠運行，一點(dian)(dian)點(dian)(dian)小(xiao)灰塵落在光(guang)罩上(shang)(shang)就(jiu)會帶來嚴重的(de)良(liang)品率問(wen)題，并對材(cai)料技術、流程控(kong)制等都(dou)有更高的(de)要(yao)求(qiu)。最致(zhi)命的(de)一點(dian)(dian)，就(jiu)是光(guang)刻機(ji)的(de)研(yan)發(fa)成本極高。

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。但目前我國(guo)(guo)在光(guang)刻機技(ji)術上已經(jing)取得了一(yi)些小(xiao)小(xiao)的突破(po)，國(guo)(guo)產光(guang)刻機未來可期(qi)！期(qi)待中國(guo)(guo)光(guang)刻機打破(po)壟斷(duan)，走向世(shi)界的一(yi)刻。