一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯片(pian)產業制造中不可缺(que)少的設備，也是工時和成(cheng)本占比最(zui)高(gao)的設備，更是全球頂(ding)尖技術和人類智慧的結晶。那么(me)目前有哪些國家(jia)可以制造出光(guang)刻機呢？

目前在(zai)制造光刻機領域中，荷蘭已經達到(dao)了(le)領先全球的水(shui)平，荷蘭的ASML公司(si)占據(ju)了(le)全球市(shi)場份額的80%。

除了荷蘭以(yi)外，日本和(he)(he)中(zhong)(zhong)國(guo)也可以(yi)制造出(chu)光(guang)刻機(ji)。日本代(dai)表的(de)(de)企業(ye)是(shi)(shi)佳能(neng)和(he)(he)尼(ni)康，中(zhong)(zhong)國(guo)的(de)(de)代(dai)表企業(ye)是(shi)(shi)上(shang)海微電子。雖(sui)然我國(guo)目前只能(neng)制造出(chu)90納(na)米的(de)(de)光(guang)刻機(ji)，但(dan)是(shi)(shi)我國(guo)已經加大(da)了科(ke)研投(tou)入和(he)(he)人才(cai)培養，相信在不久的(de)(de)將來(lai)，就能(neng)制造出(chu)屬于自己的(de)(de)光(guang)刻機(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。目前，世界(jie)上(shang)最先進的(de)(de)光(guang)刻(ke)機已經能(neng)夠加工13納米線條。而(er)我(wo)們人(ren)類的(de)(de)頭發絲(si)直(zhi)徑(jing)大(da)約是50~70微米，也(ye)就是說，光(guang)刻(ke)可以刻(ke)畫出只有頭發絲(si)直(zhi)徑(jing)1/5000的(de)(de)線條。

前面提到的(de)(de)荷蘭ASML公司的(de)(de)極(ji)紫外(wai)光刻機（EUV）是現在(zai)全(quan)球最頂尖(jian)的(de)(de)光刻機設備，相較于DUV，它(ta)把193nm的(de)(de)短波紫外(wai)線替換成了13.5nm的(de)(de)極(ji)紫外(wai)線，能夠把光刻技術擴展到32nm以(yi)下的(de)(de)特征尺寸。

EUV光刻機的(de)(de)光源(yuan)來(lai)自于(yu)美國(guo)的(de)(de)Cymer，這個13.5nm的(de)(de)極紫外線其實(shi)是從193nm的(de)(de)短波(bo)紫外線多(duo)次反射之后得到(dao)的(de)(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)這個(ge)過(guo)程中(zhong)，每秒大約要攻擊5萬個(ge)滴液(ye)，而一(yi)個(ge)金屬錫滴液(ye)，其實只(zhi)有20微米(mi)的大小(xiao)。

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(zu)以(yi)可(ke)見其精(jing)密程度。光(guang)(guang)源的(de)問(wen)(wen)題，就是(shi)光(guang)(guang)刻機制造的(de)難點問(wen)(wen)題之一。

2、反射鏡

光刻機的(de)第二(er)個難點(dian)，是用(yong)來調(diao)整(zheng)光路和(he)聚(ju)焦(jiao)的(de)反射鏡。

普(pu)通光(guang)刻(ke)機的物鏡(jing)(jing)是(shi)透鏡(jing)(jing)，高端(duan)光(guang)刻(ke)機的物鏡(jing)(jing)是(shi)反射鏡(jing)(jing)，反射鏡(jing)(jing)還得利用Bragg反射的原理添加(jia)涂層。

反射鏡的作用是把模板(ban)上(shang)的電(dian)路(lu)圖等比(bi)例(li)縮小，在硅(gui)片(pian)上(shang)以(yi)電(dian)路(lu)圖的形式呈(cheng)現出來(lai)，這是制造芯(xin)片(pian)的關鍵元(yuan)件。

ASML公司(si)EUV的光學元件都(dou)來(lai)自于以做光學器件出名德國的蔡(cai)司(si)，當然其中(zhong)也包括光刻機的反(fan)射鏡。

EUV多層(ceng)膜(mo)反射鏡作為光學(xue)系統的(de)(de)(de)重要元件，成(cheng)為了EUV光源的(de)(de)(de)一項關鍵技術(shu)，需實(shi)現EUV波(bo)段的(de)(de)(de)高反射率。

近年來(lai)，科研人員們通過研究發(fa)現，采用Mo/Si多(duo)層(ceng)膜制備出的反射(she)鏡(jing)對中(zhong)心波長為(wei)13.5nm、光譜帶寬(kuan)，在2%以(yi)內EUV光的反射(she)率(lv)可(ke)達70%。通過將Mo原(yuan)子和si原(yuan)子交(jiao)替(ti)排(pai)列，可(ke)使13.5nm的EUV光在其中(zhong)發(fa)生(sheng)干涉，從而得到較(jiao)高的反射(she)效率(lv)。

一句話(hua)來感受(shou)一下EUV反射鏡(jing)精度(du)到底有多高(gao)？假(jia)設差不(bu)多半米直徑(jing)的(de)鏡(jing)面(mian)是德國國土面(mian)積那么(me)大，那么(me)其局部的(de)凹凸不(bu)能超過(guo)1mm。

光刻(ke)機上面(mian)反射鏡的(de)(de)制造，也是光刻(ke)機技術的(de)(de)一(yi)個(ge)難點。

3、工作臺

光(guang)刻機的(de)工作(zuo)臺控制(zhi)了芯片在制(zhi)造生產中的(de)紋路刻蝕，工作(zuo)臺的(de)移(yi)動精(jing)度(du)越高，所加工的(de)芯片精(jing)度(du)就(jiu)越高。這對(dui)于國家(jia)的(de)硬件能(neng)(neng)力和(he)軟件能(neng)(neng)力都是考驗，即使是科技實力十分(fen)強大(da)的(de)美國也無法做到(dao)壟(long)斷光(guang)刻機移(yi)動工作(zuo)臺。

ASML公司的(de)(de)EUV光刻機(ji)工作(zuo)臺(tai)采用的(de)(de)是一種高精度的(de)(de)激(ji)光干涉儀，以(yi)此(ci)進行微動(dong)臺(tai)的(de)(de)位(wei)移測量，構建出一個閉環的(de)(de)控制系統，進而(er)實現納米級(ji)的(de)(de)超(chao)精密同步(bu)運動(dong)。

光刻(ke)機(ji)分(fen)辨(bian)率的日(ri)益提高對光刻(ke)機(ji)工(gong)作臺提出(chu)了更高的要求，在工(gong)作臺運行過程(cheng)中，需要花費更多的時(shi)間(jian)對準以保證光刻(ke)機(ji)的工(gong)作精(jing)度(du)。

也就是說，怎樣在保證不浪費(fei)太多時間的(de)同時確保工件(jian)的(de)精度？這是個問題。

在芯(xin)片(pian)制(zhi)造(zao)過程中(zhong)，并不是一(yi)次(ci)曝(pu)光就可以完成的(de)(de)，在制(zhi)造(zao)過程中(zhong)要(yao)(yao)經歷多次(ci)曝(pu)光，這也(ye)就意味著，在芯(xin)片(pian)制(zhi)作(zuo)過程中(zhong)要(yao)(yao)進行多次(ci)對(dui)準(zhun)操作(zuo)（每一(yi)次(ci)曝(pu)光都要(yao)(yao)更換不同的(de)(de)掩膜，掩膜與硅晶(jing)圓(yuan)之間(jian)每次(ci)都要(yao)(yao)對(dui)準(zhun)操作(zuo)）。芯(xin)片(pian)的(de)(de)每個(ge)元件之間(jian)都只有幾(ji)納米的(de)(de)間(jian)隔(ge)，在這種情況下(xia)，掩膜與硅晶(jing)圓(yuan)之間(jian)的(de)(de)對(dui)準(zhun)誤差都必須控制(zhi)在幾(ji)納米范圍內。

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(yi)碗(wan)湯做(zuo)蛙跳(tiao)(tiao)，還得保證跳(tiao)(tiao)了幾十(shi)次之后一(yi)滴湯都沒灑出來。

工作臺技術不論是從(cong)精(jing)度還(huan)是時間效率上(shang)來說，均是光刻機技術上(shang)的一個難點(dian)。

4、耗電問題

光(guang)刻(ke)(ke)機要在工作過程中穩定地輸(shu)出高功(gong)率的(de)光(guang)線，以(yi)支持其在晶圓(yuan)上的(de)持續刻(ke)(ke)蝕(shi)。為了實現芯片的(de)工業化量產，光(guang)刻(ke)(ke)機在耗電(dian)能力上也(ye)有極致(zhi)的(de)追求。

最(zui)關鍵的還是，EUV光刻機(ji)還非常費電(dian)，它需要消耗電(dian)量把整個工作環境都抽成真空以避免灰塵，同時(shi)也可以通過更(geng)高的功率來彌補(bu)自身能源(yuan)轉換(huan)效(xiao)率低下的問(wen)題，一般設備運(yun)行之后(hou)每小時(shi)就會損耗至(zhi)少150度的電(dian)力。

這種極度耗(hao)電的問題，也是(shi)光刻(ke)機(ji)制造中的一個難(nan)點。

除此之外，次級電子(zi)對(dui)光(guang)刻(ke)膠的曝(pu)光(guang)、光(guang)化學(xue)反應(ying)釋放氣(qi)體，EUV對(dui)光(guang)罩的侵蝕等種種難(nan)題都要一(yi)一(yi)解決(jue)。這種情況就導致很長一(yi)段時間內(nei)EUV的產量極(ji)低，甚至日均(jun)產量只有1500片。

當然，除了上面(mian)提(ti)到的(de)(de)幾(ji)點之外，光刻機(ji)的(de)(de)研發還(huan)面(mian)臨(lin)著很多難(nan)點，光刻機(ji)對工(gong)作環(huan)境的(de)(de)要求極高，它(ta)必須要在超潔凈的(de)(de)環(huan)境下才(cai)能夠運行(xing)，一(yi)點點小灰(hui)塵(chen)落在光罩上就會(hui)帶來嚴重的(de)(de)良品率問(wen)題，并對材料技術、流程控制(zhi)等都有(you)更高的(de)(de)要求。最致命的(de)(de)一(yi)點，就是(shi)光刻機(ji)的(de)(de)研發成本極高。

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)在光刻(ke)機技術上已經取得了一(yi)些小(xiao)(xiao)小(xiao)(xiao)的(de)突破(po)，國(guo)產光刻(ke)機未來可期！期待(dai)中國(guo)光刻(ke)機打破(po)壟斷(duan)，走向世界的(de)一(yi)刻(ke)。