一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯片產業制造中不可缺(que)少的設(she)備(bei)，也是工時和成本(ben)占比最高的設(she)備(bei)，更(geng)是全球頂尖技術和人類智慧的結晶。那么目前(qian)有(you)哪些國家可以制造出(chu)光刻機呢？

目前(qian)在制造光刻機領(ling)域中(zhong)，荷(he)蘭已經達到了領(ling)先全球的(de)水平，荷(he)蘭的(de)ASML公司占據了全球市場份額的(de)80%。

除了荷蘭以外，日(ri)(ri)本(ben)和中國也(ye)可(ke)以制造出光(guang)刻(ke)機(ji)。日(ri)(ri)本(ben)代表(biao)的企業是佳(jia)能(neng)和尼康，中國的代表(biao)企業是上(shang)海微電(dian)子。雖然我(wo)國目前只(zhi)能(neng)制造出90納米(mi)的光(guang)刻(ke)機(ji)，但是我(wo)國已(yi)經(jing)加大了科研投入和人才培養，相(xiang)信在(zai)不久的將來，就(jiu)能(neng)制造出屬于自己的光(guang)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，世界上最先(xian)進的(de)光刻機已經能夠加工13納米線條(tiao)。而我們人類的(de)頭發絲直(zhi)徑大約是50~70微米，也(ye)就是說，光刻可以(yi)刻畫出只有頭發絲直(zhi)徑1/5000的(de)線條(tiao)。

前面提到(dao)的(de)(de)(de)(de)荷蘭ASML公司的(de)(de)(de)(de)極(ji)紫外(wai)(wai)光(guang)(guang)刻機（EUV）是現在全(quan)球最頂(ding)尖的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)刻機設備，相較于DUV，它把193nm的(de)(de)(de)(de)短波紫外(wai)(wai)線替(ti)換成了13.5nm的(de)(de)(de)(de)極(ji)紫外(wai)(wai)線，能夠把光(guang)(guang)刻技術(shu)擴(kuo)展(zhan)到(dao)32nm以下的(de)(de)(de)(de)特征尺寸。

EUV光(guang)刻(ke)機的(de)光(guang)源來自(zi)于美國的(de)Cymer，這個13.5nm的(de)極紫外(wai)線其實是(shi)從193nm的(de)短波紫外(wai)線多次反(fan)射(she)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)這個(ge)(ge)過(guo)程中，每秒(miao)大約要(yao)攻擊5萬個(ge)(ge)滴液(ye)，而一(yi)個(ge)(ge)金屬錫滴液(ye)，其實只(zhi)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(zu)以可見其精(jing)密程度。光源的問題，就是光刻機(ji)制造的難點(dian)問題之一。

2、反射鏡

光(guang)刻機的第二個難點，是用來調(diao)整光(guang)路(lu)和聚焦的反射鏡。

普通(tong)光(guang)刻機的(de)物鏡是透鏡，高端(duan)光(guang)刻機的(de)物鏡是反(fan)(fan)射(she)鏡，反(fan)(fan)射(she)鏡還得利用Bragg反(fan)(fan)射(she)的(de)原(yuan)理(li)添加涂層。

反(fan)射鏡的(de)作用是把(ba)模(mo)板上的(de)電路圖等比例縮小，在硅片上以電路圖的(de)形式呈現出來(lai)，這(zhe)是制造芯片的(de)關鍵元件(jian)。

ASML公(gong)司EUV的(de)光學(xue)元件(jian)(jian)都來自于以(yi)做光學(xue)器件(jian)(jian)出(chu)名德國的(de)蔡司，當然其中也包括光刻機的(de)反射鏡。

EUV多層膜反射鏡作為(wei)光學系統(tong)的重要元件，成為(wei)了(le)EUV光源的一項關鍵技術，需實現EUV波(bo)段的高反射率。

近年(nian)來，科(ke)研人(ren)員們通過研究發現，采用Mo/Si多層膜制備出的(de)反射(she)(she)鏡對中心(xin)波長(chang)為(wei)13.5nm、光譜(pu)帶(dai)寬，在(zai)2%以內EUV光的(de)反射(she)(she)率(lv)可(ke)達70%。通過將Mo原(yuan)子和si原(yuan)子交替排列，可(ke)使13.5nm的(de)EUV光在(zai)其(qi)中發生干涉，從而得到較(jiao)高(gao)的(de)反射(she)(she)效率(lv)。

一(yi)句話(hua)來感受一(yi)下EUV反(fan)射鏡精度到底有多高(gao)？假設差不多半(ban)米直徑(jing)的鏡面是(shi)德國國土(tu)面積那(nei)么(me)大，那(nei)么(me)其局部的凹凸不能超(chao)過1mm。

光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)上面反(fan)射鏡的(de)制造，也(ye)是光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)技術的(de)一個難點。

3、工作臺

光(guang)(guang)刻機的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)臺控制了芯(xin)片在制造生產中的(de)(de)(de)紋(wen)路刻蝕，工(gong)作(zuo)臺的(de)(de)(de)移(yi)動精度(du)越高，所加工(gong)的(de)(de)(de)芯(xin)片精度(du)就越高。這對于國家的(de)(de)(de)硬件能力(li)和軟件能力(li)都是考驗，即使是科技實力(li)十(shi)分強大的(de)(de)(de)美國也(ye)無法做到壟斷(duan)光(guang)(guang)刻機移(yi)動工(gong)作(zuo)臺。

ASML公司的(de)EUV光刻機工作(zuo)臺(tai)采(cai)用的(de)是一種高精度的(de)激光干涉(she)儀，以此進行微動(dong)臺(tai)的(de)位移測量，構建出一個閉環的(de)控制系統，進而實(shi)現納米級(ji)的(de)超精密(mi)同(tong)步運(yun)動(dong)。

光刻(ke)機(ji)分辨率的(de)日(ri)益(yi)提(ti)高對光刻(ke)機(ji)工作(zuo)臺(tai)提(ti)出(chu)了更高的(de)要(yao)(yao)求，在(zai)工作(zuo)臺(tai)運行過程中，需要(yao)(yao)花費更多的(de)時(shi)間對準以保證光刻(ke)機(ji)的(de)工作(zuo)精度。

也就是(shi)說，怎(zen)樣在保證不浪費太多時(shi)間(jian)的同時(shi)確保工(gong)件的精度？這是(shi)個問題。

在芯(xin)片(pian)制(zhi)造過程(cheng)(cheng)中，并不是(shi)一(yi)次(ci)(ci)曝(pu)光(guang)就(jiu)可以(yi)完(wan)成的(de)(de)，在制(zhi)造過程(cheng)(cheng)中要(yao)經歷多(duo)次(ci)(ci)曝(pu)光(guang)，這也就(jiu)意味著，在芯(xin)片(pian)制(zhi)作(zuo)(zuo)過程(cheng)(cheng)中要(yao)進行多(duo)次(ci)(ci)對(dui)準(zhun)操作(zuo)(zuo)（每(mei)一(yi)次(ci)(ci)曝(pu)光(guang)都(dou)(dou)要(yao)更換不同的(de)(de)掩膜，掩膜與硅(gui)晶圓之間每(mei)次(ci)(ci)都(dou)(dou)要(yao)對(dui)準(zhun)操作(zuo)(zuo)）。芯(xin)片(pian)的(de)(de)每(mei)個(ge)元件之間都(dou)(dou)只有幾納米的(de)(de)間隔，在這種情況下，掩膜與硅(gui)晶圓之間的(de)(de)對(dui)準(zhun)誤差都(dou)(dou)必須控制(zhi)在幾納米范圍內。

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)碗湯做蛙跳(tiao)，還得保證跳(tiao)了(le)幾十次之后(hou)一(yi)滴湯都(dou)沒灑出來。

工作臺技術不論(lun)是從精(jing)度還是時(shi)間效率上來說，均是光刻機技術上的一個(ge)難(nan)點。

4、耗電問題

光(guang)刻(ke)機要在工(gong)作過程(cheng)中(zhong)穩定地輸出高功率的(de)光(guang)線(xian)，以支持其(qi)在晶圓上的(de)持續刻(ke)蝕。為了實現芯片的(de)工(gong)業化量產，光(guang)刻(ke)機在耗電能力(li)上也有極致的(de)追求。

最關鍵的(de)還(huan)是，EUV光刻機還(huan)非常費電，它需要消(xiao)耗(hao)(hao)電量把整(zheng)個工(gong)作環(huan)境都抽成真空以避(bi)免灰塵(chen)，同時也(ye)可以通過更(geng)高的(de)功(gong)率來彌補自身能源轉換效率低(di)下的(de)問題，一(yi)般(ban)設備運行之后每(mei)小時就會損耗(hao)(hao)至少150度(du)的(de)電力。

這種極度耗(hao)電的(de)(de)問題(ti)，也是光刻機(ji)制造中(zhong)的(de)(de)一個難點。

除(chu)此之外，次級電子對光(guang)刻(ke)膠(jiao)的(de)(de)曝(pu)光(guang)、光(guang)化(hua)學反應釋(shi)放氣體，EUV對光(guang)罩的(de)(de)侵蝕(shi)等種種難題都要一一解決。這種情況就導致很長一段(duan)時間內EUV的(de)(de)產量(liang)極(ji)低(di)，甚(shen)至日(ri)均產量(liang)只有1500片。

當然，除了上(shang)面提到(dao)的(de)(de)幾(ji)點之(zhi)外，光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)的(de)(de)研發還面臨著很多難點，光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)對工作(zuo)環境(jing)的(de)(de)要(yao)(yao)求極高(gao)(gao)，它必(bi)須要(yao)(yao)在(zai)超潔(jie)凈的(de)(de)環境(jing)下才(cai)能夠(gou)運行(xing)，一點點小灰塵(chen)落在(zai)光(guang)罩上(shang)就會帶來嚴重的(de)(de)良品率問題，并對材料技術(shu)、流程控制等都有更高(gao)(gao)的(de)(de)要(yao)(yao)求。最致命(ming)的(de)(de)一點，就是光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)的(de)(de)研發成本(ben)極高(gao)(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(dan)目前(qian)我(wo)國在光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)技(ji)術上已經(jing)取(qu)得了一些(xie)小小的突破(po)，國產光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)未(wei)來可(ke)期(qi)！期(qi)待中國光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)打(da)破(po)壟(long)斷，走向世(shi)界(jie)的一刻(ke)。