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)少的設備(bei)，也是工時和(he)成本占比最高(gao)的設備(bei)，更是全球頂尖(jian)技(ji)術和(he)人(ren)類智慧的結晶(jing)。那么目前有哪些國家可以制造出(chu)光刻機呢(ni)？

目(mu)前在制(zhi)造光(guang)刻機領(ling)域中，荷蘭已(yi)經達到了領(ling)先全球的水平(ping)，荷蘭的ASML公司占據了全球市場份額的80%。

除(chu)了荷(he)蘭以外，日本(ben)和中國(guo)也(ye)可以制造出(chu)光刻(ke)機(ji)。日本(ben)代表的(de)企業是佳能(neng)和尼康，中國(guo)的(de)代表企業是上海微電(dian)子。雖(sui)然(ran)我(wo)國(guo)目前只能(neng)制造出(chu)90納米(mi)的(de)光刻(ke)機(ji)，但是我(wo)國(guo)已經加(jia)大了科研投入(ru)和人才培養(yang)，相(xiang)信在不久的(de)將來，就(jiu)能(neng)制造出(chu)屬(shu)于(yu)自己的(de)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。目前，世(shi)界上最先進的(de)光刻機已經能夠(gou)加工13納(na)米線條(tiao)(tiao)。而我們人類的(de)頭發絲(si)(si)直徑大約是(shi)50~70微米，也就是(shi)說(shuo)，光刻可以刻畫(hua)出只有頭發絲(si)(si)直徑1/5000的(de)線條(tiao)(tiao)。

前面提到的荷蘭ASML公司的極紫(zi)外(wai)光(guang)刻機(ji)（EUV）是現在全球最頂(ding)尖(jian)的光(guang)刻機(ji)設備，相較于DUV，它把193nm的短(duan)波紫(zi)外(wai)線替(ti)換成了13.5nm的極紫(zi)外(wai)線，能夠把光(guang)刻技術擴展到32nm以(yi)下的特征尺寸。

EUV光(guang)刻機的(de)光(guang)源來自于美國(guo)的(de)Cymer，這(zhe)個13.5nm的(de)極紫(zi)外線(xian)其實是(shi)從193nm的(de)短波(bo)紫(zi)外線(xian)多次(ci)反射之(zhi)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，每秒大約要攻擊5萬個滴液，而一個金(jin)屬錫滴液，其實只有20微米的大小(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)以可見其精密程度(du)。光(guang)(guang)源的問(wen)(wen)題(ti)，就是光(guang)(guang)刻機制(zhi)造的難(nan)點(dian)問(wen)(wen)題(ti)之(zhi)一(yi)。

2、反射鏡

光刻(ke)機的(de)第二(er)個難(nan)點，是用來調整(zheng)光路(lu)和(he)聚焦(jiao)的(de)反射鏡。

普通(tong)光刻機的(de)物(wu)鏡(jing)是透鏡(jing)，高端(duan)光刻機的(de)物(wu)鏡(jing)是反射(she)(she)(she)鏡(jing)，反射(she)(she)(she)鏡(jing)還得利(li)用Bragg反射(she)(she)(she)的(de)原理添加涂層。

反射鏡的(de)(de)作用是把(ba)模板上(shang)(shang)的(de)(de)電路圖等(deng)比例縮小，在硅(gui)片上(shang)(shang)以(yi)電路圖的(de)(de)形(xing)式呈現(xian)出來，這是制造芯(xin)片的(de)(de)關(guan)鍵元件。

ASML公司(si)EUV的光(guang)學(xue)元(yuan)件都來自(zi)于以做光(guang)學(xue)器件出名德國的蔡司(si)，當(dang)然其中也包括(kuo)光(guang)刻(ke)機的反射鏡。

EUV多層膜反(fan)射(she)鏡(jing)作為光學(xue)系統的重要元(yuan)件，成為了(le)EUV光源的一項關(guan)鍵(jian)技術(shu)，需(xu)實現EUV波段的高反(fan)射(she)率。

近年來，科研人員(yuan)們通過研究發(fa)現，采用Mo/Si多層膜制(zhi)備出的反(fan)射鏡對中心波長為(wei)13.5nm、光譜帶寬，在2%以(yi)內EUV光的反(fan)射率可(ke)(ke)達70%。通過將Mo原子(zi)(zi)和si原子(zi)(zi)交替排列(lie)，可(ke)(ke)使13.5nm的EUV光在其中發(fa)生干涉，從而得到較(jiao)高的反(fan)射效率。

一句話來感受一下EUV反射(she)鏡(jing)精度(du)到底有(you)多(duo)高(gao)？假設差不(bu)多(duo)半米直徑的鏡(jing)面(mian)是德國國土面(mian)積那(nei)么大，那(nei)么其(qi)局部的凹凸不(bu)能超過1mm。

光刻(ke)機上(shang)面反射鏡的(de)制(zhi)造，也是光刻(ke)機技術的(de)一個難(nan)點。

3、工作臺

光(guang)刻機(ji)的(de)(de)工作(zuo)臺控制了芯(xin)片在制造生產中(zhong)的(de)(de)紋路刻蝕，工作(zuo)臺的(de)(de)移動精度越高，所(suo)加工的(de)(de)芯(xin)片精度就越高。這對(dui)于國家的(de)(de)硬件能力(li)和軟件能力(li)都是(shi)考(kao)驗，即使是(shi)科(ke)技實力(li)十分(fen)強大的(de)(de)美國也(ye)無法做到壟斷(duan)光(guang)刻機(ji)移動工作(zuo)臺。

ASML公司的EUV光刻(ke)機工(gong)作臺(tai)采(cai)用的是一種高精度(du)的激(ji)光干涉儀，以此進(jin)行(xing)微(wei)動臺(tai)的位移測量，構建出一個(ge)閉(bi)環的控(kong)制系(xi)統，進(jin)而實現納米級的超精密同步運(yun)動。

光刻(ke)機(ji)分辨率(lv)的日益提高對(dui)光刻(ke)機(ji)工(gong)作(zuo)(zuo)臺提出了更高的要求，在(zai)工(gong)作(zuo)(zuo)臺運(yun)行過(guo)程中，需要花費更多(duo)的時間對(dui)準以保證光刻(ke)機(ji)的工(gong)作(zuo)(zuo)精(jing)度。

也就(jiu)是說(shuo)，怎樣在保(bao)證不浪費太多(duo)時間的(de)同時確保(bao)工(gong)件的(de)精度？這是個問題(ti)。

在芯片(pian)制造過(guo)(guo)程中(zhong)，并不是一(yi)(yi)次(ci)曝(pu)光就(jiu)可以完成的(de)，在制造過(guo)(guo)程中(zhong)要(yao)(yao)經歷多次(ci)曝(pu)光，這也就(jiu)意味著，在芯片(pian)制作(zuo)過(guo)(guo)程中(zhong)要(yao)(yao)進行多次(ci)對(dui)準(zhun)操(cao)作(zuo)（每一(yi)(yi)次(ci)曝(pu)光都要(yao)(yao)更換不同的(de)掩膜，掩膜與硅晶(jing)圓之間(jian)每次(ci)都要(yao)(yao)對(dui)準(zhun)操(cao)作(zuo)）。芯片(pian)的(de)每個元件之間(jian)都只有幾納米的(de)間(jian)隔，在這種情況下，掩膜與硅晶(jing)圓之間(jian)的(de)對(dui)準(zhun)誤差都必須(xu)控制在幾納米范圍(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(xiang)當于端著一碗湯做蛙跳，還得(de)保證跳了幾十次之后一滴湯都沒灑出來(lai)。

工作臺技術不論是從精度還(huan)是時間效率上來說(shuo)，均是光刻機技術上的一個難點。

4、耗電問題

光刻機要(yao)在(zai)工作過程中(zhong)穩定地輸出高功(gong)率的(de)(de)(de)光線(xian)，以支持其在(zai)晶圓上的(de)(de)(de)持續刻蝕。為了實現芯片(pian)的(de)(de)(de)工業化量產，光刻機在(zai)耗電能力上也(ye)有極致的(de)(de)(de)追求。

最關鍵的(de)還是，EUV光刻機還非常費電(dian)，它需(xu)要消(xiao)耗(hao)電(dian)量把整個(ge)工作環境(jing)都(dou)抽成真空以避免灰塵，同時也可以通過更高的(de)功率來彌補自身能源轉換(huan)效率低下的(de)問題，一般(ban)設備(bei)運行之后(hou)每小(xiao)時就會損(sun)耗(hao)至少150度的(de)電(dian)力。

這種極度耗(hao)電的問題(ti)，也(ye)是(shi)光刻機制造中的一個難點。

除此(ci)之(zhi)外，次級電子(zi)對光(guang)刻膠的曝(pu)光(guang)、光(guang)化學反應釋(shi)放氣體(ti)，EUV對光(guang)罩(zhao)的侵(qin)蝕等種(zhong)種(zhong)難題(ti)都要一(yi)一(yi)解(jie)決。這(zhe)種(zhong)情(qing)況就導(dao)致很長(chang)一(yi)段時(shi)間內(nei)EUV的產量極(ji)低，甚至日(ri)均產量只有(you)1500片(pian)。

當然，除了上(shang)(shang)面(mian)提(ti)到的(de)(de)幾點之(zhi)外，光刻(ke)機的(de)(de)研(yan)發還面(mian)臨著很(hen)多難點，光刻(ke)機對(dui)工作(zuo)環境(jing)(jing)的(de)(de)要求(qiu)極(ji)高，它必須要在(zai)超潔凈的(de)(de)環境(jing)(jing)下才(cai)能夠運行，一點點小灰塵落在(zai)光罩(zhao)上(shang)(shang)就會帶(dai)來嚴重的(de)(de)良品(pin)率問(wen)題，并對(dui)材料技術、流程控制等都(dou)有(you)更高的(de)(de)要求(qiu)。最致命的(de)(de)一點，就是光刻(ke)機的(de)(de)研(yan)發成本(ben)極(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(dan)目前我國在光刻(ke)機技術上(shang)已經取得了一些小(xiao)小(xiao)的突破，國產光刻(ke)機未來可期！期待中(zhong)國光刻(ke)機打破壟(long)斷，走向世界的一刻(ke)。