一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯片產業制(zhi)造中(zhong)不可缺(que)少的(de)(de)設備，也是工時和(he)成(cheng)本占比最高的(de)(de)設備，更是全球頂尖技術和(he)人類智慧的(de)(de)結晶。那么目前有(you)哪(na)些國家可以制(zhi)造出(chu)光(guang)刻機呢(ni)？

目前在制(zhi)造(zao)光刻(ke)機領域中，荷蘭已經(jing)達到(dao)了(le)領先全球(qiu)的(de)(de)水平(ping)，荷蘭的(de)(de)ASML公司占據了(le)全球(qiu)市場份額(e)的(de)(de)80%。

除了(le)荷蘭以外，日(ri)本(ben)和(he)(he)中(zhong)國(guo)也可以制(zhi)造出(chu)光(guang)(guang)刻機。日(ri)本(ben)代表的(de)(de)企業是佳能和(he)(he)尼康(kang)，中(zhong)國(guo)的(de)(de)代表企業是上(shang)海(hai)微電子。雖(sui)然我國(guo)目前只能制(zhi)造出(chu)90納米的(de)(de)光(guang)(guang)刻機，但是我國(guo)已經加大了(le)科研投入和(he)(he)人才培養，相(xiang)信在不久的(de)(de)將來，就(jiu)能制(zhi)造出(chu)屬(shu)于自己的(de)(de)光(guang)(guang)刻機。

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。目前(qian)，世界上最先進(jin)的(de)光(guang)刻機已經能夠加工13納米線(xian)(xian)條。而我(wo)們人類的(de)頭發(fa)絲(si)直徑(jing)大約是50~70微米，也就是說(shuo)，光(guang)刻可以(yi)刻畫出只有頭發(fa)絲(si)直徑(jing)1/5000的(de)線(xian)(xian)條。

前面(mian)提到的荷蘭ASML公司的極紫(zi)(zi)外(wai)(wai)光(guang)刻機（EUV）是現在全球最頂尖的光(guang)刻機設備，相較于(yu)DUV，它把193nm的短波(bo)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)替換成了13.5nm的極紫(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)，能(neng)夠(gou)把光(guang)刻技術擴展到32nm以下(xia)的特(te)征(zheng)尺寸。

EUV光(guang)刻機的光(guang)源來自于美(mei)國的Cymer，這個13.5nm的極紫外(wai)線(xian)其(qi)實是從193nm的短波紫外(wai)線(xian)多次反射之后得到的。

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(zai)這個過程中，每秒大約要攻擊5萬個滴液，而一個金屬錫滴液，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。足以可見其精密程度。光(guang)源的問題(ti)，就(jiu)是光(guang)刻機制造的難(nan)點問題(ti)之一(yi)。

2、反射鏡

光刻(ke)機的(de)第二個難點，是用(yong)來調整光路和(he)聚焦的(de)反射(she)鏡。

普通光刻機(ji)的物鏡是(shi)透鏡，高端光刻機(ji)的物鏡是(shi)反(fan)射鏡，反(fan)射鏡還得利用Bragg反(fan)射的原理添加涂層。

反(fan)射(she)鏡的(de)(de)作(zuo)用(yong)是(shi)把模板上的(de)(de)電(dian)路(lu)圖等比例縮小，在硅片(pian)上以(yi)電(dian)路(lu)圖的(de)(de)形式呈現出來(lai)，這是(shi)制造芯片(pian)的(de)(de)關鍵(jian)元件(jian)。

ASML公司EUV的(de)光學(xue)元件都來自(zi)于以做光學(xue)器件出名德國的(de)蔡司，當然其中也包括光刻機(ji)的(de)反(fan)射鏡。

EUV多層膜反射鏡(jing)作(zuo)為光(guang)學系統的重要元件，成為了(le)EUV光(guang)源的一項關鍵技術(shu)，需實現EUV波段的高反射率。

近年來，科研人員們通過(guo)研究發現，采用(yong)Mo/Si多層膜制(zhi)備出的反(fan)射鏡對中心(xin)波(bo)長為13.5nm、光(guang)(guang)譜帶寬，在2%以內EUV光(guang)(guang)的反(fan)射率可(ke)達70%。通過(guo)將Mo原子和si原子交替(ti)排列，可(ke)使13.5nm的EUV光(guang)(guang)在其中發生干涉，從而得到較高的反(fan)射效率。

一句話來感受一下EUV反射(she)鏡精度到底有多(duo)高？假設差(cha)不(bu)多(duo)半米直徑的鏡面是德國國土面積那么(me)大(da)，那么(me)其局(ju)部的凹凸(tu)不(bu)能超過(guo)1mm。

光刻機上面反射鏡的(de)制(zhi)造，也是光刻機技術的(de)一個(ge)難點。

3、工作臺

光刻(ke)機(ji)的(de)(de)工作臺(tai)控(kong)制了芯片在制造生產中的(de)(de)紋路刻(ke)蝕，工作臺(tai)的(de)(de)移動(dong)精度(du)越(yue)(yue)高(gao)，所加工的(de)(de)芯片精度(du)就(jiu)越(yue)(yue)高(gao)。這(zhe)對于(yu)國(guo)家的(de)(de)硬件能力和軟件能力都是考驗，即使(shi)是科技(ji)實(shi)力十分強大的(de)(de)美(mei)國(guo)也無法(fa)做到壟斷光刻(ke)機(ji)移動(dong)工作臺(tai)。

ASML公司的EUV光刻機工作臺采用的是一(yi)(yi)種(zhong)高(gao)精(jing)度(du)的激光干涉儀，以此(ci)進行微(wei)動臺的位移測量，構建出一(yi)(yi)個閉環的控制(zhi)系統，進而(er)實現(xian)納米(mi)級(ji)的超精(jing)密同步運動。

光(guang)刻機(ji)分辨(bian)率的日益提高對(dui)光(guang)刻機(ji)工(gong)(gong)作臺提出了更高的要求，在(zai)工(gong)(gong)作臺運行過(guo)程中，需要花費更多(duo)的時間對(dui)準(zhun)以(yi)保(bao)證光(guang)刻機(ji)的工(gong)(gong)作精度。

也就是說，怎樣在保(bao)證不(bu)浪費太多時(shi)間的同時(shi)確保(bao)工(gong)件的精(jing)度？這是個問題。

在(zai)芯(xin)片制造過(guo)(guo)程中(zhong)，并不是一次(ci)(ci)(ci)曝光(guang)就(jiu)(jiu)可以完(wan)成的，在(zai)制造過(guo)(guo)程中(zhong)要經歷多次(ci)(ci)(ci)曝光(guang)，這也就(jiu)(jiu)意味著，在(zai)芯(xin)片制作過(guo)(guo)程中(zhong)要進行多次(ci)(ci)(ci)對準(zhun)操(cao)作（每一次(ci)(ci)(ci)曝光(guang)都(dou)要更(geng)換(huan)不同的掩膜(mo)(mo)，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅(gui)晶圓之(zhi)間(jian)每次(ci)(ci)(ci)都(dou)要對準(zhun)操(cao)作）。芯(xin)片的每個(ge)元件之(zhi)間(jian)都(dou)只有(you)幾(ji)納(na)米的間(jian)隔，在(zai)這種情況下，掩膜(mo)(mo)與(yu)硅(gui)晶圓之(zhi)間(jian)的對準(zhun)誤(wu)差(cha)都(dou)必須控制在(zai)幾(ji)納(na)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。就相當于端(duan)著(zhu)一碗湯做蛙跳，還(huan)得(de)保證跳了幾十次之后一滴湯都沒(mei)灑出來(lai)。

工作臺技術不論是(shi)從精(jing)度還是(shi)時(shi)間(jian)效率上來說，均是(shi)光(guang)刻機技術上的一個難(nan)點(dian)。

4、耗電問題

光刻(ke)機(ji)要在工作(zuo)過(guo)程中穩定地(di)輸出高(gao)功率的光線，以(yi)支(zhi)持其在晶圓(yuan)上(shang)的持續刻(ke)蝕。為了實(shi)現(xian)芯(xin)片(pian)的工業化量產(chan)，光刻(ke)機(ji)在耗電能(neng)力上(shang)也(ye)有極致的追求。

最(zui)關鍵的還是，EUV光刻機還非常費(fei)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，同時也可以通過(guo)更高的功率(lv)來彌補自身能(neng)源轉換效(xiao)率(lv)低(di)下的問題，一般設備運(yun)行之后每小時就會損耗至少(shao)150度的電(dian)力。

這種極(ji)度耗電的(de)問題，也是光(guang)刻(ke)機制(zhi)造中的(de)一(yi)個難點。

除此之外，次(ci)級電子對(dui)光(guang)刻膠的(de)曝光(guang)、光(guang)化學反應釋(shi)放(fang)氣體，EUV對(dui)光(guang)罩的(de)侵蝕等種種難題(ti)都要一(yi)一(yi)解(jie)決。這種情況就導(dao)致很長一(yi)段時間內EUV的(de)產量極低(di)，甚至日均產量只有1500片。

當(dang)然，除(chu)了上(shang)面提到的(de)(de)幾點(dian)(dian)(dian)之外，光刻(ke)機的(de)(de)研發還面臨著很多(duo)難點(dian)(dian)(dian)，光刻(ke)機對(dui)工(gong)作環境的(de)(de)要求極高，它必(bi)須要在超潔凈(jing)的(de)(de)環境下才(cai)能夠(gou)運(yun)行，一點(dian)(dian)(dian)點(dian)(dian)(dian)小灰塵落在光罩上(shang)就會(hui)帶來嚴重的(de)(de)良品率問(wen)題，并對(dui)材料技術、流程(cheng)控制等都有更高的(de)(de)要求。最致命的(de)(de)一點(dian)(dian)(dian)，就是光刻(ke)機的(de)(de)研發成(cheng)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(wo)國在(zai)光(guang)刻機(ji)技術上已經取得了一(yi)些小小的(de)(de)突破(po)，國產光(guang)刻機(ji)未來可期(qi)！期(qi)待(dai)中國光(guang)刻機(ji)打破(po)壟斷，走向世界的(de)(de)一(yi)刻。