一、光刻機哪個國家能造

光刻機作為芯片產業制(zhi)造(zao)中不可缺少的(de)設(she)(she)備(bei)，也是工(gong)時和成本占比最高的(de)設(she)(she)備(bei)，更是全(quan)球頂尖技術和人類智慧的(de)結晶。那(nei)么目前有(you)哪些國家可以制(zhi)造(zao)出光刻機(ji)呢？

目前在制造光刻機領(ling)域(yu)中(zhong)，荷蘭已經(jing)達(da)到了領(ling)先全(quan)球的(de)(de)水平，荷蘭的(de)(de)ASML公司占(zhan)據了全(quan)球市場份額的(de)(de)80%。

除了荷蘭(lan)以外(wai)，日本和(he)中(zhong)國(guo)也可以制造(zao)出光(guang)(guang)刻機。日本代表(biao)(biao)的(de)企業(ye)是佳能和(he)尼康，中(zhong)國(guo)的(de)代表(biao)(biao)企業(ye)是上海微(wei)電子。雖(sui)然我國(guo)目前只(zhi)能制造(zao)出90納米(mi)的(de)光(guang)(guang)刻機，但是我國(guo)已經加大了科(ke)研(yan)投入和(he)人才培養，相信在不久的(de)將來，就(jiu)能制造(zao)出屬于自己的(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(mu)前，世(shi)界(jie)上最先進的光刻機已經能夠加工13納米線條。而(er)我們(men)人類的頭發(fa)絲直徑大(da)約是(shi)50~70微米，也就是(shi)說，光刻可以刻畫(hua)出(chu)只有頭發(fa)絲直徑1/5000的線條。

前面(mian)提到的(de)荷蘭ASML公司(si)的(de)極紫(zi)外(wai)光刻機（EUV）是(shi)現在全球(qiu)最頂尖的(de)光刻機設備，相較于DUV，它把(ba)193nm的(de)短波紫(zi)外(wai)線(xian)替換(huan)成了13.5nm的(de)極紫(zi)外(wai)線(xian)，能夠(gou)把(ba)光刻技(ji)術擴(kuo)展到32nm以下(xia)的(de)特(te)征(zheng)尺(chi)寸。

EUV光刻機的(de)(de)光源來自(zi)于美國的(de)(de)Cymer，這個(ge)13.5nm的(de)(de)極(ji)紫(zi)外(wai)線(xian)其實是(shi)從193nm的(de)(de)短波紫(zi)外(wai)線(xian)多次(ci)反射之后得到的(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。在這個(ge)(ge)過程中，每秒大約(yue)要攻擊5萬個(ge)(ge)滴(di)液，而(er)一個(ge)(ge)金(jin)屬錫滴(di)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(qi)精(jing)密程(cheng)度。光源(yuan)的(de)問題，就是光刻機制造的(de)難點問題之一。

2、反射鏡

光刻機(ji)的第二個(ge)難點，是用(yong)來(lai)調整光路和聚焦的反射鏡。

普通(tong)光刻(ke)機的(de)物(wu)鏡是(shi)透鏡，高端光刻(ke)機的(de)物(wu)鏡是(shi)反射(she)(she)鏡，反射(she)(she)鏡還得利用Bragg反射(she)(she)的(de)原理添(tian)加涂(tu)層。

反射鏡(jing)的(de)作用是把模板上的(de)電路圖等比例縮(suo)小，在硅片上以(yi)電路圖的(de)形式呈(cheng)現出來(lai)，這是制(zhi)造芯片的(de)關鍵元(yuan)件。

ASML公(gong)司EUV的(de)光(guang)(guang)(guang)學元件都來自(zi)于以做光(guang)(guang)(guang)學器件出名德國的(de)蔡司，當然(ran)其中也包括光(guang)(guang)(guang)刻機的(de)反射鏡(jing)。

EUV多層(ceng)膜反(fan)射(she)鏡作為光(guang)學系(xi)統(tong)的(de)(de)重要元件，成為了(le)EUV光(guang)源的(de)(de)一(yi)項關鍵技術(shu)，需實現EUV波段的(de)(de)高反(fan)射(she)率(lv)。

近年來(lai)，科研(yan)人員們通過研(yan)究發現(xian)，采(cai)用Mo/Si多層(ceng)膜制(zhi)備(bei)出的(de)(de)反射(she)鏡對中心波(bo)長為(wei)13.5nm、光譜帶寬，在2%以內(nei)EUV光的(de)(de)反射(she)率(lv)可達70%。通過將Mo原子(zi)和si原子(zi)交替(ti)排列，可使(shi)13.5nm的(de)(de)EUV光在其(qi)中發生干涉，從而(er)得到(dao)較高的(de)(de)反射(she)效率(lv)。

一(yi)句話(hua)來感受一(yi)下EUV反射鏡精度(du)到(dao)底有(you)多(duo)高？假設差不(bu)多(duo)半米直(zhi)徑(jing)的(de)鏡面是(shi)德國國土面積那么大(da)，那么其局部(bu)的(de)凹凸不(bu)能超(chao)過1mm。

光(guang)刻機(ji)上面反射鏡的制造，也(ye)是(shi)光(guang)刻機(ji)技術(shu)的一個(ge)難(nan)點。

3、工作臺

光刻機的(de)工(gong)作臺(tai)控(kong)制(zhi)了芯片(pian)在制(zhi)造生產中(zhong)的(de)紋路(lu)刻蝕，工(gong)作臺(tai)的(de)移動精(jing)度越高，所加(jia)工(gong)的(de)芯片(pian)精(jing)度就越高。這對于(yu)國(guo)家的(de)硬件能力和軟件能力都是(shi)考驗(yan)，即(ji)使是(shi)科技實力十分(fen)強大的(de)美國(guo)也無法做到(dao)壟斷(duan)光刻機移動工(gong)作臺(tai)。

ASML公司的(de)EUV光刻機工(gong)作臺(tai)采用的(de)是一種高精(jing)度的(de)激(ji)光干涉儀，以此進行微(wei)動(dong)臺(tai)的(de)位(wei)移測量(liang)，構建出一個閉(bi)環的(de)控制系統，進而實現納米級的(de)超精(jing)密同步運動(dong)。

光(guang)刻機分辨率的日益提(ti)高(gao)對光(guang)刻機工作(zuo)臺(tai)提(ti)出了更高(gao)的要求，在工作(zuo)臺(tai)運(yun)行過程中，需要花(hua)費更多的時(shi)間對準(zhun)以保(bao)證(zheng)光(guang)刻機的工作(zuo)精度(du)。

也就(jiu)是說，怎樣在(zai)保證(zheng)不浪費(fei)太多時(shi)間(jian)的(de)同時(shi)確(que)保工(gong)件的(de)精度？這是個問題。

在(zai)芯片(pian)制(zhi)造(zao)過程(cheng)中，并(bing)不(bu)是一次(ci)曝(pu)(pu)光(guang)就可以完(wan)成的，在(zai)制(zhi)造(zao)過程(cheng)中要(yao)經(jing)歷多次(ci)曝(pu)(pu)光(guang)，這也就意味著，在(zai)芯片(pian)制(zhi)作過程(cheng)中要(yao)進(jin)行多次(ci)對(dui)準操(cao)作（每(mei)(mei)一次(ci)曝(pu)(pu)光(guang)都(dou)要(yao)更換不(bu)同的掩(yan)膜(mo)，掩(yan)膜(mo)與硅晶圓之(zhi)間(jian)每(mei)(mei)次(ci)都(dou)要(yao)對(dui)準操(cao)作）。芯片(pian)的每(mei)(mei)個(ge)元件之(zhi)間(jian)都(dou)只有幾納米(mi)的間(jian)隔(ge)，在(zai)這種(zhong)情況下，掩(yan)膜(mo)與硅晶圓之(zhi)間(jian)的對(dui)準誤差都(dou)必須控制(zhi)在(zai)幾納米(mi)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(tang)(tang)做蛙跳(tiao)，還得保證跳(tiao)了幾(ji)十次之(zhi)后一(yi)滴湯(tang)(tang)都沒灑出來(lai)。

工作臺(tai)技(ji)術(shu)不論是從(cong)精度還是時(shi)間效率上來說，均是光刻機技(ji)術(shu)上的一個難點。

4、耗電問題

光刻(ke)機(ji)要在(zai)工作過(guo)程中穩定(ding)地輸出高功率(lv)的(de)光線(xian)，以支持其在(zai)晶圓上的(de)持續(xu)刻(ke)蝕。為了實現芯片的(de)工業化量產，光刻(ke)機(ji)在(zai)耗電能力上也有(you)極致(zhi)的(de)追求。

最關鍵(jian)的(de)還(huan)是，EUV光刻(ke)機(ji)還(huan)非常費電，它(ta)需(xu)要消耗(hao)電量把(ba)整個工作環境(jing)都抽成真(zhen)空(kong)以避免灰塵(chen)，同時也可(ke)以通過(guo)更高的(de)功率(lv)(lv)來彌補自身能源轉換效率(lv)(lv)低下的(de)問題，一般設(she)備運行之后每(mei)小時就會損耗(hao)至少150度的(de)電力。

這種極度耗(hao)電(dian)的問題，也是光刻機(ji)制造中的一(yi)個(ge)難點(dian)。

除此之(zhi)外，次級電子對(dui)光刻(ke)膠的曝光、光化學(xue)反應釋放氣(qi)體，EUV對(dui)光罩的侵蝕等(deng)種種難題都要一(yi)一(yi)解(jie)決(jue)。這種情(qing)況就導致(zhi)很長一(yi)段時間內EUV的產量(liang)極低，甚至(zhi)日均產量(liang)只(zhi)有(you)1500片。

當(dang)然，除了上面(mian)提到的(de)(de)幾點(dian)之外，光(guang)刻(ke)機(ji)的(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)還面(mian)臨著很多難點(dian)，光(guang)刻(ke)機(ji)對(dui)工作環(huan)境的(de)(de)要(yao)求極高(gao)，它必(bi)須要(yao)在超潔凈的(de)(de)環(huan)境下才能夠運行，一(yi)點(dian)點(dian)小灰塵落(luo)在光(guang)罩上就會帶來嚴重的(de)(de)良(liang)品(pin)率問題，并(bing)對(dui)材料技術、流程控制等都(dou)有更(geng)高(gao)的(de)(de)要(yao)求。最致命(ming)的(de)(de)一(yi)點(dian)，就是光(guang)刻(ke)機(ji)的(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)成本(ben)極高(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。但目(mu)前我國在光刻(ke)(ke)(ke)機(ji)技術(shu)上已經取得了一些小(xiao)小(xiao)的突(tu)破，國產光刻(ke)(ke)(ke)機(ji)未來可(ke)期！期待(dai)中國光刻(ke)(ke)(ke)機(ji)打破壟(long)斷，走向世界的一刻(ke)(ke)(ke)。