一、光刻機哪個國家能造

光刻機作(zuo)為芯(xin)片產業制造中不可(ke)缺少的設(she)備，也(ye)是工(gong)時和成(cheng)本占比最(zui)高的設(she)備，更(geng)是全(quan)球頂尖技(ji)術(shu)和人(ren)類智慧的結晶(jing)。那么目(mu)前有(you)哪些國家(jia)可(ke)以制造出光刻機(ji)呢？

目前在制造光刻機領(ling)域中(zhong)，荷蘭(lan)已經達(da)到了領(ling)先全球的水(shui)平，荷蘭(lan)的ASML公司占據(ju)了全球市場份額的80%。

除(chu)了(le)荷蘭以外(wai)，日本和中國也可(ke)以制(zhi)造出(chu)光(guang)刻(ke)(ke)機。日本代表的(de)企(qi)(qi)業是佳能(neng)和尼(ni)康(kang)，中國的(de)代表企(qi)(qi)業是上海微電子。雖然我國目前(qian)只能(neng)制(zhi)造出(chu)90納米(mi)的(de)光(guang)刻(ke)(ke)機，但是我國已經加(jia)大了(le)科研(yan)投入和人才培養(yang)，相信(xin)在(zai)不久的(de)將來，就能(neng)制(zhi)造出(chu)屬于自(zi)己的(de)光(guang)刻(ke)(ke)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，世界(jie)上最先進的光(guang)刻(ke)機已經能夠(gou)加工(gong)13納米線(xian)條(tiao)。而(er)我們人類的頭發絲(si)直(zhi)徑大約是(shi)50~70微米，也就(jiu)是(shi)說，光(guang)刻(ke)可以刻(ke)畫出(chu)只有(you)頭發絲(si)直(zhi)徑1/5000的線(xian)條(tiao)。

前面提到的(de)荷蘭ASML公司的(de)極紫外光刻(ke)機（EUV）是現在全球最頂尖的(de)光刻(ke)機設備，相較于DUV，它把193nm的(de)短波(bo)紫外線替換成(cheng)了13.5nm的(de)極紫外線，能夠把光刻(ke)技(ji)術擴展到32nm以下的(de)特(te)征尺(chi)寸。

EUV光(guang)刻機的(de)光(guang)源來自于(yu)美(mei)國的(de)Cymer，這個13.5nm的(de)極紫(zi)外(wai)線(xian)其(qi)實是從193nm的(de)短波紫(zi)外(wai)線(xian)多次反射之后得到的(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。在這個(ge)過程中(zhong)，每秒大約要(yao)攻擊5萬個(ge)滴(di)液，而一(yi)個(ge)金(jin)屬錫滴(di)液，其(qi)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。足以可(ke)見其精(jing)密程(cheng)度。光(guang)源(yuan)的(de)問題(ti)，就是光(guang)刻機制造(zao)的(de)難點問題(ti)之一。

2、反射鏡

光(guang)刻機的(de)第二個難點，是用(yong)來調整(zheng)光(guang)路和聚(ju)焦的(de)反射鏡。

普通光刻機的物鏡(jing)是(shi)透(tou)鏡(jing)，高端光刻機的物鏡(jing)是(shi)反(fan)(fan)射鏡(jing)，反(fan)(fan)射鏡(jing)還得利用Bragg反(fan)(fan)射的原理添加涂層(ceng)。

反(fan)射鏡(jing)的(de)作用(yong)是(shi)把模板上(shang)的(de)電路(lu)圖(tu)等比(bi)例縮小，在硅(gui)片(pian)(pian)上(shang)以電路(lu)圖(tu)的(de)形式(shi)呈現出(chu)來，這是(shi)制造芯片(pian)(pian)的(de)關(guan)鍵元件(jian)。

ASML公司EUV的光學元(yuan)件(jian)(jian)都來自(zi)于以做光學器件(jian)(jian)出名德國的蔡司，當然其中也包括(kuo)光刻機的反(fan)射(she)鏡。

EUV多層(ceng)膜反射(she)鏡作為光學系統的重要元(yuan)件(jian)，成為了EUV光源的一項(xiang)關鍵技術，需實(shi)現EUV波段的高反射(she)率。

近年來，科研人員(yuan)們通(tong)過研究發現，采(cai)用Mo/Si多層膜(mo)制備出的(de)(de)反(fan)射(she)鏡對(dui)中心波長為13.5nm、光(guang)(guang)譜(pu)帶寬(kuan)，在2%以內(nei)EUV光(guang)(guang)的(de)(de)反(fan)射(she)率可達(da)70%。通(tong)過將Mo原(yuan)(yuan)子和si原(yuan)(yuan)子交(jiao)替排列，可使13.5nm的(de)(de)EUV光(guang)(guang)在其(qi)中發生干涉，從(cong)而得到較高的(de)(de)反(fan)射(she)效率。

一句話來感(gan)受一下EUV反射鏡精度(du)到底有(you)多高(gao)？假設(she)差不多半米直徑的(de)鏡面是德國(guo)國(guo)土面積那(nei)(nei)么(me)大，那(nei)(nei)么(me)其局部的(de)凹(ao)凸(tu)不能超過1mm。

光(guang)刻機上(shang)面反(fan)射鏡的(de)制造，也是光(guang)刻機技術的(de)一個(ge)難點。

3、工作臺

光(guang)刻機(ji)的(de)(de)工(gong)作臺控(kong)制了(le)芯片在制造(zao)生產中(zhong)的(de)(de)紋路刻蝕，工(gong)作臺的(de)(de)移(yi)動精度(du)越高(gao)(gao)，所加工(gong)的(de)(de)芯片精度(du)就越高(gao)(gao)。這對于國家的(de)(de)硬(ying)件能力(li)(li)和軟件能力(li)(li)都是考驗，即使是科技實力(li)(li)十分強大的(de)(de)美國也無(wu)法做到壟斷光(guang)刻機(ji)移(yi)動工(gong)作臺。

ASML公司的(de)(de)EUV光刻(ke)機工作臺采用的(de)(de)是一(yi)種(zhong)高(gao)精(jing)度的(de)(de)激光干涉儀(yi)，以此進行(xing)微動臺的(de)(de)位移(yi)測量，構建出一(yi)個閉環的(de)(de)控制系統，進而(er)實現納米級的(de)(de)超精(jing)密同步運(yun)動。

光(guang)刻機(ji)分辨率的日益提高(gao)(gao)對(dui)光(guang)刻機(ji)工(gong)作臺(tai)提出了更高(gao)(gao)的要求，在工(gong)作臺(tai)運(yun)行過(guo)程中，需要花費(fei)更多(duo)的時間對(dui)準以(yi)保(bao)證光(guang)刻機(ji)的工(gong)作精度。

也就(jiu)是(shi)說(shuo)，怎樣在保證不(bu)浪費太多時間的同(tong)時確保工件(jian)的精度(du)？這是(shi)個問題(ti)。

在(zai)(zai)(zai)芯片(pian)制造(zao)過(guo)程中(zhong)，并不是一次(ci)(ci)(ci)曝(pu)(pu)光就(jiu)可以完成(cheng)的(de)，在(zai)(zai)(zai)制造(zao)過(guo)程中(zhong)要(yao)經歷多(duo)次(ci)(ci)(ci)曝(pu)(pu)光，這也就(jiu)意(yi)味著，在(zai)(zai)(zai)芯片(pian)制作過(guo)程中(zhong)要(yao)進行多(duo)次(ci)(ci)(ci)對準操作（每一次(ci)(ci)(ci)曝(pu)(pu)光都要(yao)更換不同的(de)掩(yan)膜，掩(yan)膜與(yu)(yu)硅晶(jing)圓之間每次(ci)(ci)(ci)都要(yao)對準操作）。芯片(pian)的(de)每個元件之間都只有幾(ji)納米(mi)的(de)間隔，在(zai)(zai)(zai)這種情況下，掩(yan)膜與(yu)(yu)硅晶(jing)圓之間的(de)對準誤差(cha)都必須控制在(zai)(zai)(zai)幾(ji)納米(mi)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(jiu)相當于端著一(yi)碗湯(tang)做蛙跳(tiao)，還得(de)保證跳(tiao)了幾十次之后(hou)一(yi)滴湯(tang)都(dou)沒灑(sa)出(chu)來。

工作臺技(ji)術不(bu)論是從(cong)精度還是時間(jian)效率上來說(shuo)，均是光刻機技(ji)術上的一個(ge)難點(dian)。

4、耗電問題

光(guang)刻機(ji)要(yao)在工作過程中穩(wen)定地輸出高功(gong)率(lv)的光(guang)線，以支(zhi)持(chi)其在晶圓上(shang)的持(chi)續(xu)刻蝕。為了實(shi)現芯片的工業化量(liang)產，光(guang)刻機(ji)在耗電能力上(shang)也有極致的追求(qiu)。

最(zui)關鍵的還是(shi)，EUV光刻機還非常費電(dian)，它需要(yao)消耗電(dian)量(liang)把整(zheng)個工作環(huan)境(jing)都(dou)抽(chou)成真(zhen)空以避(bi)免灰塵，同時(shi)也可以通(tong)過(guo)更高(gao)的功率(lv)來彌(mi)補自身(shen)能(neng)源轉換(huan)效率(lv)低(di)下(xia)的問題，一(yi)般(ban)設備運行之后每小時(shi)就(jiu)會損耗至少(shao)150度的電(dian)力(li)。

這種極度耗(hao)電的(de)問題，也是(shi)光刻機制(zhi)造中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)難(nan)點。

除此(ci)之外(wai)，次(ci)級電子對光(guang)刻(ke)膠的(de)曝光(guang)、光(guang)化學反應釋(shi)放氣體，EUV對光(guang)罩的(de)侵(qin)蝕等(deng)種(zhong)種(zhong)難題都要一(yi)(yi)一(yi)(yi)解決。這種(zhong)情況就導致很長一(yi)(yi)段時間(jian)內EUV的(de)產量(liang)極低(di)，甚(shen)至日均(jun)產量(liang)只有1500片(pian)。

當然，除了上面提到的(de)幾點(dian)之外，光(guang)刻機的(de)研發還面臨著很多難點(dian)，光(guang)刻機對工作環境的(de)要(yao)求(qiu)極(ji)高，它必須要(yao)在超潔凈的(de)環境下才能夠運行(xing)，一點(dian)點(dian)小灰塵(chen)落在光(guang)罩(zhao)上就(jiu)會帶來嚴重(zhong)的(de)良品(pin)率問題(ti)，并(bing)對材料(liao)技術、流程(cheng)控(kong)制(zhi)等都(dou)有更高的(de)要(yao)求(qiu)。最(zui)致命的(de)一點(dian)，就(jiu)是(shi)光(guang)刻機的(de)研發成(cheng)本極(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。但目前(qian)我國在(zai)光(guang)刻(ke)(ke)機(ji)技(ji)術上已經(jing)取得了一些小(xiao)小(xiao)的突破，國產光(guang)刻(ke)(ke)機(ji)未來可期！期待中國光(guang)刻(ke)(ke)機(ji)打破壟斷(duan)，走(zou)向世(shi)界的一刻(ke)(ke)。