今天我(wǒ)們就來了解一(yī)下(xià)光刻機。
在整個芯片制造工(gōng)藝中(zhōng)，幾乎每個工(gōng)藝的實施，都離(lí)不開(kāi)光刻的技術。光刻也是制造芯片的最關鍵技術，他占芯片制造成本的35%以上。
當芯片完成 IC 設計後，就要委托晶圓代工(gōng)廠進行芯片制造封裝。
芯片制造中(zhōng)，晶圓必不可少，從二氧化矽（SiO2）礦石，比如石英砂中(zhōng)用一(yī)系列化學和物(wù)理冶煉的方法提純出矽棒，然後切割成圓形的單晶矽片，這就是晶圓。
從矽棒上切下(xià)的晶圓片
晶圓是制造各式電(diàn)腦芯片的基礎。我(wǒ)們可以将芯片制造比拟成用積木蓋房子，藉由一(yī)層又(yòu)一(yī)層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去(qù)，不合自己所意，爲了做出完美的房子，便需要一(yī)個平穩的基闆。對芯片制造來說，這個基闆就是晶圓。
光刻技術是一(yī)種精密的微細加工(gōng)技術。常規光刻技術是采用波長爲2000～4500埃的紫外(wài)光作爲圖像信息載體(tǐ)，以光緻抗光刻技術蝕劑爲中(zhōng)間（圖像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片 (主要指矽片) 或介質層上的一(yī)種工(gōng)藝。
光刻技術就是把芯片制作所需要的線路與功能區做出來。簡單來說芯片設計人員(yuán)設計的線路與功能區“印進”晶圓之中(zhōng)，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電(diàn)路圖和其他電(diàn)子元件。
就好像原本一(yī)個空空如也的大(dà)腦，通過光刻技術把指令放(fàng)進去(qù)，那這個大(dà)腦才可以運作，而電(diàn)路圖和其他電(diàn)子元件就是芯片設計人員(yuán)設計的指令。
光刻包括光複印和刻蝕工(gōng)藝兩個主要方面：
1. 光複印工(gōng)藝：經曝光系統将預制在掩模版上的器件或電(diàn)路圖形按所要求的位置，精确傳遞到預塗在晶片表面或介質層上的光緻抗蝕劑薄層上。
2. 刻蝕工(gōng)藝：利用化學或物(wù)理方法，将抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質層除去(qù)，從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一(yī)緻的圖形。集成電(diàn)路各功能層是立體(tǐ)重疊的，因而光刻工(gōng)藝總是多次反複進行。例如，大(dà)規模集成電(diàn)路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。
而光複印技術就是光刻機，而刻蝕工(gōng)藝就是蝕刻機。
在光刻技術的原理下(xià)，人們制造了光刻機，光刻機通過一(yī)系列的光源能量、形狀控制手段，将光束透射過畫着線路圖的掩模，經物(wù)鏡補償各種光學誤差，将線路圖成比例縮小(xiǎo)後映射到晶圓上，不同光刻機的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然後使用化學方法顯影，得到刻在晶圓上的電(diàn)路圖（即芯片）。
一(yī)般的光刻工(gōng)藝要經曆矽片表面清洗烘幹、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工(gōng)序。經過一(yī)次光刻的芯片可以繼續塗膠、曝光。越複雜(zá)的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。現在先進的芯片有30多層。
可以說光刻決定了半導體(tǐ)線路的精度，以及芯片功耗與性能，相關設備需要集成材料、光學、機電(diàn)等領域最尖端的技術。
芯片内部結構
光刻機的種類有很多種，按照用途可以分(fēn)爲好幾種：有用于生(shēng)産芯片的光刻機；有用于封裝的光刻機；還有用于LED制造領域的投影光刻機。用于生(shēng)産芯片的光刻機是中(zhōng)國在半導體(tǐ)設備制造上最大(dà)的短闆。
因爲光學光刻是通過廣德照射用投影方法将掩模上的大(dà)規模集成電(diàn)路器件的結構圖形畫在塗有光刻膠的矽片上，通過光的照射，光刻膠的成分(fēn)發生(shēng)化學反應，從而生(shēng)成電(diàn)路圖。限制成品所能獲得的最小(xiǎo)尺寸與光刻系統能獲得的分(fēn)辨率直接相關，而減小(xiǎo)照射光源的波長是提高分(fēn)辨率的最有效途徑。
最早的光刻機采用接觸式光刻，即掩模貼在矽片上進行光刻，容易産生(shēng)污染，且掩模壽命較短。此後的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良， 通過氣墊在掩模和矽片間産生(shēng)細小(xiǎo)空隙，掩模與矽片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。
根據所使用的光源的改進以及雙工(gōng)作台、沉浸式光刻等新型光刻技術的創新與發展，光刻機經曆了 5 代産品的發展，每次光源的改進都顯著提升了升光刻機的工(gōng)藝制程水平，以及生(shēng)産的效率和良率。
現在廣泛使用的光刻機分(fēn)爲幹式和浸沒式，45nm以下(xià)的高端光刻機的市場中(zhōng)，ASML是目前市場的龍頭，占據 80%以上的份額。
而目前最爲先進的光刻機叫EUV光刻機，目前華爲麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技術，EUV技術也叫紫外(wài)光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），它以波長爲10-14納米的極紫外(wài)光作爲光源的光刻技術。具體(tǐ)爲采用波長爲13.4nm 的紫外(wài)線，目前1-4 代光刻機使用的光源都屬于深紫外(wài)光，而5代EUV光刻機則屬于極紫外(wài)光。
根據瑞利公式（分(fēn)辨率=k1·λ/NA），這麽短的波長可以提供極高的光刻分(fēn)辨率。在1985年左右已經有半導體(tǐ)行業科學家就EUV技術進行了理論上的探讨并做了許多相關的實驗。
在摩爾定律的規律下(xià)，以及在如今科學技術快速發展的信息時代，半導體(tǐ)行業人員(yuán)對于半導體(tǐ)的未來發展充滿憂慮。所以便想通過新的光刻技術來對當前的芯片制造方法做出全面的改進，推動半導體(tǐ)行業進入新的發展。
光刻機龍頭企業 ASML 從 1999 年開(kāi)始 EUV 光刻機的研發工(gōng)作，原計劃在 2004 年推出産品。但直到 2010 年 ASML 才研發出第一(yī)台 EUV 原型機， 2016 年才實現下(xià)遊客戶的供貨，比預計時間晚了十幾年。直到2019年，第一(yī)款7nm EUV 工(gōng)藝的芯片 Exynos 9825 才正式商(shāng)用。
EUV 光刻機面市時間表的不斷延後主要有兩大(dà)方面的原因，一(yī)是所需的光源功率遲遲無法達到 250 瓦的工(gōng)作功率需求，二是光學透鏡、反射鏡系統對于光學精度的要求極高，生(shēng)産難度極大(dà)。到了2020年，主流的手機旗艦芯片都将采用EUV技術。
受《瓦森(sēn)納協定》影響，“瓦森(sēn)納安排”規定成員(yuán)國自行決定是否發放(fàng)敏感産品和技術的出口許可證，并在自願基礎上向“安排”其他成員(yuán)國通報有關信息。但“安排”實際上完全受美國控制。所以中(zhōng)國在前幾年一(yī)直無法獲取到最新的光刻機，直到2018年，中(zhōng)芯國際花費(fèi)1.2億美元向荷蘭頂級光刻機廠商(shāng)ASML訂購了一(yī)台最先進的EUV(極紫外(wài)光)技術光刻機。
和西方國家相比，中(zhōng)國一(yī)直最爲缺少半導體(tǐ)生(shēng)态，而這也限制了中(zhōng)國光刻機的發展，像國外(wài)，IC設計廠商(shāng)、晶圓體(tǐ)代工(gōng)廠直接和光刻機進行技術交流、扶持，從而形成一(yī)條完整的産業鏈，擁有完整的半導體(tǐ)生(shēng)态，光刻機制造廠商(shāng)可以生(shēng)産出最符合IC設計廠商(shāng)以及晶圓體(tǐ)加工(gōng)廠的設備，而IC設計廠商(shāng)、晶圓體(tǐ)代工(gōng)廠對光刻機制造廠商(shāng)的技術對接、扶持又(yòu)促進了光刻機設備的技術發展，從而形成一(yī)個正循環。
比如中(zhōng)國台灣台積電(diàn)林本堅創新性地提出浸沒式光刻設想後， ASML開(kāi)始與台積電(diàn)合作開(kāi)發第四代浸沒式光刻機，并在 2007年成功推出第一(yī)台浸沒式光刻機TWINSCANXT:1900i，該設備采用折射率達到 1.44 的去(qù)離(lí)子水做爲媒介，實現了 45nm 的制程工(gōng)藝，并一(yī)舉壟斷市場。
這造成當時的另兩大(dà)光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源幹式光刻機被市場抛棄，不僅損失了巨大(dà)的人力物(wù)力，也在産品線上顯著落後于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉衰，ASML 一(yī)家獨大(dà)的重要轉折點，而這一(yī)方面又(yòu)鞏固了台積電(diàn)在晶圓代工(gōng)上的龍頭地位，讓台積電(diàn)掌握了最爲先進的制加工(gōng)工(gōng)藝，促進了台積電(diàn)的發展。
中(zhōng)國市場是沒有這樣的半導體(tǐ)生(shēng)态的，除了海思之外(wài)，上下(xià)遊都沒有在世界領先的半導體(tǐ)廠商(shāng)進行反哺産業鏈，在2017年梁孟松加入中(zhōng)芯國際之後，中(zhōng)芯國際才掌握了12納米的加工(gōng)工(gōng)藝，與台積電(diàn)還有着明顯差距。
目前上海微電(diàn)子在封裝光刻機和LED光刻機領域都取得了突破，公司的封裝光刻機已在國内外(wài)市場廣泛銷售，國内市占率達到80%,全球市占率40%，但是用于生(shēng)産芯片的光刻機目前才掌握90nm光刻機，目前上海微電(diàn)子在攻克45nm的工(gōng)藝技術。
上海微電(diàn)子裝備有限公司光刻機現場展示
而至于曝光的中(zhōng)國研發成功紫光超分(fēn)辨光刻機實現22納米工(gōng)藝制程，結合多重曝光技術後，可用于制造10納米級别的芯片，純屬誤讀，紫光超分(fēn)辨光刻機适用于特殊應用，類似的應用範圍是光纖領域、5G天線，無法應用在集成電(diàn)路領域。
超分(fēn)辨光刻設備加工(gōng)的4英寸光刻樣品
爲什麽造光刻機這麽難，光刻機需要體(tǐ)積小(xiǎo)，但功率高而穩定的光源。ASML的頂尖光刻機，使用波長短的極紫外(wài)光，光學系統極複雜(zá)，而位于光刻機中(zhōng)心的鏡頭，由20多塊鍋底大(dà)的鏡片串聯組成。鏡片得高純度透光材料+高質量抛光。ASML的鏡片是蔡司技術打底。鏡片材質做到均勻，需幾十年到上百年技術積澱，德國一(yī)些抛光鏡片的工(gōng)人，祖孫三代在同一(yī)家公司的同一(yī)個職位。
有頂級的鏡頭和光源，沒極緻的機械精度，也沒有用。光刻機裏有兩個同步運動的工(gōng)件台，一(yī)個載底片，一(yī)個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下(xià)。兩個工(gōng)作台由靜到動，加速度跟導彈發射差不多。而中(zhōng)國目前還缺少這樣的核心器件，還需要海外(wài)進口。
中(zhōng)科院院士劉明表示雖然這些年我(wǒ)國在關于光刻機的很多領域取得進展，但是總體(tǐ)來說國内的光刻機技術與國外(wài)技術依舊(jiù)有15到20年的差距。
目前中(zhōng)國在蝕刻機領域已經突破了5nm，追平與世界的差距，我(wǒ)們也希望有一(yī)天我(wǒ)們能夠在光刻機領域利用後發優勢追求與世界的差距。
文章轉載自微信公衆号：DT新材料