光刻機界的“獨孤求敗”是怎樣煉成的？

撰文 | 悟理哥

來源：科技金眼

半導(dǎo)體行業(yè)的人，大概誰也沒想到，本來是專業(yè)領(lǐng)域很小眾的光刻機，會成為社會持續(xù)關(guān)注的熱點。這既是好事，比如一下子成為了政策和投資的風(fēng)口，搞IC的人，終于可以跟搞互聯(lián)網(wǎng)的人談笑風(fēng)生了。但也有不好的地方，比如，有些人想借機撈一票就走，還有大量關(guān)于光刻機的文章似是而非。

比如，媒體上經(jīng)常出現(xiàn)的幾納米幾納米的工藝，是不是指光刻機的分辨率呢？估計大部分寫公號的人都搞不懂這個問題。還有，都知道做光刻機荷蘭阿斯麥一枝獨秀，那它厲害在哪？阿斯麥是怎樣煉成的？

本文將用7個簡單的比喻，正本清源，告訴你正確的答案。畢竟，悟理哥是半導(dǎo)體專業(yè)出身的，在大學(xué)任教時就教電子系光學(xué)，大致不會那么離譜。

1 光刻就像照相光刻（Lithography）類似于照相，是將掩膜版（Mask）攜帶的集成電路結(jié)構(gòu)圖形，“定格”和“刻畫”在硅片上的過程，這個過程中需要用到的媒質(zhì)是光刻膠，涉及的工藝跟傳統(tǒng)沖洗膠卷一樣，包括顯影和定影等步驟，需要的機器設(shè)備，最核心的就是光刻機了。

光刻原理簡圖

光刻工藝是集成電路制造的關(guān)鍵步驟，它對集成電路制造的重要性體現(xiàn)在兩個方面，一是在集成電路制造過程中需要進行多次光刻，光刻成本占到集成電路制造成本的30%以上；二是光刻技術(shù)水平，包括光刻機設(shè)備，決定了集成電路中的晶體管能做到多小，進而決定集成電路的集成度和性能能夠達到什么程度。

2 光刻機就像面條機光刻機類似于一個面條機，是加工制作“面條”——芯片的核心設(shè)備。不同的面條機，做出來的面條質(zhì)量并不相同，有的粗，有的細，有的慢，有的快。

光刻機能夠做出來多小的圖形尺寸，跟光刻機的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)。因此，光刻機自發(fā)明之后，為了使造出來的“面條”效果更好，人類對光刻機進行了不斷的改進。

首先是曝光光源的更新?lián)Q代。從最初的436納米波長光源，到DUV（深紫外）所用的248納米和193納米波長，再到目前最頂級的EUV（極紫外）13.5納米波長，光源波長不斷縮小，曝光能夠獲得的分辨率自然不斷提高。如果從使用光源來看，光刻機的發(fā)展主要經(jīng)歷了5代，類似于一個面條機從1.0到5.0的版本。

光刻機主要發(fā)展歷程

再就是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演進。

20世紀六七十年代，接觸式光刻機是集成電路制造的主流設(shè)備。這種機器曝光過程中掩膜版與硅片上的光刻膠直接接觸，優(yōu)點是可以減小光的衍射效應(yīng)，缺點是會污染損壞掩膜版和光刻膠，縮短掩膜版使用壽命，且極易形成圖形缺陷，影響良率。

為了解決上述問題，20世紀70年代開始采用接近式光刻機。這種光刻機在掩膜版和硅片之間有微小間距，由于掩膜版和硅片間距越小，光刻工藝的分辨率越高，當二者間距接近幾十微米時，就很難再減小，而且會受衍射效應(yīng)的影響。

1973年，美國PerkinElmer公司推出首臺掃描投影光刻機。這種光刻機與以往光刻機不同在于，光刻時以成像方式將掩膜圖形投影轉(zhuǎn)移到硅片上，分辨率由成像系統(tǒng)投影物鏡的數(shù)值孔徑（光學(xué)術(shù)語）決定。

因此，為了進一步提高數(shù)值孔徑改進光刻機性能，人類又發(fā)明出浸液式光刻機，也就是在某種折射率大于空氣的超純液體中進行光刻，工作時好像把“晶圓”浸沒在超純液體中一樣。

3 光刻機又像機床光刻機又類似于一個機床，它的性能指標包括加工精度和加工速度兩個方面，加工精度又可以細分為分辨率和套刻精度兩個指標。

貨柜式的阿斯麥光刻機

需要指出，光刻機的分辨率跟集成電路工藝的尺寸不是一個概念。目前，最先進的荷蘭阿斯麥公司的EUV光刻機，采用的光源波長是13.5納米的極紫外光，光刻機分辨率為38納米，但是利用這臺光刻機可以實現(xiàn)7納米、5納米等集成電路工藝。通常說的臺積電或者中芯國際7納米或者5納米工藝，指的是集成電路工藝水平，不是光刻機的分辨率。

套刻指的是由于結(jié)構(gòu)需要，在一個硅片上進行多次光刻曝光，像做大小不同的套娃一樣，由于每次曝光實際位置與預(yù)設(shè)位置可能存在差別，如果偏差太大，誤差積累起來是很驚人的。因此，必須把這個誤差控制在一個很小的數(shù)值內(nèi)，這個數(shù)值就是套刻精度。目前，荷蘭阿斯麥公司的光刻機能夠?qū)崿F(xiàn)1.4納米的套刻精度，也就是兩次光刻之間的位置偏差，不到一根頭發(fā)絲的萬分之一！

產(chǎn)率描述的是光刻曝光的速度，即光刻機的生產(chǎn)率，通常用光刻機在單位時間內(nèi)，比如每小時曝光的硅片數(shù)量來表示，目前，最高水平的光刻機，每小時曝光速度可以達到275片硅片。

4 光刻機精度要達到飛機之間穿針引線中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所王向朝研究員，曾經(jīng)指出光刻機是大系統(tǒng)、高精尖技術(shù)與工程極限高度融合的結(jié)晶，并且有一個生動的比喻：

“光刻機工作時，需要工件臺和掩模臺在高速運動過程中始終保持幾納米的同步精度。比如浸液式光刻機，工件臺的運動速度可達1m/s，兩個臺子的同步運動誤差的平均值需要控制到1納米，相當于人類頭發(fā)絲直徑的幾萬分之一，這相當于兩架時速1000千米的飛機同步飛行，兩架飛機相對位置偏差的平均值要控制到0.3微米以內(nèi)。這個難度，應(yīng)該是遠高于兩架超音速飛機同步飛行的時候，從一架飛機中伸出的縫衣服用的線能夠準確穿進另一架飛機上的針孔的難度，如此高的難度使得光刻機的工件臺/掩模臺系統(tǒng)被譽為超精密機械技術(shù)的最高峰”。

光刻機是超復(fù)雜超精密的系統(tǒng)

光刻機其他部件和分系統(tǒng)，比如投影物鏡、控制系統(tǒng)、材料潔凈度、設(shè)備真空度、數(shù)據(jù)處理等也都需要做到工程極限，可想而知，研制的難度有多大。

5 光刻機賽道是一場接力賽光刻機賽道其實是一場比賽，很像奧運會的長跑接力。美國、日本、德國等國家工業(yè)實力和綜合國力雖然地表最強，但也不可能包攬全部比賽的金牌。而且，即使單個隊員實力超群，也不意味著在接力賽中能夠跑出來最終勝出，因為比的是團隊（系統(tǒng)）的戰(zhàn)績，這就是前面說的“大系統(tǒng)”的概念。

光刻機技術(shù)不斷發(fā)展向前，某個國家只要中間有一棒沒跑好，后面就很可能掉隊而跟不上了。比如，2000年之后，世界上的高端光刻機公司，就只有日本的尼康、佳能以及荷蘭的阿斯麥，當技術(shù)發(fā)展到雙工件臺的時候，由于技術(shù)跟不上，佳能就退出了，到了EUV浸液式光刻機的時候，尼康也慢慢跟不上了，于是世界上就只剩下唯一的阿斯麥，成為光刻機界的“獨孤求敗”。

日本尼康的光刻機

由于阿斯麥公司的技術(shù)和市場不斷取得突破，因此，在荷蘭和美國納斯達克上市的阿斯麥，其股價也是一路上揚，過去10年漲幅大約為13倍，近幾年毛利率超過40%，目前市值約1627億美元。

阿斯麥公司的股票走勢

6 研制頂尖光刻機就像挑戰(zhàn)運動極限研制高端光刻機，如同人類去挑戰(zhàn)某項運動的極限。如果只靠一家公司、一個國家的力量，那么它所能達到的高度，是比較有限的，而不同國家頂尖技術(shù)的集合，能夠?qū)崿F(xiàn)的高度，才是人類一段時期內(nèi)的真正極限。

阿斯麥公司的英文全稱是“先進的半導(dǎo)體材料光刻”，它就像攜帶全人類的大量頂尖技術(shù)去挑戰(zhàn)極限一樣，它只做高端光刻機整機設(shè)計和整機集成，各單項的技術(shù)，則分別交給美國的、日本的、德國的等其他國家最頂級的供應(yīng)商來做，比如光學(xué)系統(tǒng)，是德國蔡司幫助他們挑戰(zhàn)極限，阿斯麥則聚焦在聚合優(yōu)化這些頂尖技術(shù)，使得造出來的光刻機不僅是部件最優(yōu)，也是全局最優(yōu)，達到機器的性能極限。

阿斯麥的Logo是個對準標記，含義簡明又意味深長

7 中外光刻機的差距就像吃饅頭中外光刻機的差距，就像前一段時間悟理哥所說中外工業(yè)氣體純度的差距一樣，國外電子氣體的純度可以達到6個9到9個9，而國內(nèi)普遍還在5個9的水平。也就是，道理都懂，技術(shù)也有，但就是沒做到那個人家那個程度，好比磨玻璃或者磨刀，你就是磨得沒人家平整、光滑、鋒利，因此我們能生產(chǎn)的，只是相對低端的東西。其實，不光工業(yè)氣體和光刻機領(lǐng)域，很多產(chǎn)業(yè)都是如此。

總之，光刻機是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既涉及到高精尖技術(shù)，還把高精尖技術(shù)做到工程極限，必須要一點一滴細磨慢摳工藝，而很多技術(shù)經(jīng)驗的積累往往需要一個過程，所要經(jīng)歷的發(fā)展階段可以被壓縮，但難以被逾越。

就好像吃饅頭，荷蘭已經(jīng)吃到第三個，而我們，畢竟不能直接去吃那第三個。

參考文獻

王向朝，戴鳳釗，集成電路與光刻機，科學(xué)出版社，2020年8月

www.opticsjournal.net/Post/Details/PT200805000187mSpVr

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