光刻機(jī)界的“獨(dú)孤求敗”是怎樣煉成的？

撰文 | 悟理哥

來(lái)源：科技金眼

半導(dǎo)體行業(yè)的人，大概誰(shuí)也沒(méi)想到，本來(lái)是專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域很小眾的光刻機(jī)，會(huì)成為社會(huì)持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。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(jī)撈一票就走，還有大量關(guān)于光刻機(jī)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(jī)的分辨率呢？估計(jì)大部分寫(xiě)公號(hào)的人都搞不懂這個(gè)問(wèn)題。還有，都知道做光刻機(jī)荷蘭阿斯麥一枝獨(dú)秀，那它厲害在哪？阿斯麥?zhǔn)窃鯓訜挸傻模?/p>

本文將用7個(gè)簡(jiǎn)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(zhuān)業(yè)出身的，在大學(xué)任教時(shí)就教電子系光學(xué)，大致不會(huì)那么離譜。

1 光刻就像照相光刻（Lithography）類(lèi)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(huà)”在硅片上的過(guò)程，這個(gè)過(guò)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(jī)器設(shè)備，最核心的就是光刻機(jī)了。

光刻原理簡(jiǎn)圖

光刻工藝是集成電路制造的關(guān)鍵步驟，它對(duì)集成電路制造的重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是在集成電路制造過(guò)程中需要進(jìn)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(jī)設(shè)備，決定了集成電路中的晶體管能做到多小，進(jìn)而決定集成電路的集成度和性能能夠達(dá)到什么程度。

2 光刻機(jī)就像面條機(jī)光刻機(jī)類(lèi)似于一個(gè)面條機(jī)，是加工制作“面條”——芯片的核心設(shè)備。不同的面條機(jī)，做出來(lái)的面條質(zhì)量并不相同，有的粗，有的細(xì)，有的慢，有的快。

光刻機(jī)能夠做出來(lái)多小的圖形尺寸，跟光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)。因此，光刻機(jī)自發(fā)明之后，為了使造出來(lái)的“面條”效果更好，人類(lèi)對(duì)光刻機(jī)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)。

首先是曝光光源的更新?lián)Q代。從最初的436納米波長(zhǎng)光源，到DUV（深紫外）所用的248納米和193納米波長(zhǎng)，再到目前最頂級(jí)的EUV（極紫外）13.5納米波長(zhǎng)，光源波長(zhǎng)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(lái)看，光刻機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了5代，類(lèi)似于一個(gè)面條機(jī)從1.0到5.0的版本。

光刻機(jī)主要發(fā)展歷程

再就是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)。

20世紀(jì)六七十年代，接觸式光刻機(jī)是集成電路制造的主流設(shè)備。這種機(jī)器曝光過(guò)程中掩膜版與硅片上的光刻膠直接接觸，優(yōu)點(diǎn)是可以減小光的衍射效應(yīng)，缺點(diǎn)是會(huì)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(wèn)題，20世紀(jì)70年代開(kāi)始采用接近式光刻機(jī)。這種光刻機(jī)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(dāng)二者間距接近幾十微米時(shí)，就很難再減小，而且會(huì)受衍射效應(yīng)的影響。

1973年，美國(guó)PerkinElmer公司推出首臺(tái)掃描投影光刻機(jī)。這種光刻機(jī)與以往光刻機(jī)不同在于，光刻時(shí)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(yǔ)）決定。

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

3 光刻機(jī)又像機(jī)床光刻機(jī)又類(lèi)似于一個(gè)機(jī)床，它的性能指標(biāo)包括加工精度和加工速度兩個(gè)方面，加工精度又可以細(xì)分為分辨率和套刻精度兩個(gè)指標(biāo)。

貨柜式的阿斯麥光刻機(jī)

需要指出，光刻機(jī)的分辨率跟集成電路工藝的尺寸不是一個(gè)概念。目前，最先進(jìn)的荷蘭阿斯麥公司的EUV光刻機(jī)，采用的光源波長(zhǎng)是13.5納米的極紫外光，光刻機(jī)分辨率為38納米，但是利用這臺(tái)光刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)7納米、5納米等集成電路工藝。通常說(shuō)的臺(tái)積電或者中芯國(guó)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(jī)的分辨率。

套刻指的是由于結(jié)構(gòu)需要，在一個(gè)硅片上進(jìn)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(shí)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(lái)是很驚人的。因此，必須把這個(gè)誤差控制在一個(gè)很小的數(shù)值內(nèi)，這個(gè)數(shù)值就是套刻精度。目前，荷蘭阿斯麥公司的光刻機(jī)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(wàn)分之一！

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

4 光刻機(jī)精度要達(dá)到飛機(jī)之間穿針引線中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王向朝研究員，曾經(jīng)指出光刻機(jī)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(gè)生動(dòng)的比喻：

“光刻機(jī)工作時(shí)，需要工件臺(tái)和掩模臺(tái)在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持幾納米的同步精度。比如浸液式光刻機(jī)，工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)1m/s，兩個(gè)臺(tái)子的同步運(yùn)動(dòng)誤差的平均值需要控制到1納米，相當(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)絲直徑的幾萬(wàn)分之一，這相當(dāng)于兩架時(shí)速1000千米的飛機(jī)同步飛行，兩架飛機(jī)相對(duì)位置偏差的平均值要控制到0.3微米以內(nèi)。這個(gè)難度，應(yīng)該是遠(yuǎn)高于兩架超音速飛機(jī)同步飛行的時(shí)候，從一架飛機(jī)中伸出的縫衣服用的線能夠準(zhǔn)確穿進(jìn)另一架飛機(jī)上的針孔的難度，如此高的難度使得光刻機(jī)的工件臺(tái)/掩模臺(tái)系統(tǒng)被譽(yù)為超精密機(jī)械技術(shù)的最高峰”。

光刻機(jī)是超復(fù)雜超精密的系統(tǒng)

光刻機(jī)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(jī)賽道是一場(chǎng)接力賽光刻機(jī)賽道其實(shí)是一場(chǎng)比賽，很像奧運(yùn)會(huì)的長(zhǎng)跑接力。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家工業(yè)實(shí)力和綜合國(guó)力雖然地表最強(qiáng)，但也不可能包攬全部比賽的金牌。而且，即使單個(gè)隊(duì)員實(shí)力超群，也不意味著在接力賽中能夠跑出來(lái)最終勝出，因?yàn)楸鹊氖菆F(tuán)隊(duì)（系統(tǒng)）的戰(zhàn)績(jī)，這就是前面說(shuō)的“大系統(tǒng)”的概念。

光刻機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展向前，某個(gè)國(guó)家只要中間有一棒沒(méi)跑好，后面就很可能掉隊(duì)而跟不上了。比如，2000年之后，世界上的高端光刻機(jī)公司，就只有日本的尼康、佳能以及荷蘭的阿斯麥，當(dāng)技術(shù)發(fā)展到雙工件臺(tái)的時(shí)候，由于技術(shù)跟不上，佳能就退出了，到了EUV浸液式光刻機(jī)的時(shí)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(jī)界的“獨(dú)孤求敗”。

日本尼康的光刻機(jī)

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

阿斯麥公司的股票走勢(shì)

6 研制頂尖光刻機(jī)就像挑戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)極限研制高端光刻機(jī)，如同人類(lèi)去挑戰(zhàn)某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的極限。如果只靠一家公司、一個(gè)國(guó)家的力量，那么它所能達(dá)到的高度，是比較有限的，而不同國(guó)家頂尖技術(shù)的集合，能夠?qū)崿F(xiàn)的高度，才是人類(lèi)一段時(shí)期內(nèi)的真正極限。

阿斯麥公司的英文全稱是“先進(jìn)的半導(dǎo)體材料光刻”，它就像攜帶全人類(lèi)的大量頂尖技術(shù)去挑戰(zhàn)極限一樣，它只做高端光刻機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)和整機(jī)集成，各單項(xiàng)的技術(shù)，則分別交給美國(guó)的、日本的、德國(guó)的等其他國(guó)家最頂級(jí)的供應(yīng)商來(lái)做，比如光學(xué)系統(tǒng)，是德國(guó)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(lái)的光刻機(jī)不僅是部件最優(yōu)，也是全局最優(yōu)，達(dá)到機(jī)器的性能極限。

阿斯麥的Logo是個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，含義簡(jiǎn)明又意味深長(zhǎng)

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

總之，光刻機(jī)是個(gè)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(diǎn)一滴細(xì)磨慢摳工藝，而很多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累往往需要一個(gè)過(guò)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(gè)，而我們，畢竟不能直接去吃那第三個(gè)。

參考文獻(xiàn)

王向朝，戴鳳釗，集成電路與光刻機(jī)，科學(xué)出版社，2020年8月

www.opticsjournal.net/Post/Details/PT200805000187mSpVr

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