國(guó)防科普加油站（1）極紫外光刻機(jī)制造究竟有多難？

“國(guó)防科普加油站”專(zhuān)欄

當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)日新月異，新軍事變革風(fēng)起云涌。隨著高新技術(shù)在國(guó)防軍事領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，高科技知識(shí)越來(lái)越成為認(rèn)識(shí)和把握現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的一把鑰匙，科技素養(yǎng)已上升為官兵戰(zhàn)斗力和全民國(guó)防意識(shí)的主導(dǎo)要素。從今天起，本網(wǎng)以國(guó)防科技大學(xué)“科普中國(guó)共建基地”為平臺(tái)，開(kāi)設(shè)“國(guó)防科普加油站”專(zhuān)欄，旨在傳播最新科技知識(shí)，解讀前沿科技熱點(diǎn)，啟迪自主創(chuàng)新思維，提升全民科技素養(yǎng)，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)強(qiáng)軍夢(mèng)做貢獻(xiàn)。

高端光刻機(jī)，全身都是“高精尖”

“得芯片者得天下?！痹诎雽?dǎo)體領(lǐng)域，這一說(shuō)法被普遍認(rèn)可，足見(jiàn)芯片的極端重要性。然而，隨著半導(dǎo)體度工藝精度（制程）的不斷提升，這話似乎只說(shuō)對(duì)了一半，或者說(shuō)并不全面。因?yàn)椋圃旄叨诵酒玫母咝阅芄饪虣C(jī)，如今已越來(lái)越顯示出它在半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位和作用，被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)“皇冠上的明珠”。

高端芯片示意圖

超大規(guī)模集成電路芯片，特別是高端芯片，其研發(fā)一般要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、封裝與測(cè)試等一系列流程，其中芯片制造最為復(fù)雜，它涉及50多個(gè)行業(yè)，經(jīng)過(guò)2000至5000道工藝流程。其原理是采用類(lèi)似照片沖印的技術(shù)，通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，是將設(shè)計(jì)出來(lái)的集成電路“版圖”，重復(fù)復(fù)制到晶圓（一大張相紙）上，再通過(guò)離子注入、刻蝕等復(fù)雜工藝，在晶圓襯底上按照版圖形狀形成晶體管和金屬連線，集中在一起并能完成設(shè)計(jì)功能的一個(gè)個(gè)管芯。在的一個(gè)個(gè)管芯上，這一過(guò)程好比是以光為刀，將設(shè)計(jì)好的電路圖投射到硅片之上。然后，像分割相紙形成單張照片一樣，將晶圓按照管芯邊界切割后形成管芯，經(jīng)過(guò)對(duì)管芯進(jìn)行封裝、測(cè)試、篩選等工序，最終完成芯片的制造。

制造芯片的晶圓

作為芯片制造的核心裝備，光刻機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)最為復(fù)雜、最具技術(shù)含量和工藝要求的復(fù)雜系統(tǒng)工程，它涉及數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理與化學(xué)、精密儀器、機(jī)械、自動(dòng)化、軟件、圖像識(shí)別等眾多學(xué)科。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，包括透鏡、光源、光束矯正器、能量控制器、能量探測(cè)器、掩膜臺(tái)等，先進(jìn)的光刻機(jī)一般有多達(dá)10萬(wàn)個(gè)零部件。

在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展歷程中，光刻始終是芯片制造的一大技術(shù)瓶頸。目前，主流的40納米、20納米半導(dǎo)體工藝中光刻過(guò)程都是由193納米液浸式光刻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)完成的，由于受到波長(zhǎng)的影響，技術(shù)已很難突破。于是，極紫外（EUV）光刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，即以13.5納米極紫光外光作為光源、能有效滿(mǎn)足芯片更高精度工藝的高端外光刻機(jī)。它集世界上相關(guān)頂尖技術(shù)與一身，一舉將芯片的制程（工藝精度）帶到10納米以下，向著7納米、5納米邁進(jìn)。

截至目前，世界上只有荷蘭阿斯麥公司能制造7納米極紫外光刻機(jī)，“獨(dú)此一家，別無(wú)分店”。即便“一家獨(dú)大”，利潤(rùn)驚人，一年也只能生產(chǎn)20臺(tái)左右。它不是印鈔機(jī)，但卻比印鈔機(jī)還要金貴。

研發(fā)制造，難度堪比研制“原子彈”

有人說(shuō)，研制極紫外光刻機(jī)，難度堪比研制“原子彈”。因?yàn)?，目前世界上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能夠獨(dú)立研究制造出來(lái)，這足以說(shuō)明其研發(fā)制造之難。

極紫外光刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

7納米極紫外光刻機(jī)主要由極紫外光源、反射投影系統(tǒng)、光刻模版和對(duì)極紫外光刻敏感的光刻膠等4部分構(gòu)成。無(wú)論是哪個(gè)部分，傳統(tǒng)光刻工藝都無(wú)用武之地，需要重新設(shè)計(jì)和研發(fā)，沒(méi)有長(zhǎng)期技術(shù)沉淀和實(shí)力的科研單位和企業(yè)難以承擔(dān)。特別是極紫外光源，設(shè)計(jì)就非常難，它必須突破傳統(tǒng)激光器出功率低、光刻能量小、紫外光容易會(huì)被其他材料和空氣等吸收等一系列難題。光源工作時(shí)需要以每秒5萬(wàn)次的頻率，用20千瓦的激光來(lái)?yè)舸?0微米的錫滴，使液態(tài)錫汽化為等離子體，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)短的極紫外光，才能提升光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)，使芯片制造朝更小制程前進(jìn)。

按照一般理解，能夠制造7納米極紫外光刻機(jī)的阿斯麥公司，無(wú)疑是“高大上”中的“高大上”了。說(shuō)來(lái)讓人難以置信，雖然在高端光刻機(jī)領(lǐng)域獨(dú)步天下，但阿斯麥公司的核心技術(shù)只占其中的10%，其它90%的核心器件都是來(lái)自歐、美、日、韓等國(guó)家和地區(qū)的知名企業(yè)。也就是說(shuō)，極紫外光刻機(jī)集成了該領(lǐng)域世界最先進(jìn)的高、精、尖技術(shù)，阿斯麥公司不過(guò)是“站在巨人肩膀上”進(jìn)行了集成創(chuàng)新。

阿斯麥公司生產(chǎn)的極紫外光刻機(jī)

從阿斯麥公司生產(chǎn)的極紫外光刻機(jī)可以看出，它的光源和控制軟件來(lái)自美國(guó)；超精密機(jī)械及蔡司鏡頭來(lái)自德國(guó)；特殊復(fù)合材料和光學(xué)器材技術(shù)來(lái)自日本；軸承和閥件由瑞典和法國(guó)提供。目前，僅有美國(guó)英特爾、中國(guó)臺(tái)積電、韓國(guó)三星等3家公司可使用該光刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)7納米、5納米半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)。

上述這些技術(shù)及設(shè)備，無(wú)不代表了該領(lǐng)域的世界頂尖水平。而目前世界上沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家同時(shí)具備光刻機(jī)所需要的全部頂尖技術(shù)。以極紫外光刻機(jī)鏡頭為例，它由20多塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，鏡片必須用高純度透光材料和高質(zhì)量拋光工藝水準(zhǔn)，提供該項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備的德國(guó)卡爾蔡司公司，是光學(xué)和光電行業(yè)的國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)，具有上百年技術(shù)沉淀。

作為目前唯一能制造極紫外光刻機(jī)的阿斯麥公司，也不是簡(jiǎn)單的“拿來(lái)主義”，將這些頂尖設(shè)備簡(jiǎn)單地拼裝起來(lái)即可。極紫外光刻機(jī)結(jié)構(gòu)分為13個(gè)系統(tǒng)，3萬(wàn)個(gè)分件，幾百個(gè)執(zhí)行器、傳感器。工程技術(shù)人員必須將代表世界頂尖技術(shù)及設(shè)備集成起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)精確控制，如何一點(diǎn)誤差都可能導(dǎo)致“差之毫厘，失之千里”。因?yàn)闃O紫外光極易被空氣吸收，因此光刻過(guò)程需要在真空中進(jìn)行，他們?yōu)榇私ㄔO(shè)的無(wú)塵車(chē)間，通風(fēng)設(shè)備每小時(shí)能凈化30萬(wàn)立方米空氣，空氣要比外部干凈1萬(wàn)倍。這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)背后，同樣是多年的探索掌握的一關(guān)鍵核心技術(shù)。

突破“卡脖子”技術(shù)，攻關(guān)戰(zhàn)斗早已打響

近年來(lái)，美國(guó)對(duì)華科技打壓不斷升級(jí)，從禁用華為5G設(shè)備、禁售芯片，到阻攔極紫外光刻機(jī)向我出口，一系列無(wú)所不及的科技霸凌手段，企圖阻止我國(guó)科技發(fā)展步伐。我國(guó)在半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)方面受制于人局面，牽動(dòng)著億萬(wàn)國(guó)人的心。

“多少事，從來(lái)急，一萬(wàn)年太久，只爭(zhēng)朝夕。”雖然目前我國(guó)還沒(méi)有獨(dú)立生產(chǎn)用于高端芯片的極紫外光刻機(jī)，但我國(guó)對(duì)光刻機(jī)和極紫外光刻技術(shù)的探索從未停止，攻關(guān)戰(zhàn)斗早已打響。

制造芯片的晶圓

早在1997年，我國(guó)就制造出了半自動(dòng)光刻機(jī)誕生，但受限于當(dāng)時(shí)的工藝水平和科技整體水平，光刻技術(shù)長(zhǎng)期處于徘徊不前的局面。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起，我國(guó)圍繞極紫外光源、多層膜和超光滑拋光技術(shù)等開(kāi)始攻關(guān)。2007年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所“極紫外光刻機(jī)光源技術(shù)研究”項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

近10多年來(lái)，我國(guó)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視，投入力度不斷加大。2006年，國(guó)務(wù)院頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》；2008年，“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”被列入國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)；2004年6月，《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》批準(zhǔn)實(shí)施；2018年，“超分辨光刻設(shè)備研制”列入國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目，一系列重大舉措，極大推動(dòng)了該領(lǐng)域發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年努力，相繼突破了超高精度非球面加工與檢測(cè)、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測(cè)試等關(guān)鍵核心技術(shù)。此后，我國(guó)又在“極紫外光刻膠材料與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)研究”“超分辨光刻裝備研制”“超衍射極限光刻制造”等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，將我國(guó)極紫外光刻技術(shù)研發(fā)不斷向前推進(jìn)。目前，我國(guó)研制的光刻機(jī)已完成28納米工藝精度的芯片制造，正向更高標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。

但是，我們應(yīng)該看到，由于高端光刻機(jī)研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)和加工工藝，要完全突破掌握絕非一朝一夕之功，不可能一蹴而就。事實(shí)上，世界上目前沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能憑借自身科技實(shí)力獨(dú)立研制出極紫外光刻機(jī)，而我國(guó)則要完全憑借自己的力量掌握這一高、精、尖技術(shù)，這不是我國(guó)與世界上某個(gè)國(guó)家的較量，而是與整個(gè)世界的尖端科技的較量。

我們承認(rèn)與世界先進(jìn)水平差距，但我們有信心也有能力在高端光刻技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地。美國(guó)對(duì)我們進(jìn)行技術(shù)封鎖與禁售，不僅不能遏制我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，反而會(huì)激發(fā)我國(guó)科技人員創(chuàng)新激情，推動(dòng)我國(guó)科技騰飛，徹底打破國(guó)外的封鎖壟斷。（作者：王握文、舒中華 來(lái)源：國(guó)防科技大學(xué)）