來源：胖福的小木屋

原標題：《世界上所有半導體企業(yè)都離不開的光刻機是什么，一口氣帶你搞懂》

光刻機是在半導體領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，無論生產(chǎn)制造什么樣的芯片，都脫離不了光刻機，如果說航空發(fā)動機代表了人類科技領(lǐng)域發(fā)展的頂級水平，那么光刻機則是半導體工業(yè)界最為耀眼的明珠，其具有技術(shù)難度最高、單臺成本最大、決定集成密度等特點。

今天我們就來了解一下光刻機。

光刻機的工作原理

在整個芯片制造工藝中，幾乎每個工藝的實施，都離不開光刻的技術(shù)。光刻也是制造芯片的最關(guān)鍵技術(shù)，他占芯片制造成本的35%以上。

當芯片完成 IC 設(shè)計后，就要委托晶圓代工廠進行芯片制造封裝。

芯片制造中，晶圓必不可少，從二氧化硅（SiO2）礦石，比如石英砂中用一系列化學和物理冶煉的方法提純出硅棒，然后切割成圓形的單晶硅片，這就是晶圓。

從硅棒上切下的晶圓片

晶圓是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，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，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩(wěn)的基板。對芯片制造來說，這個基板就是晶圓。

光刻技術(shù)是一種精密的微細加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片?(主要指硅片)?或介質(zhì)層上的一種工藝。

光刻技術(shù)就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。簡單來說芯片設(shè)計人員設(shè)計的線路與功能區(qū)“印進”晶圓之中，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，而是電路圖和其他電子元件。

就好像原本一個空空如也的大腦，通過光刻技術(shù)把指令放進去，那這個大腦才可以運作，而電路圖和其他電子元件就是芯片設(shè)計人員設(shè)計的指令。

光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個主要方面：

1. 光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2. 刻蝕工藝：利用化學或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

而光復(fù)印技術(shù)就是光刻機，而刻蝕工藝就是蝕刻機。

在光刻技術(shù)的原理下，人們制造了光刻機，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到晶圓上，不同光刻機的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學方法顯影，得到刻在晶圓上的電路圖（即芯片）。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程。現(xiàn)在先進的芯片有30多層。

可以說光刻決定了半導體線路的精度，以及芯片功耗與性能，相關(guān)設(shè)備需要集成材料、光學、機電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光刻機的種類

光刻機的種類有很多種，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機；有用于封裝的光刻機；還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機。用于生產(chǎn)芯片的光刻機是中國在半導體設(shè)備制造上最大的短板。

因為光學光刻是通過廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長是提高分辨率的最有效途徑。

最早的光刻機采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良， 通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。

根據(jù)所使用的光源的改進以及雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，光刻機經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進都顯著提升了升光刻機的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

現(xiàn)在廣泛使用的光刻機分為干式和浸沒式，45nm以下的高端光刻機的市場中，ASML是目前市場的龍頭，占據(jù) 80%以上的份額。

而目前最為先進的光刻機叫EUV光刻機，目前華為麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技術(shù)，EUV技術(shù)也叫紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），它以波長為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。具體為采用波長為13.4nm 的紫外線，目前1-4 代光刻機使用的光源都屬于深紫外光，而5代EUV光刻機則屬于極紫外光。

根據(jù)瑞利公式（分辨率=k1·λ/NA），這么短的波長可以提供極高的光刻分辨率。在1985年左右已經(jīng)有半導體行業(yè)科學家就EUV技術(shù)進行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實驗。

在摩爾定律的規(guī)律下，以及在如今科學技術(shù)快速發(fā)展的信息時代，半導體行業(yè)人員對于半導體的未來發(fā)展充滿憂慮。所以便想通過新的光刻技術(shù)來對當前的芯片制造方法做出全面的改進，推動半導體行業(yè)進入新的發(fā)展。

光刻機龍頭企業(yè) ASML 從 1999 年開始 EUV 光刻機的研發(fā)工作，原計劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到 2010 年 ASML 才研發(fā)出第一臺 EUV 原型機， 2016 年才實現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計時間晚了十幾年。直到2019年，第一款7nm EUV 工藝的芯片 Exynos 9825 才正式商用。

EUV 光刻機面市時間表的不斷延后主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達到 250 瓦的工作功率需求，二是光學透鏡、反射鏡系統(tǒng)對于光學精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。到了2020年，主流的手機旗艦芯片都將采用EUV技術(shù)。

中國光刻機的發(fā)展現(xiàn)狀

受《瓦森納協(xié)定》影響，“瓦森納安排”規(guī)定成員國自行決定是否發(fā)放敏感產(chǎn)品和技術(shù)的出口許可證，并在自愿基礎(chǔ)上向“安排”其他成員國通報有關(guān)信息。但“安排”實際上完全受美國控制。所以中國在前幾年一直無法獲取到最新的光刻機，直到2018年，中芯國際花費1.2億美元向荷蘭頂級光刻機廠商ASML訂購了一臺最先進的EUV(極紫外光)技術(shù)光刻機。

和西方國家相比，中國一直最為缺少半導體生態(tài)，而這也限制了中國光刻機的發(fā)展，像國外，IC設(shè)計廠商、晶圓體代工廠直接和光刻機進行技術(shù)交流、扶持，從而形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有完整的半導體生態(tài)，光刻機制造廠商可以生產(chǎn)出最符合IC設(shè)計廠商以及晶圓體加工廠的設(shè)備，而IC設(shè)計廠商、晶圓體代工廠對光刻機制造廠商的技術(shù)對接、扶持又促進了光刻機設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，從而形成一個正循環(huán)。

比如中國臺灣臺積電林本堅創(chuàng)新性地提出浸沒式光刻設(shè)想后， ASML開始與臺積電合作開發(fā)第四代浸沒式光刻機，并在 2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機TWINSCANXT:1900i，該設(shè)備采用折射率達到 1.44 的去離子水做為媒介，實現(xiàn)了 45nm 的制程工藝，并一舉壟斷市場。

這造成當時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機被市場拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產(chǎn)品線上顯著落后于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML 一家獨大的重要轉(zhuǎn)折點，而這一方面又鞏固了臺積電在晶圓代工上的龍頭地位，讓臺積電掌握了最為先進的制加工工藝，促進了臺積電的發(fā)展。

中國市場是沒有這樣的半導體生態(tài)的，除了海思之外，上下游都沒有在世界領(lǐng)先的半導體廠商進行反哺產(chǎn)業(yè)鏈，在2017年梁孟松加入中芯國際之后，中芯國際才掌握了12納米的加工工藝，與臺積電還有著明顯差距。

目前上海微電子在封裝光刻機和LED光刻機領(lǐng)域都取得了突破，公司的封裝光刻機已在國內(nèi)外市場廣泛銷售，國內(nèi)市占率達到80%,全球市占率40%，但是用于生產(chǎn)芯片的光刻機目前才掌握90nm光刻機，目前上海微電子在攻克45nm的工藝技術(shù)。

上海微電子裝備有限公司光刻機現(xiàn)場展示

而至于曝光的中國研發(fā)成功紫光超分辨光刻機實現(xiàn)22納米工藝制程，結(jié)合多重曝光技術(shù)后，可用于制造10納米級別的芯片，純屬誤讀，紫光超分辨光刻機適用于特殊應(yīng)用，類似的應(yīng)用范圍是光纖領(lǐng)域、5G天線，無法應(yīng)用在集成電路領(lǐng)域。

超分辨光刻設(shè)備加工的4英寸光刻樣品

為什么造光刻機這么難，光刻機需要體積小，但功率高而穩(wěn)定的光源。ASML的頂尖光刻機，使用波長短的極紫外光，光學系統(tǒng)極復(fù)雜，而位于光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成。鏡片得高純度透光材料+高質(zhì)量拋光。ASML的鏡片是蔡司技術(shù)打底。鏡片材質(zhì)做到均勻，需幾十年到上百年技術(shù)積淀，德國一些拋光鏡片的工人，祖孫三代在同一家公司的同一個職位。

有頂級的鏡頭和光源，沒極致的機械精度，也沒有用。光刻機里有兩個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導彈發(fā)射差不多。而中國目前還缺少這樣的核心器件，還需要海外進口。

中科院院士劉明表示雖然這些年我國在關(guān)于光刻機的很多領(lǐng)域取得進展，但是總體來說國內(nèi)的光刻機技術(shù)與國外技術(shù)依舊有15到20年的差距。

目前中國在蝕刻機領(lǐng)域已經(jīng)突破了5nm，追平與世界的差距，我們也希望有一天我們能夠在光刻機領(lǐng)域利用后發(fā)優(yōu)勢追求與世界的差距。

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總結(jié)

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