光刻機界的“獨孤求敗”是怎樣煉成的？_風聞

撰文 | 悟理哥

來源：科技金眼

半導體行業的人，大概誰也沒想到，本來是專業領域很小眾的光刻機，會成為社會持續關注的熱點。這既是好事，比如一下子成為了政策和投資的風口，搞IC的人，終於可以跟搞互聯網的人談笑風生了。但也有不好的地方，比如，有些人想借機撈一票就走，還有大量關於光刻機的文章似是而非。

比如，媒體上經常出現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，悟理哥是半導體專業出身的，在大學任教時就教電子系光學，大致不會那麼離譜。

1 光刻就像照相

光刻（Lithography）類似於照相，是將掩膜版（Mask）攜帶的集成電路結構圖形，“定格”和“刻畫”在硅片上的過程，這個過程中需要用到的媒質是光刻膠，涉及的工藝跟傳統沖洗膠捲一樣，包括顯影和定影等步驟，需要的機器設備，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製造的關鍵步驟，它對集成電路製造的重要性體現在兩個方面，一是在集成電路製造過程中需要進行多次光刻，光刻成本佔到集成電路製造成本的30%以上；二是光刻技術水平，包括光刻機設備，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麼程度。

2 光刻機就像麪條機

光刻機類似於一個麪條機，是加工製作“麪條”——芯片的核心設備。不同的麪條機，做出來的麪條質量並不相同，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，跟光刻機的結構和性能有關。因此，光刻機自發明之後，為了使造出來的“麪條”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換代。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，光刻機的發展主要經歷了5代，類似於一個麪條機從1.0到5.0的版本。

光刻機主要發展歷程

再就是光學系統結構的演進。

20世紀六七十年代，接觸式光刻機是集成電路製造的主流設備。這種機器曝光過程中掩膜版與硅片上的光刻膠直接接觸，優點是可以減小光的衍射效應，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年代開始採用接近式光刻機。這種光刻機在掩膜版和硅片之間有微小間距，由於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，而且會受衍射效應的影響。

1973年，美國PerkinElmer公司推出首台掃描投影光刻機。這種光刻機與以往光刻機不同在於，光刻時以成像方式將掩膜圖形投影轉移到硅片上，分辨率由成像系統投影物鏡的數值孔徑（光學術語）決定。

因此，為了進一步提高數值孔徑改進光刻機性能，人類又發明出浸液式光刻機，也就是在某種折射率大於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 光刻機又像機牀

光刻機又類似於一個機牀，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。

貨櫃式的阿斯麥光刻機

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，採用的光源波長是13.5納米的極紫外光，光刻機分辨率為38納米，但是利用這台光刻機可以實現7納米、5納米等集成電路工藝。通常説的台積電或者中芯國際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。

套刻指的是由於結構需要，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，由於每次曝光實際位置與預設位置可能存在差別，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值內，這個數值就是套刻精度。目前，荷蘭阿斯麥公司的光刻機能夠實現1.4納米的套刻精度，也就是兩次光刻之間的位置偏差，不到一根頭髮絲的萬分之一！

產率描述的是光刻曝光的速度，即光刻機的生產率，通常用光刻機在單位時間內，比如每小時曝光的硅片數量來表示，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

中國科學院上海光學精密機械研究所王向朝研究員，曾經指出光刻機是大系統、高精尖技術與工程極限高度融合的結晶，並且有一個生動的比喻：

“光刻機工作時，需要工件台和掩模台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，工件台的運動速度可達1m/s，兩個台子的同步運動誤差的平均值需要控制到1納米，相當於人類頭髮絲直徑的幾萬分之一，這相當於兩架時速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。這個難度，應該是遠高於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台/掩模台系統被譽為超精密機械技術的最高峯”。

光刻機是超複雜超精密的系統

光刻機其他部件和分系統，比如投影物鏡、控制系統、材料潔淨度、設備真空度、數據處理等也都需要做到工程極限，可想而知，研製的難度有多大。

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羣，也不意味着在接力賽中能夠跑出來最終勝出，因為比的是團隊（系統）的戰績，這就是前面説的“大系統”的概念。

光刻機技術不斷發展向前，某個國家只要中間有一棒沒跑好，後面就很可能掉隊而跟不上了。比如，2000年之後，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，當技術發展到雙工件台的時候，由於技術跟不上，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，於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

由於阿斯麥公司的技術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 研製頂尖光刻機就像挑戰運動極限

研製高端光刻機，如同人類去挑戰某項運動的極限。如果只靠一家公司、一個國家的力量，那麼它所能達到的高度，是比較有限的，而不同國家頂尖技術的集合，能夠實現的高度，才是人類一段時期內的真正極限。

阿斯麥公司的英文全稱是“先進的半導體材料光刻”，它就像攜帶全人類的大量頂尖技術去挑戰極限一樣，它只做高端光刻機整機設計和整機集成，各單項的技術，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商來做，比如光學系統，是德國蔡司幫助他們挑戰極限，阿斯麥則聚焦在聚合優化這些頂尖技術，使得造出來的光刻機不僅是部件最優，也是全局最優，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説中外工業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，而國內普遍還在5個9的水平。也就是，道理都懂，技術也有，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，因此我們能生產的，只是相對低端的東西。其實，不光工業氣體和光刻機領域，很多產業都是如此。

總之，光刻機是個複雜的系統工程，既涉及到高精尖技術，還把高精尖技術做到工程極限，必須要一點一滴細磨慢摳工藝，而很多技術經驗的積累往往需要一個過程，所要經歷的發展階段可以被壓縮，但難以被逾越。

就好像吃饅頭，荷蘭已經吃到第三個，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，科學出版社，2020年8月

www.opticsjournal.net/Post/Details/PT200805000187mSpVr

本文經授權轉載自微信公眾號“科技金眼”。