日前，清華大學(xué)召開(kāi)了“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)，專(zhuān)家組對(duì)項(xiàng)目任務(wù)完成情況予以高度評(píng)價(jià)，并一致同意該項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心裝備，有人稱(chēng)光刻機(jī)為“人類(lèi)最精密復(fù)雜的機(jī)器”。工件臺(tái)系統(tǒng)是光刻機(jī)的重要子系統(tǒng)，工件臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行速度、加速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)的定位建立時(shí)間對(duì)光刻機(jī)的生產(chǎn)精度和效率起著至關(guān)重要的作用。本次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目驗(yàn)收，標(biāo)志中國(guó)在雙工件臺(tái)系統(tǒng)上取得技術(shù)突破，但這僅僅是實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化萬(wàn)里長(zhǎng)征的一部分，距離打破ASML的技術(shù)壟斷還有很長(zhǎng)的路要走。

這次會(huì)議由國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”（核高基02專(zhuān)項(xiàng)）實(shí)施管理辦公室組織召開(kāi)，清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤院士出席。

中外光刻機(jī)的巨大差距

光刻機(jī)被業(yè)界譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術(shù)門(mén)檻和資金門(mén)檻非常高。也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機(jī)的廠商非常少，到最先進(jìn)的14nm光刻機(jī)就只剩下ASML，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄第六代EUV光刻機(jī)的研發(fā)。

目前，光刻機(jī)領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達(dá)80%的市場(chǎng)份額，壟斷了高端光刻機(jī)市場(chǎng)——最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)售價(jià)曾高達(dá)1億美元一臺(tái)，且全球僅僅ASML能夠生產(chǎn)。Intel、臺(tái)積電、三星都是它的股東，重金供養(yǎng)ASML，并且有技術(shù)人員駐廠，Intel、三星的14nm光刻機(jī)都是買(mǎi)自ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國(guó)際等晶圓廠的光刻機(jī)主要也是來(lái)自ASML。

相比之下，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)廠商則顯得非常寒酸，處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的光刻機(jī)中性能最好的是90nm光刻機(jī)，制程上的差距就很大……國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴(lài)進(jìn)口。

這不僅使國(guó)內(nèi)晶圓廠要耗費(fèi)巨資購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自主技術(shù)的成長(zhǎng)也帶來(lái)很大不利影響——ASML在向國(guó)內(nèi)晶圓廠出售光刻機(jī)時(shí)有保留條款，那就是禁止用ASML出售給國(guó)內(nèi)的光刻機(jī)給國(guó)內(nèi)自主CPU做代工——只要中芯國(guó)際、華力微等晶圓廠采購(gòu)的ASML光刻機(jī)，雖然不影響給ARM芯片做代工，但卻不可能給龍芯、申威等自主CPU做代工、商業(yè)化量產(chǎn)。即便是用于科研和國(guó)防領(lǐng)域的小批量生產(chǎn)，也存在一定風(fēng)險(xiǎn)——采用陶瓷加固封裝、專(zhuān)供軍用的龍芯3A1500和在黨政軍市場(chǎng)使用的龍芯3A2000，只能是小批量生產(chǎn)，而且在宣傳上 也只能含糊其辭的說(shuō)明是境內(nèi)流片……這很大程度上影響了自主技術(shù)和中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

光刻機(jī)工作原理和組成

光刻機(jī)通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過(guò)畫(huà)著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖（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(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過(guò)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(guò)程。現(xiàn)在最先進(jìn)的芯片有30多層。

上圖是一張ASML光刻機(jī)的簡(jiǎn)易工作原理圖。下面，簡(jiǎn)單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。

測(cè)量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái)，也就是本次所說(shuō)的雙工作臺(tái)。一般的光刻機(jī)需要先測(cè)量，再曝光，只需一個(gè)工作臺(tái)，而ASML有個(gè)專(zhuān)利，有兩個(gè)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與曝光同時(shí)進(jìn)行。而本次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目則是在技術(shù)上突破ASML對(duì)雙工件臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)壟斷。

激光器：也就是光源，光刻機(jī)核心設(shè)備之一，之前已經(jīng)介紹過(guò)了。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過(guò)足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片。

能量探測(cè)器：檢測(cè)光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬(wàn)美元。

掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是nm級(jí)的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來(lái)確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)的意義

雙工件臺(tái)

過(guò)去，光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，所有流程都在一個(gè)工作臺(tái)上完成。雙工件臺(tái)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行曝光工作的同時(shí)，另外一個(gè)工作臺(tái)可以同時(shí)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對(duì)準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提高大約 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻機(jī)，分辨率小于 22nm，生產(chǎn)效率可以達(dá)到 125片/小時(shí)。

雖然看起來(lái)僅僅是加一個(gè)工作臺(tái)，但技術(shù)難度卻不容小覷——對(duì)換臺(tái)的速度和精度有非常高的要求，如果換臺(tái)速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率；如果換臺(tái)精度不夠，則可能因此而影響了后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開(kāi)展。

特別是對(duì)浸沒(méi)式光刻機(jī)而言，由于物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，如何使液體在換臺(tái)時(shí)依舊停留在物鏡和硅片之間，不因換臺(tái)發(fā)生流動(dòng)，則是一個(gè)不小的技術(shù)難題。另外，還有避免污染的問(wèn)題。

現(xiàn)今技術(shù)成熟的雙工件臺(tái)系統(tǒng)主要是導(dǎo)軌式，驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣浮驅(qū)動(dòng)和磁懸浮驅(qū)動(dòng)。目前，ASML公司已成功研發(fā)了磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠忽略摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)，其加工速度和精度是機(jī)械式和氣浮式工件臺(tái)所無(wú)法比擬的。不僅如此，ASML公司基于磁懸浮工件臺(tái)的基礎(chǔ)，研發(fā)了無(wú)導(dǎo)軌式的平面編碼磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)平面編碼器對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行精確定位，進(jìn)一步提升了精度。

誠(chéng)然，由于α光刻樣機(jī)采用雙工件臺(tái)系統(tǒng)的具體技術(shù)細(xì)節(jié)還未披露，筆者也無(wú)從了解α光刻樣機(jī)采用雙工件臺(tái)系統(tǒng)的定位精度、工件臺(tái)和掩膜臺(tái)之間的同步誤差等數(shù)據(jù)，以及是氣浮驅(qū)動(dòng)和磁懸浮驅(qū)動(dòng)，更無(wú)從了解α光刻樣機(jī)采用雙工件臺(tái)系統(tǒng)是否能達(dá)到ASML公司的技術(shù)水平。不過(guò)，α光刻樣機(jī)采用雙工件臺(tái)系統(tǒng)已獲得專(zhuān)利授權(quán)122項(xiàng)，而且專(zhuān)家組認(rèn)為，該雙工件臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)光刻機(jī)雙工件臺(tái)水平。

光刻機(jī)的種類(lèi)和歷代改進(jìn)

光刻機(jī)用途廣泛，除了高端大氣上檔次的前道光刻機(jī)之外，還有用于LED制造領(lǐng)域投影光刻機(jī)和用于芯片封裝的后道光刻機(jī)，雖然在前道光刻機(jī)上國(guó)內(nèi)廠商和ASML差距如同鴻溝，但后道光刻機(jī)和封裝光刻機(jī)國(guó)內(nèi)廠商不僅都能制造，還占據(jù)了不低的市場(chǎng)份額。

因此，筆者在這里只介紹技術(shù)含金量最高的前道光刻機(jī)。前道光刻機(jī)經(jīng)歷了六代改進(jìn)：

第一代是接觸式光刻機(jī)。光刻機(jī)是掩模直接貼在硅片上曝光的，類(lèi)似與投影，會(huì)造成較大的污染。

第二代是接近式光刻機(jī)。對(duì)接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良，掩模和硅片之間留了點(diǎn)空隙，但成像不好。

第三代是全硅片掃描投影式光刻機(jī)。光刻機(jī)改良了掃描投影模式，并加入了物鏡，進(jìn)行光學(xué)矯正。

第四代是反射掃描攝影式光刻機(jī)。

第五代是步進(jìn)式掃描投影式光刻機(jī)。顧名思義，就是采用了步進(jìn)式掃描投影。

第六代就是EUV。EUV還使用反射鏡取代了投射鏡，還使用了極紫外光源，EU這倆字母就是極紫外的縮寫(xiě)，波長(zhǎng)是13.5nm。因?yàn)橛貌ㄩL(zhǎng)極短，很容易被任何東西吸收，包括空氣，所以腔體內(nèi)是真空系統(tǒng)。ASML研發(fā)EUV花了十來(lái)年時(shí)間，數(shù)百億美元，可知其技術(shù)難度。EUV光刻機(jī)的售價(jià)曾為1億美元一臺(tái)。

光源、物鏡目前還無(wú)法完全擺脫進(jìn)口依賴(lài)

光源是光刻機(jī)的核心部件之一。在光刻機(jī)改進(jìn)中，所使用的光源也不斷改進(jìn)發(fā)展：

第一代是436nm g-line。

第二代是365nm i-line。

第三代是248nm KrF。

第四代是193nm ArF。

最新的是13.5nm EUV。

目前，在集成電路產(chǎn)業(yè)使用的中高端光刻機(jī)采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。

193nmArF也被稱(chēng)為申紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻機(jī)，其光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá)45nm，采用浸沒(méi)式光刻、光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)后，其極限光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá)28nm。

浸沒(méi)式光刻是指在物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，由于液體的折射率比空氣的折射率高，因此成像精度更高。因此，也就有了浸沒(méi)式光刻的叫法。

而當(dāng)工藝尺寸縮小到22nm時(shí)，則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)。然而使用兩次圖形曝光，會(huì)帶來(lái)兩大問(wèn)題:一個(gè)是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個(gè)是工藝的循環(huán)周期延長(zhǎng)。因而，在22nm的工藝節(jié)點(diǎn)，光刻機(jī)處于EUV與ArF兩種光源共存的狀態(tài)。

對(duì)于使用液浸式光刻+兩次圖形曝光的ArF光刻機(jī)，工藝節(jié)點(diǎn)的極限是10nm，之后將很難持續(xù)。EUV光刻機(jī)，則有可能使工藝制程繼續(xù)延伸到5nm。

中國(guó)在激光技術(shù)上頗有成就，國(guó)內(nèi)有的單位用汞燈做光源，還由單位研發(fā)出了獨(dú)一無(wú)二的固態(tài)深紫外光源，但目前，固態(tài)深紫外光源還并未用于光刻機(jī)制造，在光源上還無(wú)法徹底擺脫進(jìn)口。在物鏡方面，雖然國(guó)防科大精密工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研制的磁流變和離子束兩種超精拋光裝備，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)零件加工的納米精度。但浸沒(méi)式光刻物鏡異常復(fù)雜，涵蓋了光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域最前沿，二十余枚鏡片的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度極大——不僅要控制物鏡波像差，更要全面控制物鏡系統(tǒng)的偏振像差。因此，在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)物鏡也無(wú)法完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。

據(jù)了解，光源和物鏡同屬核高基02專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)公關(guān)項(xiàng)目之一，相信不久以后會(huì)有好消息。

本次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目?jī)H僅是核高基02專(zhuān)項(xiàng)的一部分，而且很有可能是第一個(gè)通過(guò)核高基02專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)收的項(xiàng)目。相對(duì)于中科院光電技術(shù)研究所研制的紫外納米壓印光刻機(jī)，本次的技術(shù)突破——“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)”則是用于65nm前道光刻機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。雖然在技術(shù)上而言，65nm光刻機(jī)與ASML的差距依然巨大，但卻是中國(guó)光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。

作為光刻機(jī)巨頭ASML長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作伙伴的德國(guó)米銥公司，以其超高精度和穩(wěn)定性的位移傳感器，為光刻機(jī)內(nèi)部諸多定位需求提供量身定制的解決方案。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，德國(guó)米銥公司一直秉承最高工藝水平和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，不斷追求自我挑戰(zhàn)，將非接觸式位移傳感器領(lǐng)域的技術(shù)不斷向前推進(jìn)。

隨著中國(guó)光刻機(jī)事業(yè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的工藝和技術(shù)需要向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。目前，大量德國(guó)米銥公司提供的電容傳感器、電渦流位移傳感器、激光位移傳感器和光譜共焦位移傳感器被應(yīng)用于光刻機(jī)工件臺(tái)，物鏡和相關(guān)需要精密定位的環(huán)節(jié)。

德國(guó)米銥公司不僅為中國(guó)光刻機(jī)行業(yè)提供最先進(jìn)的產(chǎn)品，還與行業(yè)客戶一起，量身定制開(kāi)發(fā)適合特定要求的產(chǎn)品和測(cè)量解決方案。相信隨著中國(guó)光刻機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，德國(guó)米銥公司也將繼續(xù)秉承其精益求精的經(jīng)營(yíng)理念，與其共同成長(zhǎng)，走向未來(lái)！

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