光刻機(jī)——現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花

光刻機(jī)，被稱(chēng)為現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，制造難度非常大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。其售價(jià)高達(dá)7000萬(wàn)美金。用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)是中國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴(lài)進(jìn)口。

在能夠制造機(jī)器的這幾家公司中，尤其以荷蘭（ASML）技術(shù)最為先進(jìn)。價(jià)格也最為高昂。光刻機(jī)的技術(shù)門(mén)檻極高，堪稱(chēng)人類(lèi)智慧集大成的產(chǎn)物。

“十二五”科技成就展覽上，上海微電子裝備公司（SMEE）生產(chǎn)的中國(guó)最好的光刻機(jī)，與中國(guó)的大飛機(jī)、登月車(chē)并列。它的加工精度是90納米，相當(dāng)于2004年上市的奔騰四CPU的水準(zhǔn)。國(guó)外已經(jīng)做到了十幾納米。

測(cè)量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái)，也就是雙工作臺(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。

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(xiàn)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(huà)，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)跟照相機(jī)差不多，它的底片，是涂滿(mǎn)光敏膠的硅片。電路圖案經(jīng)光刻機(jī)，縮微投射到底片，蝕刻掉一部分膠，露出硅面做化學(xué)處理。制造芯片，要重復(fù)幾十遍這個(gè)過(guò)程。

位于光刻機(jī)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。SMEE光刻機(jī)使用的鏡片，得數(shù)萬(wàn)美元一塊。

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。

另外，光刻機(jī)需要體積小，但功率高而穩(wěn)定的光源。ASML的頂尖光刻機(jī)，使用波長(zhǎng)短的極紫外光，光學(xué)系統(tǒng)極復(fù)雜。有頂級(jí)的鏡頭和光源，沒(méi)極致的機(jī)械精度，也是白搭。光刻機(jī)里有兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的工件臺(tái)，一個(gè)載底片，一個(gè)載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個(gè)工作臺(tái)由靜到動(dòng)，加速度跟導(dǎo)彈發(fā)射差不多。而且，溫濕度和空氣壓力變化會(huì)影響對(duì)焦。機(jī)器內(nèi)部溫度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準(zhǔn)的測(cè)溫傳感器。一個(gè)最好的光刻機(jī)，包含13個(gè)分系統(tǒng)，3萬(wàn)個(gè)機(jī)械件，200多個(gè)傳感器，每一個(gè)都要穩(wěn)定。

全球只有一家企業(yè)在光刻機(jī)市場(chǎng)上占據(jù)了80%的份額，就是處于荷蘭的ASML，旗下所研發(fā)的EUV光刻機(jī)曾售價(jià)高達(dá)1億美元一臺(tái)，而且還不一定有貨。皆因每臺(tái)光刻機(jī)的裝配大約需要50000個(gè)零件左右。國(guó)際上著名的芯片制造商如Intel、臺(tái)積電、三星都是它名下的股東。

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