光刻機(jī)——現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花

光刻機(jī)，被稱為現(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。其售價高達(dá)7000萬美金。用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)是中國在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(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)。價格也最為高昂。光刻機(jī)的技術(shù)門檻極高，堪稱人類智慧集大成的產(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)的中國最好的光刻機(jī)，與中國的大飛機(jī)、登月車并列。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)。國外已經(jīng)做到了十幾納米。

測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺，也就是雙工作臺。一般的光刻機(jī)需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而ASML有個專利，有兩個工作臺，實現(xiàn)測量與曝光同時進(jìn)行。而本次“光刻機(jī)雙工件臺系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項目則是在技術(shù)上突破ASML對雙工件臺系統(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，曝光不足或過足都會嚴(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：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測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)計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運(yùn)動的設(shè)備，運(yùn)動控制精度是nm級的。

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缺口來確認(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：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，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)幾十遍這個過程。

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)，使用波長短的極紫外光，光學(xué)系統(tǒng)極復(fù)雜。有頂級的鏡頭和光源，沒極致的機(jī)械精度，也是白搭。光刻機(jī)里有兩個同步運(yùn)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(dǎo)彈發(fā)射差不多。而且，溫濕度和空氣壓力變化會影響對焦。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)的測溫傳感器。一個最好的光刻機(jī)，包含13個分系統(tǒng)，3萬個機(jī)械件，200多個傳感器，每一個都要穩(wěn)定。

全球只有一家企業(yè)在光刻機(jī)市場上占據(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)曾售價高達(dá)1億美元一臺，而且還不一定有貨。皆因每臺光刻機(jī)的裝配大約需要50000個零件左右。國際上著名的芯片制造商如Intel、臺積電、三星都是它名下的股東。

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