中國光刻機行業發展現狀分析

日前，清華大學召開了“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目驗收會，專家組對項目任務完成情況予以高度評價，并一致同意該項目通過驗收。

作為集成電路產業的核心裝備，有人稱光刻機為“人類最精密復雜的機器”。工件臺系統是光刻機的重要子系統，工件臺系統的運行速度、加速度、系統穩定性和系統的定位建立時間對光刻機的生產精度和效率起著至關重要的作用。本次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目驗收，標志中國在雙工件臺系統上取得技術突破，但這僅僅是實現光刻機國產化萬里長征的一部分，距離打破ASML的技術壟斷還有很長的路要走。

這次會議由國家科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”（核高基02專項）實施管理辦公室組織召開，清華大學副校長薛其坤院士出席。

中外光刻機的巨大差距

光刻機被業界譽為集成電路產業皇冠上的明珠，研發的技術門檻和資金門檻非常高。也正是因此，能生產高端光刻機的廠商非常少，到最先進的14nm光刻機就只剩下ASML，日本佳能和尼康已經基本放棄第六代EUV光刻機的研發。

目前，光刻機領域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經占據了高達80%的市場份額，壟斷了高端光刻機市場——最先進的EUV光刻機售價曾高達1億美元一臺，且全球僅僅ASML能夠生產。Intel、臺積電、三星都是它的股東，重金供養ASML，并且有技術人員駐廠，Intel、三星的14nm光刻機都是買自ASML，格羅方德、聯電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機主要也是來自ASML。

相比之下，國內光刻機廠商則顯得非常寒酸，處于技術領先的上海微電子裝備有限公司已量產的光刻機中性能最好的是90nm光刻機，制程上的差距就很大……國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

這不僅使國內晶圓廠要耗費巨資購買設備，對產業發展和自主技術的成長也帶來很大不利影響——ASML在向國內晶圓廠出售光刻機時有保留條款，那就是禁止用ASML出售給國內的光刻機給國內自主CPU做代工——只要中芯國際、華力微等晶圓廠采購的ASML光刻機，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、商業化量產。即便是用于科研和國防領域的小批量生產，也存在一定風險——采用陶瓷加固封裝、專供軍用的龍芯3A1500和在黨政軍市場使用的龍芯3A2000，只能是小批量生產，而且在宣傳上 也只能含糊其辭的說明是境內流片……這很大程度上影響了自主技術和中國集成電路產業的發展。

光刻機工作原理和組成

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，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，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，得到刻在硅片上的電路圖（即芯片）。

一般的光刻工藝要經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。經過一次光刻的芯片可以繼續涂膠、曝光。越復雜的芯片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。現在最先進的芯片有30多層。

上圖是一張ASML光刻機的簡易工作原理圖。下面，簡單介紹一下圖中各設備的作用。

測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺，也就是本次所說的雙工作臺。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而ASML有個專利，有兩個工作臺，實現測量與曝光同時進行。而本次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目則是在技術上突破ASML對雙工件臺系統的技術壟斷。

激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一，之前已經介紹過了。

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，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設置：設置光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。

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行調整。

掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是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，并且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在于物鏡的設計難度大，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硅片的坐標系，根據缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩定的溫度、壓力。

光刻機雙工件臺系統樣機的意義

雙工件臺

過去，光刻機只有一個工作臺，所有流程都在一個工作臺上完成。雙工件臺系統的出現，使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當一個工作臺在進行曝光工作的同時，另外一個工作臺可以同時進行曝光之前的預對準工作，使得光刻機的生產效率提高大約 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻機，分辨率小于 22nm，生產效率可以達到 125片/小時。

雖然看起來僅僅是加一個工作臺，但技術難度卻不容小覷——對換臺的速度和精度有非常高的要求，如果換臺速度慢，則影響光刻機工作效率；如果換臺精度不夠，則可能因此而影響了后續掃描光刻等步驟的正常開展。

特別是對浸沒式光刻機而言，由于物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，如何使液體在換臺時依舊停留在物鏡和硅片之間，不因換臺發生流動，則是一個不小的技術難題。另外，還有避免污染的問題。

現今技術成熟的雙工件臺系統主要是導軌式，驅動方式主要分為氣浮驅動和磁懸浮驅動。目前，ASML公司已成功研發了磁懸浮工件臺系統，使得系統能夠忽略摩擦系數和阻尼系數，其加工速度和精度是機械式和氣浮式工件臺所無法比擬的。不僅如此，ASML公司基于磁懸浮工件臺的基礎，研發了無導軌式的平面編碼磁懸浮工件臺系統，通過平面編碼器對工作臺進行精確定位，進一步提升了精度。

誠然，由于α光刻樣機采用雙工件臺系統的具體技術細節還未披露，筆者也無從了解α光刻樣機采用雙工件臺系統的定位精度、工件臺和掩膜臺之間的同步誤差等數據，以及是氣浮驅動和磁懸浮驅動，更無從了解α光刻樣機采用雙工件臺系統是否能達到ASML公司的技術水平。不過，α光刻樣機采用雙工件臺系統已獲得專利授權122項，而且專家組認為，該雙工件臺系統的關鍵技術指標已達到國際同類光刻機雙工件臺水平。

光刻機的種類和歷代改進

光刻機用途廣泛，除了高端大氣上檔次的前道光刻機之外，還有用于LED制造領域投影光刻機和用于芯片封裝的后道光刻機，雖然在前道光刻機上國內廠商和ASML差距如同鴻溝，但后道光刻機和封裝光刻機國內廠商不僅都能制造，還占據了不低的市場份額。

因此，筆者在這里只介紹技術含金量最高的前道光刻機。前道光刻機經歷了六代改進：

第一代是接觸式光刻機。光刻機是掩模直接貼在硅片上曝光的，類似與投影，會造成較大的污染。

第二代是接近式光刻機。對接觸式光刻機進行了改良，掩模和硅片之間留了點空隙，但成像不好。

第三代是全硅片掃描投影式光刻機。光刻機改良了掃描投影模式，并加入了物鏡，進行光學矯正。

第四代是反射掃描攝影式光刻機。

第五代是步進式掃描投影式光刻機。顧名思義，就是采用了步進式掃描投影。

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，波長是13.5nm。因為用波長極短，很容易被任何東西吸收，包括空氣，所以腔體內是真空系統。ASML研發EUV花了十來年時間，數百億美元，可知其技術難度。EUV光刻機的售價曾為1億美元一臺。

光源、物鏡目前還無法完全擺脫進口依賴

光源是光刻機的核心部件之一。在光刻機改進中，所使用的光源也不斷改進發展：

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，在集成電路產業使用的中高端光刻機采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。

193nmArF也被稱為申紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻機，其光刻工藝節點可達45nm，采用浸沒式光刻、光學鄰近效應矯正等技術后，其極限光刻工藝節點可達28nm。

浸沒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，也就有了浸沒式光刻的叫法。

而當工藝尺寸縮小到22nm時，則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術。然而使用兩次圖形曝光，會帶來兩大問題:一個是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個是工藝的循環周期延長。因而，在22nm的工藝節點，光刻機處于EUV與ArF兩種光源共存的狀態。

對于使用液浸式光刻+兩次圖形曝光的ArF光刻機，工藝節點的極限是10nm，之后將很難持續。EUV光刻機，則有可能使工藝制程繼續延伸到5nm。

中國在激光技術上頗有成就，國內有的單位用汞燈做光源，還由單位研發出了獨一無二的固態深紫外光源，但目前，固態深紫外光源還并未用于光刻機制造，在光源上還無法徹底擺脫進口。在物鏡方面，雖然國防科大精密工程創新團隊自主研制的磁流變和離子束兩種超精拋光裝備，實現了光學零件加工的納米精度。但浸沒式光刻物鏡異常復雜，涵蓋了光學、機械、計算機、電子學等多個學科領域最前沿，二十余枚鏡片的初始結構設計難度極大——不僅要控制物鏡波像差，更要全面控制物鏡系統的偏振像差。因此，在現階段國內物鏡也無法完全替代進口產品。

據了解，光源和物鏡同屬核高基02專項重點公關項目之一，相信不久以后會有好消息。

本次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目僅僅是核高基02專項的一部分，而且很有可能是第一個通過核高基02專項驗收的項目。相對于中科院光電技術研究所研制的紫外納米壓印光刻機，本次的技術突破——“光刻機雙工件臺系統”則是用于65nm前道光刻機的一項關鍵技術。雖然在技術上而言，65nm光刻機與ASML的差距依然巨大，但卻是中國光刻機實現國產化替代萬里長征的第一步。

作為光刻機巨頭ASML長期戰略合作伙伴的德國米銥公司，以其超高精度和穩定性的位移傳感器，為光刻機內部諸多定位需求提供量身定制的解決方案。在過去的半個世紀里，德國米銥公司一直秉承最高工藝水平和業界標準，不斷追求自我挑戰，將非接觸式位移傳感器領域的技術不斷向前推進。

隨著中國光刻機事業的不斷發展，越來越多的工藝和技術需要向國際先進水平靠攏。目前，大量德國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用于光刻機工件臺，物鏡和相關需要精密定位的環節。

德國米銥公司不僅為中國光刻機行業提供最先進的產品，還與行業客戶一起，量身定制開發適合特定要求的產品和測量解決方案。相信隨著中國光刻機技術的不斷進步，德國米銥公司也將繼續秉承其精益求精的經營理念，與其共同成長，走向未來！

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