极紫外光刻机研制究竟有多难

  “得芯片者得天下。”在半导体科研领域，这一说法被普遍认可，足见芯片研制的极端重要性。

  然而，随着半导体工艺精度的不断的提高，这话似乎只说对了一半。因为，制造高端芯片所用的光刻机，如今已越来越显示出它在半导体领域的地位和作用，被誉为半导体工业“皇冠上的明珠”。

  超大规模集成电路芯片，特别是高端芯片，一般要经过设计、制造、封装与测试等一系列流程。其中，芯片制造最为复杂，它涉及50多个行业，需要经过2000至5000道工艺流程。

  其原理：首先采用类似照片冲印的技术，通过一系列光源能量、形状控制手段，将设计出来的集成电路版图转移复制到晶圆（如一大张相纸）上；再通过离子注入、刻蚀等复杂工艺，在晶圆衬底上，按照版图形状，形成晶体管和金属连线集中在一起、能完成设计功能的一个个管芯（如相纸上重复显现的照片）。

  这一过程好比是以光为刀，将设计好的电路版图投射到硅片上。然后，像分割相纸形成单张照片一样，将晶圆按照管芯边界切割形成管芯。最后，经过对管芯进行封装、测试、筛选等工序，完成芯片制造。

  作为芯片制造的核心装备，光刻机的研发是一项极为复杂、极具技术上的含金量和工艺要求的系统工程。它涉及数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等众多学科。其内部结构极为复杂，包括透镜、光源、光束矫正器、能量控制器、能量探测器、掩膜台等。先进的光刻机，一般有多达10万个零部件。

  在半导体技术发展历史中，光刻始终是芯片制造的一大技术瓶颈。目前，主流的40纳米、28纳米半导体工艺中的光刻过程，都是由193纳米液浸式光刻系统完成的。由于受波长影响，技术已很难突破。

  在此情况下，极紫外光刻机应运而生——它以13.5纳米极紫外光作为光源，能有效满足芯片更高精度工艺的高端光刻机。它集世界上相关顶尖技术于一身，一举将芯片的工艺精度实现至10纳米以下，并向着7纳米、5纳米迈进。

  截至目前，世界上只有荷兰阿斯麦公司能制造7纳米极紫外光刻机。即便“一家独大”、利润惊人，该公司一年也只能生产20台左右。

  有人这样比喻，研制极紫外光刻机的难度，堪比昔日研制。目前，世界上还没有一个国家能独立研制极紫外光刻机。

  7纳米极紫外光刻机，主要由极紫外光源、反射投影系统、光刻模板和对极紫外光敏感的光刻胶等4个部分构成。无论是哪个部分，传统光刻工艺技术都无用武之地，要重新设计和研发。如果科研单位及企业没实力和长期技术积淀，是难以承担的。

  特别是设计产生极紫外光源，必须突破传统激光器输出功率低、光刻能量小、紫外光容易被其他材料和空气吸收等一系列难题。光源工作时，需要以5万次/秒的频率，用功率20千瓦的激光来击打20微米的锡滴，使液态锡汽化为等离子体，由此产生波长短的极紫外光，才能提升光刻机所能实现的最小工艺节点，使芯片制造朝更高的工艺精度迈进。

  按照一般理解，能制造7纳米极紫外光刻机的阿斯麦公司，无疑是“高大上”中的“高大上”了。他们虽然在高端光刻机领域独步天下，但只拥有核心技术的10%，其他90%的核心器件都来自欧、美、日、韩等国家和地区的有名的公司。也就是说，极紫外光刻机集成了该领域世界最高、精、尖的技术，阿斯麦公司不过是“站在众人肩膀上”进行集成创新。

  阿斯麦公司生产的极紫外光刻机，它的光源和控制系统软件来自美国，超精密机械及蔡司镜头来自德国，特殊复合材料和光学器材技术来自日本，轴承和阀件由瑞典和法国提供。目前，仅有美国英特尔、中国台积电、韩国三星等3家公司，可使用该光刻机完成7纳米、5纳米半导体工艺制造。

  上述这些技术及设备，代表了该领域世界顶尖水平。目前，世界上没有一点一个国家同时具备制造极紫外光刻机所需要的全部技术。以极紫外光刻机镜头为例，它由20多块锅底大的镜片串联组成，镜片一定要采用高纯度透光材料和高质量抛光工艺。提供该项技术和设备的德国卡尔蔡司公司，是光学和光电行业的国际领先企业，具有上百年技术积淀。

  作为目前唯一能制造极紫外光刻机的阿斯麦公司，也不是简单的“拿来主义”——将这些顶尖设备简单地拼装起来。极紫外光刻机结构分为13个系统，共3万个分件和几百个执行器、传感器。工程技术人员必须将所有有关技术及设备集成起来，并实现精确控制。任何一点误差，都可能会引起“差之毫厘，失之千里”。

  特别是极紫外光极易被空气吸收，因此光刻过程需要在真空和超洁净环境中进行。如他们建设的无尘车间，通风设备每小时能净化30万立方米空气，洁净度超出外部上万倍。这个简单的数据背后，同样是多年探索掌握的一个关键核心技术。