光刻機(jī)一直都是工業(yè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之上的明珠，很多人成為現(xiàn)代工業(yè)的王冠。未來(lái)我們?cè)撛鯓訉で笸黄疲抗饪虣C(jī)到底是什么你知道嗎？

最頂級(jí)的光刻機(jī)技術(shù)一直都把持在荷蘭的ASML公司手中，他們與西方各國(guó)長(zhǎng)期把持這項(xiàng)技術(shù)，限制著世界各國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體，因?yàn)楣饪虣C(jī)技術(shù)被稱為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上的工業(yè)皇冠，把控這項(xiàng)技術(shù)，就意味著可以長(zhǎng)期被不斷的去掌控非核心合作國(guó)家的半導(dǎo)體命脈，為他們創(chuàng)造巨大利益的同時(shí)，也限制這些國(guó)家的技術(shù)壁壘突破的難度，很不幸我們國(guó)家就是長(zhǎng)期被禁止購(gòu)買最先進(jìn)的國(guó)家之一，甚至美國(guó)用這個(gè)手段在今天也開始卡華為的脖子。

那么什么是光刻機(jī)呢？

光刻機(jī)（Mask Aligner) 又名：掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，是制造芯片的核心裝備。它采用類似照片沖印的技術(shù)，把掩膜版上的精細(xì)圖形通過(guò)光線的曝光印制到硅片上。

光刻機(jī)一般根據(jù)操作的簡(jiǎn)便性分為三種，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)

A 手動(dòng)：指的是對(duì)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式，是通過(guò)手調(diào)旋鈕改變它的X軸，Y軸和thita角度來(lái)完成對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)精度可想而知不高了；

B 半自動(dòng)：指的是對(duì)準(zhǔn)可以通過(guò)電動(dòng)軸根據(jù)CCD的進(jìn)行定位調(diào)諧；

C 自動(dòng)： 指的是 從基板的上載下載，曝光時(shí)長(zhǎng)和循環(huán)都是通過(guò)程序控制，自動(dòng)光刻機(jī)主要是滿足工廠對(duì)于處理量的需要。

紫外光源是什么？

曝光系統(tǒng)最核心的部件之一是紫外光源。

常見光源分為:

可見光：g線：436nm

紫外光（UV），i線：365nm

深紫外光（DUV）,KrF 準(zhǔn)分子激光：248 nm, ArF 準(zhǔn)分子激光：193 nm

極紫外光（EUV），10 ~ 15 nm

對(duì)光源系統(tǒng)的要求

a.有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越??；[波長(zhǎng)越短，就表示光刻的刀鋒越鋒利，刻蝕對(duì)于精度控制要求越高。]

b.有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；

c.曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。[一般采用光的均勻度 或者叫 不均勻度 光的平行度等概念來(lái)衡量光是否均勻分布]

常用的紫外光光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過(guò)濾光后使用其中的g 線（436 nm）或i 線（365 nm）。

對(duì)于波長(zhǎng)更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如KrF 準(zhǔn)分子激光（248 nm）、ArF 準(zhǔn)分子激光（193 nm）和F2準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。

曝光系統(tǒng)的功能主要有：平滑衍射效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)均勻照明、濾光和冷光處理、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光照明和光強(qiáng)調(diào)節(jié)等。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)又是什么？

制造高精度的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)需要具有近乎完美的精密機(jī)械工藝，這也是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)望塵莫及的技術(shù)難點(diǎn)之一，許多美國(guó)德國(guó)品牌光刻機(jī)具有特殊專利的機(jī)械工藝設(shè)計(jì)。例如Mycro N&Q光刻機(jī)采用的全氣動(dòng)軸承設(shè)計(jì)專利技術(shù)，有效避免軸承機(jī)械摩擦所帶來(lái)的工藝誤差。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)另外一個(gè)技術(shù)難題就是對(duì)準(zhǔn)顯微鏡。為了增強(qiáng)顯微鏡的視場(chǎng)，許多高端的光刻機(jī)，采用了LED照明。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)共有兩套，具備調(diào)焦功能。主要就是由雙目雙視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)顯微鏡主體、目鏡和物鏡各1對(duì)（光刻機(jī)通常會(huì)提供不同放大倍率的目鏡和物鏡供用戶組合使用）。

CCD對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)作用是將掩模和樣片的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記放大并成像于監(jiān)視器上。

工件臺(tái)顧名思義就是放工件的平臺(tái)，光刻工藝最主要的工件就是掩模和基片。

工件臺(tái)為光刻機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵，由掩模樣片整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)（XY）、掩模樣片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)（XY）、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)、樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)、承片臺(tái)、掩模夾、抽拉掩模臺(tái)組成。

其中，樣片調(diào)平機(jī)構(gòu)包括球座和半球。調(diào)平過(guò)程中首先對(duì)球座和半球通上壓力空氣，再通過(guò)調(diào)焦手輪，使球座、半球、樣片向上運(yùn)動(dòng)，使樣片與掩模相靠而找平樣片，然后對(duì)二位三通電磁閥將球座和半球切換為真空進(jìn)行鎖緊而保持調(diào)平狀態(tài)。

樣片調(diào)焦機(jī)構(gòu)由調(diào)焦手輪、杠桿機(jī)構(gòu)和上升直線導(dǎo)軌等組成，調(diào)平上升過(guò)程初步調(diào)焦，調(diào)平完成鎖緊球氣浮后，樣片和掩模之間會(huì)產(chǎn)生一定的間隙，因此必須進(jìn)行微調(diào)焦。另一方面，調(diào)平完成進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，必須分離一定的對(duì)準(zhǔn)間隙，也需要進(jìn)行微調(diào)焦。

抽拉掩模臺(tái)主要用于快速上下片，由燕尾導(dǎo)軌、定位擋塊和鎖緊手輪組成。

承片臺(tái)和掩模夾是根據(jù)不同的樣片和掩模尺寸而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

有什么性能指標(biāo)？

光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。

分辨率是對(duì)光刻工藝加工可以達(dá)到的最細(xì)線條精度的一種描述方式。光刻的分辨率受受光源衍射的限制,所以與光源、光刻系統(tǒng)、光刻膠和工藝等各方面的限制。

對(duì)準(zhǔn)精度是在多層曝光時(shí)層間圖案的定位精度。

曝光方式分為接觸接近式、投影式和直寫式。

曝光光源波長(zhǎng)分為紫外、深紫外和極紫外區(qū)域，光源有汞燈，準(zhǔn)分子激光器等。

ABM光刻機(jī)分析圖

那么光刻機(jī)到底有多少種呢？

a.接觸式曝光（Contact Printing）：掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來(lái)的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。接觸式，根據(jù)施加力量的方式不同又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

1.軟接觸 就是把基片通過(guò)托盤吸附?。愃朴趧蚰z機(jī)的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

2.硬接觸 是將基片通過(guò)一個(gè)氣壓（氮?dú)猓?，往上頂，使之與掩膜接觸；

3.真空接觸 是在掩膜和基片中間抽氣，使之更加好的貼合（想一想把被子抽真空放置的方式）

軟<硬<真空 接觸的越緊密，分辨率越高，當(dāng)然接觸的越緊密，掩膜和材料的損傷就越大。

缺點(diǎn)：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，容易損壞,壽命很低（只能使用5～25次）；容易累積缺陷；上個(gè)世紀(jì)七十年代的工業(yè)水準(zhǔn)，已經(jīng)逐漸被接近式曝光方式所淘汰了，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)均為接觸式曝光，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的開發(fā)機(jī)構(gòu)無(wú)法提供工藝要求更高的非接觸式曝光的產(chǎn)品化。

b.接近式曝光（Proximity Printing）:掩膜板與光刻膠基底層保留一個(gè)微小的縫隙（Gap），Gap大約為0～200μm?？梢杂行П苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩模壽命長(zhǎng)（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。接近式在現(xiàn)代光刻工藝中應(yīng)用最為廣泛。

c.投影式曝光（Projection Printing）:在掩膜板與光刻膠之間使用光學(xué)系統(tǒng)聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會(huì)以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點(diǎn)：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。

投影式曝光分類：

掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；

步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

掃描步進(jìn)投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點(diǎn)：增大了每次曝光的視場(chǎng)；提供硅片表面不平整的補(bǔ)償；提高整個(gè)硅片的尺寸均勻性。但是，同時(shí)因?yàn)樾枰聪蜻\(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。

d. 高精度雙面：主要用于中小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體元器件、光電子器件、聲表面波器件、薄膜電路、電力電子器件的研制和生產(chǎn)。

高精度特制的翻版機(jī)構(gòu)、雙視場(chǎng)CCD顯微顯示系統(tǒng)、多點(diǎn)光源曝光頭、真空管路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、直聯(lián)式無(wú)油真空泵、防震工作臺(tái)等組成。

適用于φ100mm以下，厚度5mm以下的各種基片的對(duì)準(zhǔn)曝光。

e.高精度單面：針對(duì)各大專院校、企業(yè)及科研單位，對(duì)光刻機(jī)使用特性研發(fā)的一種高精度光刻機(jī),中小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體元器件、光電子器件、聲表面波器件的研制和生產(chǎn)。

高精度對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)、雙目分離視場(chǎng)CCD顯微顯示系統(tǒng)、曝光頭、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空管路系統(tǒng)、直聯(lián)式無(wú)油真空泵、防震工作臺(tái)和附件箱等組成。

解決非圓形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分離不開所引起的版片無(wú)法對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題。

ASML Twinscan簡(jiǎn)易工作原理圖

那么我們國(guó)家現(xiàn)在處于什么水平？

2018年11月29日，國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“超分辨光刻裝備研制”通過(guò)驗(yàn)收。該光刻機(jī)由中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制，光刻分辨力達(dá)到22納米，結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來(lái)還可用于制造10納米級(jí)別的芯片。

近期華為也開啟了光刻工藝的人才招聘，這是從側(cè)面說(shuō)明，我們?cè)诠饪虣C(jī)領(lǐng)域急需解決眼前的問(wèn)題就是最先進(jìn)的工藝，很多人說(shuō)我們不可能突破，光刻機(jī)是很多國(guó)家共同研發(fā)出來(lái)的結(jié)果，單單靠我們中國(guó)自己是無(wú)法突破的，其實(shí)未必，我們有長(zhǎng)春光機(jī)所先進(jìn)的EUV紫外技術(shù)，我們有很多零部件技術(shù)，甚至根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的朋友透露消息是我們現(xiàn)在差不多掌控了先進(jìn)光刻機(jī)60%-70%以上的技術(shù)，我們尋求突破關(guān)鍵技術(shù)也只是時(shí)間問(wèn)題，如果不出意外的話短期內(nèi)10nm技術(shù)應(yīng)該快突破了，那么7-5nm我們也并非不能突破。

華為在未來(lái)很可能會(huì)被逼迫成全產(chǎn)業(yè)性的科技企業(yè)，就像三星一樣，我相信在艱難中前行的華為，絕對(duì)可以突破封鎖，用任老的話說(shuō)：有了方向的華為不懼怕任何困難。

光刻機(jī)是科技半導(dǎo)體工業(yè)上的王冠，如果我們不尋求突破，就會(huì)被一直卡脖子，這不是我們需要的，我們必須要努力克服，讓我們的科技半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能順利發(fā)展。如果我們沒有自己的光刻機(jī)，那么我們整個(gè)工業(yè)都將發(fā)展停滯，光刻機(jī)的難題不解決，我們就無(wú)法正常復(fù)興。

最后我只想說(shuō)，沒有什么不可能，也沒有什么不能做到，相信中國(guó)科技界。

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