中国光刻机行业发展现状分析

日前，清华大学召开了“光刻机双工件台系统样机研发”项目验收会，专家组对项目任务完成情况予以高度评价，并一致同意该项目通过验收。

作为集成电路产业的核心装备，有人称光刻机为“人类最精密复杂的机器”。工件台系统是光刻机的重要子系统，工件台系统的运行速度、加速度、系统稳定性和系统的定位建立时间对光刻机的生产精度和效率起着至关重要的作用。本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目验收，标志中国在双工件台系统上取得技术突破，但这仅仅是实现光刻机国产化万里长征的一部分，距离打破ASML的技术垄断还有很长的路要走。

这次会议由国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（核高基02专项）实施管理办公室组织召开，清华大学副校长薛其坤院士出席。

中外光刻机的巨大差距

光刻机被业界誉为集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此，能生产高端光刻机的厂商非常少，到最先进的14nm光刻机就只剩下ASML，日本佳能和尼康已经基本放弃第六代EUV光刻机的研发。

目前，光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML，并已经占据了高达80%的市场份额，垄断了高端光刻机市场——最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台，且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东，重金供养ASML，并且有技术人员驻厂，Intel、三星的14nm光刻机都是买自ASML，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。

相比之下，国内光刻机厂商则显得非常寒酸，处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机，制程上的差距就很大……国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备，对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利影响——ASML在向国内晶圆厂出售光刻机时有保留条款，那就是禁止用ASML出售给国内的光刻机给国内自主CPU做代工——只要中芯国际、华力微等晶圆厂采购的ASML光刻机，虽然不影响给ARM芯片做代工，但却不可能给龙芯、申威等自主CPU做代工、商业化量产。即便是用于科研和国防领域的小批量生产，也存在一定风险——采用陶瓷加固封装、专供军用的龙芯3A1500和在党政军市场使用的龙芯3A2000，只能是小批量生产，而且在宣传上 也只能含糊其辞的说明是境内流片……这很大程度上影响了自主技术和中国集成电路产业的发展。

光刻机工作原理和组成

光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。现在最先进的芯片有30多层。

上图是一张ASML光刻机的简易工作原理图。下面，简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台：承载硅片的工作台，也就是本次所说的双工作台。一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML有个专利，有两个工作台，实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。

激光器：也就是光源，光刻机核心设备之一，之前已经介绍过了。

光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

光刻机双工件台系统样机的意义

双工件台

过去，光刻机只有一个工作台，所有流程都在一个工作台上完成。双工件台系统的出现，使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下，当一个工作台在进行曝光工作的同时，另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作，使得光刻机的生产效率提高大约 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻机，分辨率小于 22nm，生产效率可以达到 125片/小时。

虽然看起来仅仅是加一个工作台，但技术难度却不容小觑——对换台的速度和精度有非常高的要求，如果换台速度慢，则影响光刻机工作效率；如果换台精度不够，则可能因此而影响了后续扫描光刻等步骤的正常开展。

特别是对浸没式光刻机而言，由于物镜和硅片之间增加一层特殊的液体，如何使液体在换台时依旧停留在物镜和硅片之间，不因换台发生流动，则是一个不小的技术难题。另外，还有避免污染的问题。

现今技术成熟的双工件台系统主要是导轨式，驱动方式主要分为气浮驱动和磁悬浮驱动。目前，ASML公司已成功研发了磁悬浮工件台系统，使得系统能够忽略摩擦系数和阻尼系数，其加工速度和精度是机械式和气浮式工件台所无法比拟的。不仅如此，ASML公司基于磁悬浮工件台的基础，研发了无导轨式的平面编码磁悬浮工件台系统，通过平面编码器对工作台进行精确定位，进一步提升了精度。

诚然，由于α光刻样机采用双工件台系统的具体技术细节还未披露，笔者也无从了解α光刻样机采用双工件台系统的定位精度、工件台和掩膜台之间的同步误差等数据，以及是气浮驱动和磁悬浮驱动，更无从了解α光刻样机采用双工件台系统是否能达到ASML公司的技术水平。不过，α光刻样机采用双工件台系统已获得专利授权122项，而且专家组认为，该双工件台系统的关键技术指标已达到国际同类光刻机双工件台水平。

光刻机的种类和历代改进

光刻机用途广泛，除了高端大气上档次的前道光刻机之外，还有用于LED制造领域投影光刻机和用于芯片封装的后道光刻机，虽然在前道光刻机上国内厂商和ASML差距如同鸿沟，但后道光刻机和封装光刻机国内厂商不仅都能制造，还占据了不低的市场份额。

因此，笔者在这里只介绍技术含金量最高的前道光刻机。前道光刻机经历了六代改进：

第一代是接触式光刻机。光刻机是掩模直接贴在硅片上曝光的，类似与投影，会造成较大的污染。

第二代是接近式光刻机。对接触式光刻机进行了改良，掩模和硅片之间留了点空隙，但成像不好。

第三代是全硅片扫描投影式光刻机。光刻机改良了扫描投影模式，并加入了物镜，进行光学矫正。

第四代是反射扫描摄影式光刻机。

第五代是步进式扫描投影式光刻机。顾名思义，就是采用了步进式扫描投影。

第六代就是EUV。EUV还使用反射镜取代了投射镜，还使用了极紫外光源，EU这俩字母就是极紫外的缩写，波长是13.5nm。因为用波长极短，很容易被任何东西吸收，包括空气，所以腔体内是真空系统。ASML研发EUV花了十来年时间，数百亿美元，可知其技术难度。EUV光刻机的售价曾为1亿美元一台。

光源、物镜目前还无法完全摆脱进口依赖

光源是光刻机的核心部件之一。在光刻机改进中，所使用的光源也不断改进发展：

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，在集成电路产业使用的中高端光刻机采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。

193nmArF也被称为申紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻机，其光刻工艺节点可达45nm，采用浸没式光刻、光学邻近效应矫正等技术后，其极限光刻工艺节点可达28nm。

浸没式光刻是指在物镜和硅片之间增加一层特殊的液体，由于液体的折射率比空气的折射率高，因此成像精度更高。因此，也就有了浸没式光刻的叫法。

而当工艺尺寸缩小到22nm时，则必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而使用两次图形曝光，会带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升，另一个是工艺的循环周期延长。因而，在22nm的工艺节点，光刻机处于EUV与ArF两种光源共存的状态。

对于使用液浸式光刻+两次图形曝光的ArF光刻机，工艺节点的极限是10nm，之后将很难持续。EUV光刻机，则有可能使工艺制程继续延伸到5nm。

中国在激光技术上颇有成就，国内有的单位用汞灯做光源，还由单位研发出了独一无二的固态深紫外光源，但目前，固态深紫外光源还并未用于光刻机制造，在光源上还无法彻底摆脱进口。在物镜方面，虽然国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备，实现了光学零件加工的纳米精度。但浸没式光刻物镜异常复杂，涵盖了光学、机械、计算机、电子学等多个学科领域最前沿，二十余枚镜片的初始结构设计难度极大——不仅要控制物镜波像差，更要全面控制物镜系统的偏振像差。因此，在现阶段国内物镜也无法完全替代进口产品。

据了解，光源和物镜同属核高基02专项重点公关项目之一，相信不久以后会有好消息。

作为光刻机巨头ASML长期战略合作伙伴的德国米铱公司，以其超高精度和稳定性的位移传感器，为光刻机内部诸多定位需求提供量身定制的解决方案。在过去的半个世纪里，德国米铱公司一直秉承最高工艺水平和业界标准，不断追求自我挑战，将非接触式位移传感器领域的技术不断向前推进。

随着中国光刻机事业的不断发展，越来越多的工艺和技术需要向国际先进水平靠拢。目前，大量德国米铱公司提供的电容传感器、电涡流位移传感器、激光位移传感器和光谱共焦位移传感器被应用于光刻机工件台，物镜和相关需要精密定位的环节。

随着中国光刻机事业的不断发展，越来越多的工艺和技术需要向国际先进水平靠拢。目前，大量德国米铱公司提供的电容传感器、电涡流位移传感器、激光位移传感器和光谱共焦位移传感器被应用于光刻机工件台，物镜和相关需要精密定位的环节。

德国米铱公司不仅为中国光刻机行业提供最先进的产品，还与行业客户一起，量身定制开发适合特定要求的产品和测量解决方案。相信随着中国光刻机技术的不断进步，德国米铱公司也将继续秉承其精益求精的经营理念，与其共同成长，走向未来！

（转载至网络，仅作为相关资讯的传播普及目的，如果原作者发现内容的使用不符合本人意愿，请联系本站作者或客服，将第一时间删除处理）