光刻机工作原理
-
2023年3月20日发(作者：中海碧林湾)为什么中国人自己不会做光刻机，它的核心技术是什么？
现在网络媒体往往是用芯片代替半导体、集成电路、
晶圆等词汇，严格来说，这些词汇之间还是有所差异的。
芯片在这里的用法也跟网络媒体的一致。
厂商在制造芯片的过程，其实是个相当复杂的过程，芯片
是多个学科共同作用的结晶。厂商在制造芯片的过程中，
从前端工序、到晶圆制造工序，之后再到封装和测试工
序，主要用到的设备依次包括，单晶炉、气相外延炉、氧
化炉、低压化学气相沉积系统、磁控溅射台、光刻机、刻
蚀机、离子注入机、晶片减薄机、晶圆划片机、键合封装
设备、测试机、分选机和探针台等。其中，厂商必须要利
用光刻机，才能把掩模版上的图形（电路结构）临时“复印”
到硅片等半导体基材（表面已均匀涂有光刻胶）上，以便
开展下一步工序。可以这样说，光刻机在芯片制造工序中
是最核心的设备。台积电、三星电子、英特尔等晶圆制造
厂商要投产越先进的制程工艺，就必须采用更加精密且复
杂的光刻机，对光刻机的要求包括高频率的激光光源、光
掩模的对位精度、设备的稳定性等。越是先进的光刻机，
便是集合了多领域中的尖端技术于一体。
▲晶圆制造中的七个主生产区。
▲中国上海微电子的光刻机。
其实这些年来，国内早就有设备厂商，以及研究机构在对
光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电
科四十八所等。所以并不是中国人自己不研制光刻机，尤
其是研制前道光刻机，而是因为在研制出达到国际一流的
光刻机中，所面临的困难既太多，又太难。至于光刻机的
核心技术都有什么？这其实由专家们合作写出一本厚厚的
书最好，我这里用几百上千的文字充其量就只能说到些皮
毛。
总部位于荷兰的ASML脱胎于飞利浦，于1984年成立，至
今所经营的产品主要还是光刻机。ASML凭借自己多年在行
业中所积累的技术和经验，在2017年取得的收入又创出新
高，净利润也同步大增。ASML的收入大致分为两个部分，
一个是通过向客户供应极紫外EUV、深紫外DUV光刻机等
设备获得的收入（在ASML当年的营收中占比达七成左
右），另一个就是为客户提供设备安装、系统升级等服务获
得的收入（在ASML当年的营收中占比约三成）。
目前，在行业中知名度较高的厂商，除了ASML外，另两
家是日本的尼康和佳能。德国SUSS、美国MYCRO、以及
在中国的某些设备厂商，能够向客户提供低端的接触式和
接近式光刻机。而前面已经列举到的上海微电子，则研发
出了中端的投影式光刻机。
在业界中，ASML主要推行的是部件外包、合作研发技术的
策略，并专注于对核心技术的研发，力求为客户提供好的
技术与服务方案。自2000年ASML向市场推出双工作台的
设备后，便在市场中逐步居于主导的地位，设备的精密度
与工作效率均在行业中领先。尼康和佳能则偏重于自研技
术的策略，事后表明，这确实反倒限制了尼康和佳能的产
品。如今尼康和佳能在新一代的光刻机市场上基本是彻底
败给了ASML。尼康和佳能的光刻机，现主要集中在KrF或
者ArF光刻机，面向对精度要求不高的工艺制程，如用于
LED与面板制造行业的投影光刻机、芯片封装环节中的后道
光刻机等。况且，尼康和佳能也已进一步缩减对光刻机的
研发费用。
最早的光刻机采用的是接触式曝光，即人们把掩模直接贴
在晶圆上片进行曝光，不过这很容易污染制程和缩短掩模
的寿命。后来有了接近式光刻机，即人们利用气垫在掩模
与硅片之间制造微小空隙，然而，这对成像精度造成了影
响。后再到上个世纪的80年代，人们利用光学镜头来调整
距离与改善成像质量，才达到了微米以下的精度。
1986年，ASML向市场推出步进式光刻机，提高了掩模的
使用效率和光刻精度，让芯片的制造工艺在过去的基础上
直接上了一个新台阶。2001年，ASML向市场推出双工作
台的设备（过去均为一个工作台），使得光刻机能在一个工
作台进行曝光晶圆片，在另一个工作台进行预对准工作，
并在第一时间得到结果反馈，生产效率比过去提高35%，精
度比过去提高10%。ASML开发出双工作台的系统，在技术
上的难度并不小，对工作台的转移速度和精度有极高的要
求。ASML独创的磁悬浮工作台系统，使得系统能够克服摩
擦系数和阻尼系数，使得系统的加工速度和精度超过了机
械式和气悬式工作台。2007年，ASML向市场推出浸没式
系统，在原有的光源基础上缩短了光波的波长，从此在行
业中确立了领头羊的地位。浸没式光刻是指在镜头和硅片
之间增加一层专用水或液体，光线浸没在液体中曝光在硅
晶片圆上。由于液体的折射率比空气的折射率高，因此成
像精度更高。从而获得更好分辨率与更小曝光尺寸。浸没
式光刻与二次曝光，同样为后面极紫外光刻机的问世奠定
了基础。
光源无疑是光刻机的核心技术之一。这样的光源，必须要
满足一定的条件：有适当的波长，波长越短，曝光的特征
尺寸越小；有足够的能量，且均匀地分布在曝光区域。厂
商推进光刻进步最直接的方法之一，是降低所用光源的波
长，早期的紫外光源是高压汞灯，经过滤光后采用其中的
436nmg线或者365nmi线。之后采用的是波长更短的深
紫外光光源，这是一种准分子激光，是利用电子束激发惰
性气体和卤素气体结合形成的气体分子，向基态跃迁时所
产生的激光。这种激光的特点是方向性强、波长的纯度
高、输出功率大，如KrF248nm、ArF193nm和F2157
nm等。
2002年，业界便有人提出了波长为193nm的浸没式光刻的
规划，由于193nm的光谱在水中的折射率高达1.44，等效
波长缩短为134nm，设备厂商只需对现有设备做较小的改
造，就能将蚀刻精度提升一到两个世代。ASML首先向市场
推出193nm的浸没式设备，效果优于157nm光源的设备，
成功地帮助晶圆制造厂商将90nm制程工艺提升到65nm，
彻底打败了选择干式蚀刻路线的尼康和佳能。
▲光刻机的工作原理。
2010年之后，制程工艺的继续演进到22nm，已经超越浸
没式的蚀刻精度，于是业界开始导入两次图形曝光的方
案，以间接方式来制作印制线路。两次曝光虽然能制作比
光源精度更高的芯片，但副作用是导致了光刻的次数与掩
模的数量大增，造成工艺成本的上升及生产周期的延长，
所以波长更短、精度更高的光源，才是提升制程能力的关
键。对于使用浸没式+两次图形曝光的ArF光刻机，工艺节
点的极限是10nm，极紫外光刻机可使工艺制程继续演进到
7nm与5nm的水平。
对于ASML已向市场推出了最新一代的极紫外光刻机，采
用的光源为13.5nm。正如行内业者所说：“EUV光线的能
量、破坏性极高，制程的所有零件、材料，样样挑战人类
工艺的极限。例如，因为空气分子会干扰EUV光线，生产
过程得在真空环境。而且，机械的动作得精确到误差仅以
皮秒。最关键零件之一，由德国蔡司生产的反射镜得做到
史无前例的完美无瑕，瑕疵大小仅能以皮米、ASML总裁暨
执行长温彼得（PeterWennink）接受《天下》独家专访时
解释，如果反射镜面积有整个德国大，最高的突起处不能
高于一公分高。”
150评论
光挥碎月03-2601:48
176赞
踩
光刻机中国人会做！只是和世界顶尖水平有相当差距。全
世界会做光刻机的国家也没几个，现在最好的光刻机是西
方多个发达国家共同努力的结果，光刻机简单来说就是用
极紫外激光在硅盘上刻出电路。说着简单，但其极为精
细，听说现在最好的光刻机，光源是美国的，镜片是德国
的，还有其它国家的技术。光刻机可以说极度的精密，要
把极紫外光线集到只有几纳米的宽度上，这里面首先就要
很强的激光技术。这种光带有极强的能量，因为波长特别
短，对镜片要求不是一般高。同时也要有极强的微电子技
术。
我们外行人很难讲清楚。据说现在国产已经有28纳米的光
刻机，28纳米相当于普通人头发直径的5000分之一。国外
7纳米光刻机已经成功商业化。据说国内正在攻关14纳米
技术。路还很长！
只能说加油吧，我的国。
34评论
日常办公深圳市魅网科技有限公司产品咨询师03-26
10:01
96赞
踩
首选得说，中国人会做光刻机，但是无法做高端的光刻
机。
关于什么是光刻机，其他的大神已经给出了非常详细的解
答，我从另一个侧面来讲一讲我国制造高端光刻机的困
难，其中绕不过去的就是
瓦森纳协定，一个针对中国人的技术封锁壁垒
这个协定的成员国有33个，包括美国、日本、英国、澳大
利亚以及老毛子国等，成立于1996年，目的就是控制顶尖
级科技技术的出口，我国排在这个被限制国家的首列。
有时候去找一找我国还未掌握哪些尖端科技，直接去看一
看瓦森纳协定限制对华出口的内容就差不了多少了，曾经
有一些国家对我们出口技术和产品，但是最终都因为该协
议，被美国硬生生的逼回来了，不惜经济和信誉损失。
而这个协定影响的范围，也包括半导体产业的相关技术和
产品，目前全球前15大半导体设备供应商，全部受该协定
限制，尤其是高端的光刻机，这从一定程度上限制了我国
半导体的发展，譬如你要学电脑，人家电脑都不卖你，你
自己要先造，造好了再学，此时人家电脑技术已经更新换
代了N倍。
协定也限定了人才，据规定，华裔工程师不能进入知名半
导体公司的核心部门工作，防止技术泄露，这一招，简直
就是无耻
希望的曙光
西方对我国的封锁简直就是家常便饭，别看现在装作合作
愉快的样子，实际上一直在找我们的脖子下手，早已经习
惯的我们已经被逼成什么事情都自己干的牛逼气质。
据最近的消息，我们的中芯国际和比利时的微电子研究中
心合作研制处了14nm的工艺，将晶圆代工推向了一个顶尖
的国际水平
相信不久的将来，我国的微电子工业，必将树立于世界顶
端，让瓦森纳协定吃X去吧！
加油！我的国！