现代高科技生产，光刻机是个绕不过去的坎。不仅芯片生产需要光刻机，内存条生产、固态硬盘生产，甚至液晶屏幕的生产等领域都需要高端的光刻机。有朋友可能会说：非得用极紫外光刻机吗？就没有其他技术可以替代吗？答案是：有其他技术可以实现，而且还不止一种。比如激光直写技术、X射线光刻、电子束光刻、原子力显微镜打印、纳米压印等技术都可以用来制作高端芯片。但是目前没有任何一项技术从生产效率上、生产成本上、产业链成熟度上可以跟现有的光刻机相媲美。 眼下来说，想快速发展芯片产业，还是要在光刻机上下功夫。但是经过几十年的发展，我国在光刻机领域跟人家的差距似乎越来越大了，到底光刻机研发的难点在哪里？ 光刻机实际上并不是用激光来雕刻芯片，名字里有个“刻”字，但实际工作流程并不涉及“刻”的过程。芯片生产用光刻机的工作更像复印机或者照相机，把掩膜板上的图案照射到涂在晶圆上的光刻胶上，让胶片曝光。曝光后的胶片分成了两部分，一部分可以溶解于特殊试剂，另一部分不能。下面的工作交接给蚀刻机，蚀刻机才是要完成刻的工作，不溶解的那部分光刻胶可以保护下面的晶圆不被蚀刻，用特殊试剂可以在晶圆上有选择的蚀刻出电路图案来，光刻机只是完成曝光，不进行光刻。 很多人说极紫外光刻机是全世界最顶级的工业产品的集合，中国短期内没有可能研发成功极紫外光刻机。说实话，我们想研发一款可以使用的极紫外光刻机，难度是不小的，但也没有难到天上去，只要肯投入，付出金钱和时间迟早是可以攻克的。 光刻机研发最大的难点是光学系统，说白了就是光源，透镜和反光镜，我们身边随处都可以见到反光镜和透镜，但这些镜片用来做光刻机是不符合要求的，必须用特制的镜片才行。于是很多人认为只有德国蔡司的镜头才是合格的镜头，国产的镜头差点不是一点半点。其实并不是这样的，国产的光学器件并不是那样的不堪，我们的航天事业蓬勃发展，大量卫星使用的都是国产光学器件，已经发射的空间站还会搭配一个类似哈勃望远镜的太空望远镜，使用的也是国产光学器件，这足以说明我国的国产光学器件是没有问题的。 另外我国的长春光机所早就研制出了90纳米光刻机使用的投影光刻物镜，充分说明我国光学器件的研发水平已经比较先进了。 我查阅了大量文献才发现，光刻机的光学器件难点，并不在镜片生产上，而在于校准、调试和成像质量补偿上。其实就算能买到德国蔡司的镜头，也不能保证就生产出合格的光刻机来出。光刻机使用的镜头经常不是一次成型，而是要在调试的过程中不断打磨优化，直到符合要求，而且一台仪器的一组镜片，并不是只有一个透镜，而是十几个甚至二三十个透镜的组合。任何一个透镜有轻微误差，都难以造出合格的光刻机。 极紫外光刻机更困难的一个原因是原有的成熟镜片完全不能使用。因为所有的材料都会吸收极紫外光，极紫外光不能再靠透镜来聚光，只能用反射镜。要造极紫外光刻机，所有的光路和材料都必须重新设计。普通的镜子即使加工再精良，也不能用到极紫外光的反射上。因为普通镜子的材料会严重吸收极紫外光，尤其是还有氧元素和碳元素的材料，特别爱吸收极紫外光。目前使用的反光镜必须在表面上镀上均匀的钼硅多层高反射率薄膜，也叫钼硅多层膜。这个反射镜的制作和使用流程非常严格，首先镀膜得均匀，不能含有杂质，而且必须在真空状态下使用。其次加工好以后，其表面完整度必须非常高，得达到纳米级，严格保证聚光效果，稍有不慎就会导致成像走形。同时极紫外光刻机的光路系统要求考虑的因素非常多，不是买几个镜子安装上就好了。因为极紫外光刻机的光子能量非常高，几乎所有的材料都会吸收极紫外光，而吸收了极紫外光必然会发热，发热就会带来材料的变形。对于需要纳米级成像的光刻机来说，简直就是灾难，基本就没法使用了，如果不加控制，光路系统还有被烧毁的风险。所以极紫外光刻机里，光源和每一面镜子的背后都有非常高效的冷却装置，把极紫外光照射产生的热量及时带走。说句玩笑话，极紫外光刻机可不是用电风扇来散热的，需要非常复杂的液冷系统。散热问题都解决了以后，才能进行设备调试，调试完合格的镜头才算完成了第一步。 真正困难的是成像质量补偿。光刻机对光刻图形的要求是近乎完美的，但设备的生产是不可能做到完美的，镜头使用的材料不可能做到完美，镜头打磨不可能做到完美，镜头组装也不可能做到完美。同时镜头材料和支撑材料都必然存在热胀冷缩的问题，这些问题都会给最终成像效果带来误差，而且很多成效误差是不断变化的，必须通过一系列办法进行校准和修正，甚至要求通过软硬件结合的自动化控制，来实现实时成像补偿，这才是真正的难点。这才是人家阿斯麦敢说：你拆开设备也仿造不出来的原因。要想实现这些需要大量的实验数据，不断的经验积累，设计的软件得有非常精准的校准算法，还需要大量精密控制装置的支持专利，不仅实现起来非常困难，还要面临大量的专利陷阱。 国际上，在极紫外光刻机研发成功之前，还没有生产出可靠的极紫外光源的时候，生产反光镜的企业就已经开始进行试验调试了。你能想到的很多解决办法别人早就想到了，你想使用，对不起，侵犯了人家的专利权，还得想办法规避专利侵权或者获得专利授权，这就是后来者的难处。光刻机常使用的光源如汞灯、KrF准分子激光、ArF准分子激光等，每一种光源可以产生一定波长的紫外光，原理都是很清楚的，所差的就是质量控制和专利的问题。不同公司所生产的光源质量是不一样的，极紫外光刻机使用的光源研制难度还是很大的，听起来挺简单，就是利用锡来发光，要么就是利用激光照射激发锡发光，要么就是利用电流来激发锡发光，但是实际研发还是非常困难的，不仅得能得到极紫外光，还得达到足够的强度，要能有效的照射出来，还得能有效地聚焦。最终要符合光刻机使用的技术要求。 德国公司主要研发放电等离子体型光源，简称DPP光源，美国公司研发激光等离子体型光源，简称LPP光源，目前美国公司的LPP光源胜出。阿斯麦的光源使用美国公司的产品，目前尚未见到国内有相关光源生产的报道，就算研发成功能否量产，还得看是否侵犯其他公司的专利权。 当然也有好消息，我国在极紫外光刻机领域已经深入研究了几十年了，还是有很深的技术积累的。目前国际上正在使用的极紫外光源虽然可以正常使用，但是有一个缺陷造成了它的改进空间比较大，这个缺陷就是激光照射锡金属的时候，必然产生一些锡的碎屑，这些碎屑一旦沉积到光源内部的收集镜上，就会影响光的收集效果，从而降低灯的使用寿命。各国都在研发减少污染的方法，其中中国的几项专利特别有分量，比如上海光机所提出了利用磁场降低污染的专利，就是一个非常巧妙的设计，其他单位的几项专利也都很先进。 所以未来我国生产出纯国产的极紫外光刻机专用光源，一点都不奇怪，除了光学系统以外，精密的控制系统也是光刻机能否正常使用的关键。不管是前面提到的光学系统的精密调控，还是芯片生产中中控台和各个部件的精准控制，都需要非常精密的控制系统，调控精度甚至要求达到纳米级，这个方面是我国的一大短板，除了芯片以外，几乎所有的高端数控机床，我国都是需要进口的，自给率还不到10%，这方面的缺失，也意味着EUV光刻机的生产也会面临一个重大的难题，好在这些年也有相关的研发布局。专项的攻关应该会有一些突破。 最后光刻机的研发并不只是光刻机生产企业自己能够完成的，必须跟使用光刻机的客户联合研发才行，否则你研发出来的光刻机很有可能无法使用。阿斯麦的光刻机都是跟台积电等大客户联合研发的。台积电等芯片生产企业在光刻机研发过程中起到了不可或缺的作用。阿斯麦研发出来的光刻机也需要台积电等下游企业进行调试和验证，我国要想研发成功高端光刻机，也必须联合芯片生产企业才能保证研发成功，即使研发成功了，也需要不断磨合，不断提升技术才能最终投入使用。 补充一点，一台能用的光刻机除了机子本身以外，还要有配套的掩膜版和光刻胶，不同的光刻机使用的掩膜版和光刻胶也是不一样的，光刻机的研发与掩膜版和光刻胶的研发是相配套的，没有配套的掩膜版和光刻胶，光刻机就算生产出来也不能用。 本文内容转自西瓜视频“东城观星”的作品,侵删!