光刻机的难度在哪里

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摘要：光刻机被誉为“现代光学工业之花”，号称比研制原子弹还困难！全球只有3个国家能造。在全球高端光刻机市场，荷兰达到全球领先水平，除了荷兰，日本、中国也可以制造光刻机。但我国一直被西方国家牢牢“卡脖子”，至今都没能突破尖端技术。那么，研制光刻机的难度在哪里？一、光刻机哪个国家能造
光刻机作为芯片产业制造中不可缺少的设备，也是工时和成本占比最高的设备，更是全球顶尖技术和人类智慧的结晶。那么目前有哪些国家可以制造出光刻机呢？
目前在制造光刻机领域中，荷兰已经达到了领先全球的水平，荷兰的ASML公司占据了全球市场份额的80%。
除了荷兰以外，日本和中国也可以制造出光刻机。日本代表的企业是佳能和尼康，中国的代表企业是上海微电子。虽然我国目前只能制造出90纳米的光刻机，但是我国已经加大了科研投入和人才培养，相信在不久的将来，就能制造出属于自己的光刻机。
二、光刻机的难度在哪里
1、光源问题
光刻机以光为媒介，刻画微纳于方寸之间，实现各种微米甚至纳米级别的图形加工。目前，世界上最先进的光刻机已经能够加工13纳米线条。而我们人类的头发丝直径大约是50~70微米，也就是说，光刻可以刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。
前面提到的荷兰ASML公司的极紫外光刻机（EUV）是现在全球最顶尖的光刻机设备，相较于DUV，它把193nm的短波紫外线替换成了13.5nm的极紫外线，能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸。
EUV光刻机的光源来自于美国的Cymer，这个13.5nm的极紫外线其实是从193nm的短波紫外线多次反射之后得到的。
简单来说，就是用功率为250的二氧化碳激光去不断轰击滴落下来的金属锡滴液，在进行连续轰击之后，就能激发出EUV等离子体，从而获得波长更短的光。在这个过程中，每秒大约要攻击5万个滴液，而一个金属锡滴液，其实只有20微米的大小。
这是个什么概念？就是相当于从地球上发射出了一束手电光。足以可见其精密程度。光源的问题，就是光刻机制造的难点问题之一。
2、反射镜
光刻机的第二个难点，是用来调整光路和聚焦的反射镜。
普通光刻机的物镜是透镜，高端光刻机的物镜是反射镜，反射镜还得利用Bragg反射的原理添加涂层。
反射镜的作用是把模板上的电路图等比例缩小，在硅片上以电路图的形式呈现出来，这是制造芯片的关键元件。
ASML公司EUV的光学元件都来自于以做光学器件出名德国的蔡司，当然其中也包括光刻机的反射镜。
EUV多层膜反射镜作为光学系统的重要元件，成为了EUV光源的一项关键技术，需实现EUV波段的高反射率。
近年来，科研人员们通过研究发现，采用Mo/Si多层膜制备出的反射镜对中心波长为13.5nm、光谱带宽，在2%以内EUV光的反射率可达70%。通过将Mo原子和si原子交替排列，可使13.5nm的EUV光在其中发生干涉，从而得到较高的反射效率。
一句话来感受一下EUV反射镜精度到底有多高？假设差不多半米直径的镜面是德国国土面积那么大，那么其局部的凹凸不能超过1mm。
光刻机上面反射镜的制造，也是光刻机技术的一个难点。
3、工作台
光刻机的工作台控制了芯片在制造生产中的纹路刻蚀，工作台的移动精度越高，所加工的芯片精度就越高。这对于国家的硬件能力和软件能力都是考验，即使是科技实力十分强大的美国也无法做到垄断光刻机移动工作台。
ASML公司的EUV光刻机工作台采用的是一种高精度的激光干涉仪，以此进行微动台的位移测量，构建出一个闭环的控制系统，进而实现纳米级的超精密同步运动。
光刻机分辨率的日益提高对光刻机工作台提出了更高的要求，在工作台运行过程中，需要花费更多的时间对准以保证光刻机的工作精度。
也就是说，怎样在保证不浪费太多时间的同时确保工件的精度？这是个问题。
在芯片制造过程中，并不是一次曝光就可以完成的，在制造过程中要经历多次曝光，这也就意味着，在芯片制作过程中要进行多次对准操作（每一次曝光都要更换不同的掩膜，掩膜与硅晶圆之间每次都要对准操作）。芯片的每个元件之间都只有几纳米的间隔，在这种情况下，掩膜与硅晶圆之间的对准误差都必须控制在几纳米范围内。
一次对准可能相对来说比较容易，但芯片的制造需要多次曝光多次对准，在曝光完一个区域之后，放置硅晶圆的曝光台就必须快速进行移动，接着曝光下一个需要曝光的区域，想要在多次快速移动中实现纳米级别的对准，这个难度相当大。就相当于端着一碗汤做蛙跳，还得保证跳了几十次之后一滴汤都没洒出来。
工作台技术不论是从精度还是时间效率上来说，均是光刻机技术上的一个难点。
4、耗电问题
光刻机要在工作过程中稳定地输出高功率的光线，以支持其在晶圆上的持续刻蚀。为了实现芯片的工业化量产，光刻机在耗电能力上也有极致的追求。
最关键的还是，EUV光刻机还非常费电，它需要消耗电量把整个工作环境都抽成真空以避免灰尘，同时也可以通过更高的功率来弥补自身能源转换效率低下的问题，一般设备运行之后每小时就会损耗至少150度的电力。
这种极度耗电的问题，也是光刻机制造中的一个难点。
除此之外，次级电子对光刻胶的曝光、光化学反应释放气体，EUV对光罩的侵蚀等种种难题都要一一解决。这种情况就导致很长一段时间内EUV的产量极低，甚至日均产量只有1500片。
当然，除了上面提到的几点之外，光刻机的研发还面临着很多难点，光刻机对工作环境的要求极高，它必须要在超洁净的环境下才能够运行，一点点小灰尘落在光罩上就会带来严重的良品率问题，并对材料技术、流程控制等都有更高的要求。最致命的一点，就是光刻机的研发成本极高。
结语：光刻机制造在光源、物镜、工作台、研发投入、工作环境等领域都面临着不小的难点，也正因如此，光刻机技术久久都未取得明显突破，我国在芯片制造上依旧面临被卡脖子的困境。但目前我国在光刻机技术上已经取得了一些小小的突破，国产光刻机未来可期！期待中国光刻机打破垄断，走向世界的一刻。