国防科普加油站（1）极紫外光刻机制造究竟有多难？

“国防科普加油站”专栏

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高端光刻机，全身都是“高精尖”

“得芯片者得天下。”在半导体领域，这一说法被普遍认可，足见芯片的极端重要性。然而，随着半导体度工艺精度（制程）的不断提升，这话似乎只说对了一半，或者说并不全面。因为，制造高端芯片所用的高性能光刻机，如今已越来越显示出它在半导体领域的地位和作用，被誉为半导体工业“皇冠上的明珠”。

高端芯片示意图

超大规模集成电路芯片，特别是高端芯片，其研发一般要经过设计、制造、封装与测试等一系列流程，其中芯片制造最为复杂，它涉及50多个行业，经过2000至5000道工艺流程。其原理是采用类似照片冲印的技术，通过一系列的光源能量、形状控制手段，是将设计出来的集成电路“版图”，重复复制到晶圆（一大张相纸）上，再通过离子注入、刻蚀等复杂工艺，在晶圆衬底上按照版图形状形成晶体管和金属连线，集中在一起并能完成设计功能的一个个管芯。在的一个个管芯上，这一过程好比是以光为刀，将设计好的电路图投射到硅片之上。然后，像分割相纸形成单张照片一样，将晶圆按照管芯边界切割后形成管芯，经过对管芯进行封装、测试、筛选等工序，最终完成芯片的制造。

制造芯片的晶圆

作为芯片制造的核心装备，光刻机的研发是一项最为复杂、最具技术含量和工艺要求的复杂系统工程，它涉及数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等众多学科。其内部结构极为复杂，包括透镜、光源、光束矫正器、能量控制器、能量探测器、掩膜台等，先进的光刻机一般有多达10万个零部件。

在半导体技术发展历程中，光刻始终是芯片制造的一大技术瓶颈。目前，主流的40纳米、20纳米半导体工艺中光刻过程都是由193纳米液浸式光刻系统来实现完成的，由于受到波长的影响，技术已很难突破。于是，极紫外（EUV）光刻机应运而生，即以13.5纳米极紫光外光作为光源、能有效满足芯片更高精度工艺的高端外光刻机。它集世界上相关顶尖技术与一身，一举将芯片的制程（工艺精度）带到10纳米以下，向着7纳米、5纳米迈进。

截至目前，世界上只有荷兰阿斯麦公司能制造7纳米极紫外光刻机，“独此一家，别无分店”。即便“一家独大”，利润惊人，一年也只能生产20台左右。它不是印钞机，但却比印钞机还要金贵。

研发制造，难度堪比研制“原子弹”

有人说，研制极紫外光刻机，难度堪比研制“原子弹”。因为，目前世界上还没有一个国家能够独立研究制造出来，这足以说明其研发制造之难。

极紫外光刻机内部结构

7纳米极紫外光刻机主要由极紫外光源、反射投影系统、光刻模版和对极紫外光刻敏感的光刻胶等4部分构成。无论是哪个部分，传统光刻工艺都无用武之地，需要重新设计和研发，没有长期技术沉淀和实力的科研单位和企业难以承担。特别是极紫外光源，设计就非常难，它必须突破传统激光器出功率低、光刻能量小、紫外光容易会被其他材料和空气等吸收等一系列难题。光源工作时需要以每秒5万次的频率，用20千瓦的激光来击打20微米的锡滴，使液态锡汽化为等离子体，从而产生波长短的极紫外光，才能提升光刻机所能实现的最小工艺节点，使芯片制造朝更小制程前进。

按照一般理解，能够制造7纳米极紫外光刻机的阿斯麦公司，无疑是“高大上”中的“高大上”了。说来让人难以置信，虽然在高端光刻机领域独步天下，但阿斯麦公司的核心技术只占其中的10%，其它90%的核心器件都是来自欧、美、日、韩等国家和地区的知名企业。也就是说，极紫外光刻机集成了该领域世界最先进的高、精、尖技术，阿斯麦公司不过是“站在巨人肩膀上”进行了集成创新。

阿斯麦公司生产的极紫外光刻机

从阿斯麦公司生产的极紫外光刻机可以看出，它的光源和控制软件来自美国；超精密机械及蔡司镜头来自德国；特殊复合材料和光学器材技术来自日本；轴承和阀件由瑞典和法国提供。目前，仅有美国英特尔、中国台积电、韩国三星等3家公司可使用该光刻机，实现7纳米、5纳米半导体工艺制造技术。

上述这些技术及设备，无不代表了该领域的世界顶尖水平。而目前世界上没有任何一个国家同时具备光刻机所需要的全部顶尖技术。以极紫外光刻机镜头为例，它由20多块锅底大的镜片串联组成，镜片必须用高纯度透光材料和高质量抛光工艺水准，提供该项技术和设备的德国卡尔蔡司公司，是光学和光电行业的国际领先企业，具有上百年技术沉淀。

作为目前唯一能制造极紫外光刻机的阿斯麦公司，也不是简单的“拿来主义”，将这些顶尖设备简单地拼装起来即可。极紫外光刻机结构分为13个系统，3万个分件，几百个执行器、传感器。工程技术人员必须将代表世界顶尖技术及设备集成起来，并实现精确控制，如何一点误差都可能导致“差之毫厘，失之千里”。因为极紫外光极易被空气吸收，因此光刻过程需要在真空中进行，他们为此建设的无尘车间，通风设备每小时能净化30万立方米空气，空气要比外部干净1万倍。这个简单的数据背后，同样是多年的探索掌握的一关键核心技术。

突破“卡脖子”技术，攻关战斗早已打响

近年来，美国对华科技打压不断升级，从禁用华为5G设备、禁售芯片，到阻拦极紫外光刻机向我出口，一系列无所不及的科技霸凌手段，企图阻止我国科技发展步伐。我国在半导体关键技术方面受制于人局面，牵动着亿万国人的心。

“多少事，从来急，一万年太久，只争朝夕。”虽然目前我国还没有独立生产用于高端芯片的极紫外光刻机，但我国对光刻机和极紫外光刻技术的探索从未停止，攻关战斗早已打响。

制造芯片的晶圆

早在1997年，我国就制造出了半自动光刻机诞生，但受限于当时的工艺水平和科技整体水平，光刻技术长期处于徘徊不前的局面。进入新世纪，随着全球半导体产业的兴起，我国围绕极紫外光源、多层膜和超光滑抛光技术等开始攻关。2007年，中国科学院上海光学精密机械研究所“极紫外光刻机光源技术研究”项目通过验收。

近10多年来，我国对半导体产业的发展高度重视，投入力度不断加大。2006年，国务院颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》；2008年，“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”被列入国家科技重大专项；2004年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》批准实施；2018年，“超分辨光刻设备研制”列入国家重大科研装备研制项目，一系列重大举措，极大推动了该领域发展。经过多年努力，相继突破了超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等关键核心技术。此后，我国又在“极紫外光刻胶材料与实验室检测技术研究”“超分辨光刻装备研制”“超衍射极限光刻制造”等方面实现了技术突破，将我国极紫外光刻技术研发不断向前推进。目前，我国研制的光刻机已完成28纳米工艺精度的芯片制造，正向更高标准迈进。

但是，我们应该看到，由于高端光刻机研制是一项极其复杂的系统工程，涉及众多学科领域、关键技术和加工工艺，要完全突破掌握绝非一朝一夕之功，不可能一蹴而就。事实上，世界上目前没有一个国家能凭借自身科技实力独立研制出极紫外光刻机，而我国则要完全凭借自己的力量掌握这一高、精、尖技术，这不是我国与世界上某个国家的较量，而是与整个世界的尖端科技的较量。

我们承认与世界先进水平差距，但我们有信心也有能力在高端光刻技术领域占有一席之地。美国对我们进行技术封锁与禁售，不仅不能遏制我国半导体产业的发展，反而会激发我国科技人员创新激情，推动我国科技腾飞，彻底打破国外的封锁垄断。（作者：王握文、舒中华 来源：国防科技大学）