光刻机技术

人类科技发展的顶级水平是航空发动机和光刻机。

光刻机被誉为现在光学“工业之花”，是制造半导体芯片必不可少的超高精密设备。现在世界上能制造高端光刻机的企业只有三家，日本的佳能和尼康以及荷兰的ASML，ASML技术最为先进占据高端市场份额的80%，前段时间ASML总裁公开说把7nm光刻机卖给中芯国际，是因为制造光刻机是一项系统工程不怕中国复制。而我们真的像他说的那样无法制造自己的光刻机吗？

首先ASML总裁有一点没说错，制造光刻机是一项系统集成工程，ASML这么厉害不是荷兰人掌握了什么秘密科技，它是西方发达国家通力合作的产物。光刻机有近万个精密零部件，德国为它提供了顶级的机械工艺，说白了就是零部件精加工技术，说到机械加工就不得不说到超高精度数控机床这一加工神器。我们都知道德国的机床技术一直都处于世界顶尖的位置，其机床生产以高精度高效率著称。德国一款顶级的数控机床能够让20多个刀头同时工作，进行高效率高精度的零件加工，主轴每分钟转动4万转以上，配备3D激光扫描，GPS等多种先进系统，在加工各种高度复杂的零件的同时还能保持超高的精度，甚至还能自动识别要加工的零件的材质。ASML高端光刻机可以说是地球上最精密的机器之一，没有这种超高的机械工艺支持是做不出来的。

而我国的机械工艺水平与世界一流还有很大的差距！"高端机床制造技术，我们与德国、日本的差距有15到20年。"一位业内人士不无无奈表示，国外二三十年前就开始成熟应用的五轴联动机床我们现在才能自主生产，而且在稳定性、可靠性、效率等方面差距明显。尽管我国现在也有很企业在研发高端机床，但很多关键的零部件还是依赖进口。机床作为制造业之母，机床技术水平高低直接影响制造业的水平。我国号称全世界工业门类最齐全的国家，简单说就是什么都能造，但制造业还是处于大而不强的水平。有一个很好的例子，由于机床技术水平不够，我们的航空发动机几十年来都还一直处于“研发突破”阶段（当然，也有材料的原因）。

现在的芯片，指甲盖大小却植入了几十亿个甚至上百亿个晶体管，每个晶体管还得有电路连接，其雕刻工艺的精密难度可想而知。世界上没有一种工具能做到如此精密的雕刻工艺，但光可以。简单来说光刻机就是利用光的波长通过多道工序（每道工序都是纳米级的精度）在硅晶体上刻出凹槽。但也不是什么光都能用来雕刻芯片，因为需要纳米级的精度，光的波长越小越好，更小的波长意味着光束越细越锋利。众所周知，从红光到紫光，波长越来越短，现在光刻机应用的EUV（极紫外光）的波长只有13纳米。但是极紫外光的实际应用却相当困难，要把电能转换为极紫外光 的光源转换效率只有 0.02% 左右，这就需要极大能量的设备（激光器）来制造光源，而这套设备又需要高效的散热系统来保持正常工作。ASML光刻机的光源来自美国一家名叫Cymer公司的光源技术提供商。Cymer公司是一家世界领先的光源技术提供商，发明了如今半导体制造中最关键的光蚀刻微影技术所需的深紫外光源（DUV）,其在光刻设备所占的市场份额已超过70%，Cymer的光源技术也被广泛应用于OLED制造领域。2012年，ASML出价26亿美元收购了其长期合作伙伴Cymer，目前ASML最高端的EUV工艺光刻机的光源就是出自Cymer之手。我国现在才在研发波长为193nm的深紫外光源（DUV），DUV的技术节点是45－22nm，而ASML基于EUV的成熟应用其研发已经在向3nm甚至2nm挺进了。

有了EUV光源也无法直接应用，因为几乎所有的光学材料甚至空气对13.5nm波长的极紫外光都有很强的吸收作用。之前人们使用193纳米的氢氟激光时候，是用透镜来集中光束的，但EVU不能使用透镜集束了，因此除了要有真空条件外，EUV还要使用反光镜集束方案。所以制造光刻机又要涉及到另外一个领域——光学领域。

在光学领域有一家德国公司叫Carl Zeiss（卡尔蔡司）。相信很多人跟我一样，第一次知道卡尔蔡司是从诺基亚手机开始的。卡尔蔡司是一家至今已有150多年历史的公司，其强大的研发实力对现代光学工业的发展有着卓越的贡献。1962年，卡尔蔡司为美国水星计划-大力神8号设计光学镜头。任务中首次携带了一台带有蔡司镜头的相机进入太空。蔡司一直为美国早期的月球探测计划和阿波罗计划提供光学元件，包括为月球环绕任务设计的大光圈镜头，和登月时使用的镜头。一共有12颗阿波罗计划使用的蔡司镜头被留在月球上。阿姆斯特朗拍摄的照片也是使用的蔡司镜头。卡尔蔡司的光学技术广泛应用于汽车，机械，航空航天，医疗设备等领域，在光学领域的专利申请更是占据了头把交椅，可以说只要有涉及到光学领域的设备或多或少，直接间接都有卡尔蔡司技术支持，ASML也不例外。

一直以来卡尔蔡司与ASML都有紧密的合作，ASML更是在 2016年以 11亿美元收购卡尔蔡司的 24.9%股份，联手开发极紫外光（EUV）反射镜头。EUV从光源出发，到曝光掩膜的时候，期间要经过多次反射，每被反射一次，能量就会损失30%。ASML的EUV光刻机采用的就是卡尔蔡司 SMT 全反射4倍光学变焦镜头组件。可以说没有卡尔蔡司的光学技术支持，ASML的EUV光刻机研发不会这么顺利。我国在光学领域的高端技术应用还大都集中在国家工程当中，比如航空航天军事领域，在民用方面能拿得出手的几乎没有。

EUV光刻机80%的部件都不是自己生产，除了上述几个核心技术通过收购占股来建立合作优势外，ASML光刻机的电子零部件，EAD软件等大量的部件来自欧美日韩台湾等各个国家和地区。几乎每个主要的部件都涉及一条产业链。ASML采用模块化外包方式，每个技术环节都有来自全球各个领域最顶尖的技术支持，自己则集中力量投入研发和做系统集成方案。

中国能制造高端光刻机吗？虽然上海微电子（SMEE）自主生产的光刻机最高才支持90nm工艺，但这可以说明光刻机的制造原理对我们并没有难度，要不是西方对中国实施技术禁运，中国生产高端光刻机还真不是什么时候难事。难的是制造光刻机交叉多个学科涉及多个领域，要保证各个领域的技术水平必须达到或者超过世界先进水平，任何一环落下都会影响产品的性能。但是再难也要研发，还能带动上下游产业链一起进步，我们所需要的是时间。