現代光學工業之花——光刻機

提到芯片想必大家都不陌生，但是可能很少人知道芯片的生產設備---光刻機。光刻機，被稱為現代光學工業之花，製造難度非常大，全世界只有少數幾家公司能夠製造。用於生產芯片的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板，而且我國還是全球最大的芯片消費國，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

荷蘭ASML公司 (全稱: Advanced Semiconductor Material Lithography, 目前該全稱已不做為公司標識使用，公司的註冊標識為ASML Holding N.V)，中文名稱為阿斯麥(中國大陸)、艾司摩爾(中國臺灣)。是總部設在荷蘭Veldhoven的全球最大的半導體設備製造商之一，向全球複雜集成電路生產企業提供領先的綜合性關鍵設備。目前荷蘭ASML壟斷著全球高端光科技80%以上的份額，至於7納米光刻機，那基本上是100%壟斷。正因為技術全球領先，而且處於壟斷地位，所以目前一臺7納米光刻機的價格是非常昂貴的，其價格達到了1.2億美元，但即便光刻機的售價非常昂貴，目前仍然供不應求，有些廠家即便給到更高的價格也不一定能買到，因為7nm光刻機每年的出貨量也就十幾二十臺，這些生產出來的光刻機還優先提供給ASMl的合作伙伴以及股東。

光刻機的製造研發並不是某一個企業能夠單獨完成的，這裡面涉及的技術非常複雜，需要很多頂尖的企業相互配合才可以完成，比如荷蘭asml作為目前全球最頂尖的光刻機制造商，是全球唯一能夠生產出7nm光刻機的企業，但是asml也需要美國企業提供光源設備，需要德國蔡司提供光學設備，此外還有來自英特爾，臺積電，三星，海力士等眾多芯片巨頭的資金支持還有技術支持。
光刻機是如何製造芯片的呢？我們首先了解一下光刻機的工作原理。
ASML光刻機的簡易工作原理圖
簡單介紹一下圖中各設備的作用：
測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺，也就是雙工作臺。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而ASML有個專利，有兩個工作臺，實現測量與曝光同時進行。而本次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目則是在技術上突破ASML對雙工件臺系統的技術壟斷。
激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一。
光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束儘量平行。
能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光刻機制造難度有多大？
光刻機跟照相機差不多，它的底片，是塗滿光敏膠的硅片。電路圖案經光刻機，縮微投射到底片，蝕刻掉一部分膠，露出硅面做化學處理。製造芯片，要重複幾十遍這個過程。
位於光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯組成。鏡片得高純度透光材料+高質量拋光。SMEE光刻機使用的鏡片，得數萬美元一塊。
ASML的鏡片是蔡司技術打底。鏡片材質做到均勻，需幾十年到上百年技術積澱。
“同樣一個鏡片，不同工人去磨，光潔度相差十倍。”SMEE總經理賀榮明說，他在德國看到，拋光鏡片的工人，祖孫三代在同一家公司的同一個職位。

另外，光刻機需要體積小，但功率高而穩定的光源。ASML的頂尖光刻機，使用波長短的極紫外光，光學系統極複雜。有頂級的鏡頭和光源，沒極致的機械精度，也是白搭。光刻機裡有兩個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導彈發射差不多。賀榮明說：“相當於兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭並進。一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，不能刻壞了。”而且，溫溼度和空氣壓力變化會影響對焦。“機器內部溫度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準的測溫傳感器。”賀榮明說。SMEE最好的光刻機，包含13個分系統，3萬個機械件，200多個傳感器，每一個都要穩定。像歐洲冠軍盃決賽，任何一個人發揮失常就要輸球。

上海微電子裝備公司總經理賀榮明去德國考察時，有工程師告訴他：“給你們全套圖紙，也做不出來，這句話並不誇張。“十二五”科技成就展覽上，上海微電子裝備公司（SMEE）生產的中國最好的光刻機，與中國的大飛機、登月車並列。它的加工精度是90nm，相當於2004年上市的奔騰四CPU的水準，而ASML目前已做到7nm。科學技術的進步是一個漫長的積累過程，中國在科技之路上起步晚，但是一直在努力追趕中，我們相信通過不懈的努力中國一定會屹立在世界科技之巔！

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