一、光刻機(jī)哪個(gè)國(guó)家能造
光刻機(jī)作為芯片產(chǎn)業(yè)制造中不可缺少的設(shè)備，也是工時(shí)和成本占比最高的設(shè)備，更是全球頂尖技術(shù)和人類智慧的結(jié)晶。那么目前有哪些國(guó)家可以制造出光刻機(jī)呢？
目前在制造光刻機(jī)領(lǐng)域中，荷蘭已經(jīng)達(dá)到了領(lǐng)先全球的水平，荷蘭的ASML公司占據(jù)了全球市場(chǎng)份額的80%。
除了荷蘭以外，日本和中國(guó)也可以制造出光刻機(jī)。日本代表的企業(yè)是佳能和尼康，中國(guó)的代表企業(yè)是上海微電子。雖然我國(guó)目前只能制造出90納米的光刻機(jī)，但是我國(guó)已經(jīng)加大了科研投入和人才培養(yǎng)，相信在不久的將來，就能制造出屬于自己的光刻機(jī)。
二、光刻機(jī)的難度在哪里
1、光源問題
光刻機(jī)以光為媒介，刻畫微納于方寸之間，實(shí)現(xiàn)各種微米甚至納米級(jí)別的圖形加工。目前，世界上最先進(jìn)的光刻機(jī)已經(jīng)能夠加工13納米線條。而我們?nèi)祟惖念^發(fā)絲直徑大約是50~70微米，也就是說，光刻可以刻畫出只有頭發(fā)絲直徑1/5000的線條。
前面提到的荷蘭ASML公司的極紫外光刻機(jī)（EUV）是現(xiàn)在全球最頂尖的光刻機(jī)設(shè)備，相較于DUV，它把193nm的短波紫外線替換成了13.5nm的極紫外線，能夠把光刻技術(shù)擴(kuò)展到32nm以下的特征尺寸。
EUV光刻機(jī)的光源來自于美國(guó)的Cymer，這個(gè)13.5nm的極紫外線其實(shí)是從193nm的短波紫外線多次反射之后得到的。
簡(jiǎn)單來說，就是用功率為250的二氧化碳激光去不斷轟擊滴落下來的金屬錫滴液，在進(jìn)行連續(xù)轟擊之后，就能激發(fā)出EUV等離子體，從而獲得波長(zhǎng)更短的光。在這個(gè)過程中，每秒大約要攻擊5萬個(gè)滴液，而一個(gè)金屬錫滴液，其實(shí)只有20微米的大小。
這是個(gè)什么概念？就是相當(dāng)于從地球上發(fā)射出了一束手電光。足以可見其精密程度。光源的問題，就是光刻機(jī)制造的難點(diǎn)問題之一。
2、反射鏡
光刻機(jī)的第二個(gè)難點(diǎn)，是用來調(diào)整光路和聚焦的反射鏡。
普通光刻機(jī)的物鏡是透鏡，高端光刻機(jī)的物鏡是反射鏡，反射鏡還得利用Bragg反射的原理添加涂層。
反射鏡的作用是把模板上的電路圖等比例縮小，在硅片上以電路圖的形式呈現(xiàn)出來，這是制造芯片的關(guān)鍵元件。
ASML公司EUV的光學(xué)元件都來自于以做光學(xué)器件出名德國(guó)的蔡司，當(dāng)然其中也包括光刻機(jī)的反射鏡。
EUV多層膜反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)的重要元件，成為了EUV光源的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，需實(shí)現(xiàn)EUV波段的高反射率。
近年來，科研人員們通過研究發(fā)現(xiàn)，采用Mo/Si多層膜制備出的反射鏡對(duì)中心波長(zhǎng)為13.5nm、光譜帶寬，在2%以內(nèi)EUV光的反射率可達(dá)70%。通過將Mo原子和si原子交替排列，可使13.5nm的EUV光在其中發(fā)生干涉，從而得到較高的反射效率。
一句話來感受一下EUV反射鏡精度到底有多高？假設(shè)差不多半米直徑的鏡面是德國(guó)國(guó)土面積那么大，那么其局部的凹凸不能超過1mm。
光刻機(jī)上面反射鏡的制造，也是光刻機(jī)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。
3、工作臺(tái)
光刻機(jī)的工作臺(tái)控制了芯片在制造生產(chǎn)中的紋路刻蝕，工作臺(tái)的移動(dòng)精度越高，所加工的芯片精度就越高。這對(duì)于國(guó)家的硬件能力和軟件能力都是考驗(yàn)，即使是科技實(shí)力十分強(qiáng)大的美國(guó)也無法做到壟斷光刻機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)。
ASML公司的EUV光刻機(jī)工作臺(tái)采用的是一種高精度的激光干涉儀，以此進(jìn)行微動(dòng)臺(tái)的位移測(cè)量，構(gòu)建出一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的超精密同步運(yùn)動(dòng)。
光刻機(jī)分辨率的日益提高對(duì)光刻機(jī)工作臺(tái)提出了更高的要求，在工作臺(tái)運(yùn)行過程中，需要花費(fèi)更多的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)以保證光刻機(jī)的工作精度。
也就是說，怎樣在保證不浪費(fèi)太多時(shí)間的同時(shí)確保工件的精度？這是個(gè)問題。
在芯片制造過程中，并不是一次曝光就可以完成的，在制造過程中要經(jīng)歷多次曝光，這也就意味著，在芯片制作過程中要進(jìn)行多次對(duì)準(zhǔn)操作（每一次曝光都要更換不同的掩膜，掩膜與硅晶圓之間每次都要對(duì)準(zhǔn)操作）。芯片的每個(gè)元件之間都只有幾納米的間隔，在這種情況下，掩膜與硅晶圓之間的對(duì)準(zhǔn)誤差都必須控制在幾納米范圍內(nèi)。
一次對(duì)準(zhǔn)可能相對(duì)來說比較容易，但芯片的制造需要多次曝光多次對(duì)準(zhǔn)，在曝光完一個(gè)區(qū)域之后，放置硅晶圓的曝光臺(tái)就必須快速進(jìn)行移動(dòng)，接著曝光下一個(gè)需要曝光的區(qū)域，想要在多次快速移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的對(duì)準(zhǔn)，這個(gè)難度相當(dāng)大。就相當(dāng)于端著一碗湯做蛙跳，還得保證跳了幾十次之后一滴湯都沒灑出來。
工作臺(tái)技術(shù)不論是從精度還是時(shí)間效率上來說，均是光刻機(jī)技術(shù)上的一個(gè)難點(diǎn)。
4、耗電問題
光刻機(jī)要在工作過程中穩(wěn)定地輸出高功率的光線，以支持其在晶圓上的持續(xù)刻蝕。為了實(shí)現(xiàn)芯片的工業(yè)化量產(chǎn)，光刻機(jī)在耗電能力上也有極致的追求。
最關(guān)鍵的還是，EUV光刻機(jī)還非常費(fèi)電，它需要消耗電量把整個(gè)工作環(huán)境都抽成真空以避免灰塵，同時(shí)也可以通過更高的功率來彌補(bǔ)自身能源轉(zhuǎn)換效率低下的問題，一般設(shè)備運(yùn)行之后每小時(shí)就會(huì)損耗至少150度的電力。
這種極度耗電的問題，也是光刻機(jī)制造中的一個(gè)難點(diǎn)。
除此之外，次級(jí)電子對(duì)光刻膠的曝光、光化學(xué)反應(yīng)釋放氣體，EUV對(duì)光罩的侵蝕等種種難題都要一一解決。這種情況就導(dǎo)致很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)EUV的產(chǎn)量極低，甚至日均產(chǎn)量只有1500片。
當(dāng)然，除了上面提到的幾點(diǎn)之外，光刻機(jī)的研發(fā)還面臨著很多難點(diǎn)，光刻機(jī)對(duì)工作環(huán)境的要求極高，它必須要在超潔凈的環(huán)境下才能夠運(yùn)行，一點(diǎn)點(diǎn)小灰塵落在光罩上就會(huì)帶來嚴(yán)重的良品率問題，并對(duì)材料技術(shù)、流程控制等都有更高的要求。最致命的一點(diǎn)，就是光刻機(jī)的研發(fā)成本極高。
結(jié)語： 光刻機(jī)制造在光源、物鏡、工作臺(tái)、研發(fā)投入、工作環(huán)境等領(lǐng)域都面臨著不小的難點(diǎn)，也正因如此，光刻機(jī)技術(shù)久久都未取得明顯突破，我國(guó)在芯片制造上依舊面臨被卡脖子的困境。但目前我國(guó)在光刻機(jī)技術(shù)上已經(jīng)取得了一些小小的突破，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)未來可期！期待中國(guó)光刻機(jī)打破壟斷，走向世界的一刻。
