ASML光刻機的工作原理,光刻機製造難度有多大?

2020-12-07 電子發燒友

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。」賀榮明幾年後理解了這句話。

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。其售價高達7000萬美金。用於生產晶片的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

在能夠製造機器的這幾家公司中，尤其以荷蘭（ASML）技術最為先進。價格也最為高昂。光刻機的技術門檻極高，堪稱人類智慧集大成的產物。

「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90納米，相當於2004年上市的奔騰四CPU的水準。國外已經做到了十幾納米。

ASML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：承載矽片的工作檯，也就是雙工作檯。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作檯，而ASML有個專利，有兩個工作檯，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。

雷射器：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，讓雷射束儘量平行。

能量控制器：控制最終照射到矽片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設置：設置光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到矽片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，並反饋給能量控制器進行調整。

掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被雷射映射的矽片上，並且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在於物鏡的設計難度大，精度的要求高。

矽片：用矽晶製成的圓片。矽片有多種尺寸，尺寸越大，產率越高。題外話，由於矽片是圓的，所以需要在矽片上剪一個缺口來確認矽片的坐標系，根據缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內部封閉框架、減振器：將工作檯與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動幹擾，並維持穩定的溫度、壓力。

光刻機製造難度有多大？

光刻機跟照相機差不多，它的底片，是塗滿光敏膠的矽片。電路圖案經光刻機，縮微投射到底片，蝕刻掉一部分膠，露出矽面做化學處理。製造晶片，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。兩個工作檯由靜到動，加速度跟飛彈發射差不多。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。像歐洲冠軍杯決賽，任何一個人發揮失常就要輸球。

世界上最貴精密儀器出廠地

目前全球只有一家企業在光刻機市場上佔據了80%的份額，就是處於荷蘭的ASML，旗下所研發的EUV光刻機曾售價高達1億美元一臺，而且還不一定有貨。皆因每臺光刻機的裝配大約需要50000個零件左右。國際上著名的晶片製造商如Intel、臺積電、三星都是它名下的股東。

阿斯麥公司ASML Holding NV創立於1984年，是從飛利浦獨立出來的一個半導體設備製造商。前稱ASM Lithography Holding N.V.，於2001年改為現用名，總部位於荷蘭費爾德霍芬，全職僱員12,168人，是一家半導體設備設計、製造及銷售公司。

接下來我們，走進ASML光刻機工廠

看看世界上最貴精密儀器出廠地

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