极紫外光刻机研制究竟有多难
解放军报 王握文 通讯员 舒中华
●它集天下顶尖技能于一身，是高端芯片制造的关键核心设备
●它的研发难度极大，至现代界上还没有一个国家能独立研制
阿斯麦公司出品的极紫外光刻机。资料图片
“得芯片者得天下。”在半导体科研领域，这一说法被普遍认可，足见芯片研制的极度主要性。
然而，随着半导体工艺精度的不断提升，这话彷佛只说对了一半。由于，制造高端芯片所用的光刻机，如今已越来越显示出它在半导体领域的地位和浸染，被誉为半导体工业“皇冠上的明珠”。
超大规模集成电路芯片，特殊是高端芯片，一样平常要经由设计、制造、封装与测试等一系列流程。个中，芯片制造最为繁芜，它涉及50多个行业，须要经由2000至5000道工艺流程。
其事理：首先采取类似照片冲印的技能，通过一系列光源能量、形状掌握手段，将设计出来的集成电路版图转移复制到晶圆（如一大张相纸）上；再通过离子注入、刻蚀等繁芜工艺，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、能完成设计功能的一个个管芯（如相纸上重复显现的照片）。
这一过程好比因此光为刀，将设计好的电路版图投射到硅片上。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形成管芯。末了，经由对管芯进行封装、测试、筛选等工序，完成芯片制造。
作为芯片制造的核心装备，光刻机的研发是一项极为繁芜、极具技能含量和工艺哀求的系统工程。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、机器、自动化、软件、图像识别等浩瀚学科。其内部构造极为繁芜，包括透镜、光源、光束纠正器、能量掌握器、能量探测器、掩膜台等。前辈的光刻机，一样平常有多达10万个零部件。
在半导体技能发展进程中，光刻始终是芯片制造的一大技能瓶颈。目前，主流的40纳米、28纳米半导体工艺中的光刻过程，都是由193纳米液浸式光刻系统完成的。由于受波长影响，技能已很难打破。
在此情形下，极紫外光刻机应运而生——它以13.5纳米极紫外光作为光源，能有效知足芯片更高精度工艺的高端光刻机。它集天下上干系顶尖技能于一身，一举将芯片的工艺精度实现至10纳米以下，并向着7纳米、5纳米迈进。
截至目前，天下上只有荷兰阿斯麦公司能制造7纳米极紫外光刻机。即便“一家独大”、利润惊人，该公司一年也只能生产20台旁边。
有人这样比喻，研制极紫外光刻机的难度，堪比昔日研制原子弹。目前，天下上还没有一个国家能独立研制极紫外光刻机。
7纳米极紫外光刻机，紧张由极紫外光源、反射投影系统、光刻模板和对极紫外光敏感的光刻胶等4个部分构成。无论是哪个部分，传统光刻工艺技能都无用武之地，须要重新设计和研发。如果科研单位及企业没有实力和长期技能积淀，是难以承担的。
特殊是设计产生极紫外光源，必须打破传统激光器输出功率低、光刻能量小、紫外光随意马虎被其他材料和空气接管等一系列难题。光源事情时，须要以5万次/秒的频率，用功率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，从而产生波是非的极紫外光，才能提升光刻机所能实现的最小工艺节点，使芯片制造朝更高的工艺精度迈进。
按照一样平常理解，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。他们虽然在高端光刻机领域独步天下，但只拥有核心技能的10%，其他90%的核心器件都来自欧、美、日、韩等国家和地区的有名企业。也便是说，极紫外光刻机集成了该领域天下最高、精、尖的技能，阿斯麦公司不过是“站活着人肩膀上”进行集成创新。
阿斯麦公司生产的极紫外光刻机，它的光源和掌握软件来自美国，超精密机器及蔡司镜头来自德国，分外复合股料和光学器材技能来自日本，轴承和阀件由瑞典和法国供应。目前，仅有美国英特尔、中国台积电、韩国三星等3家公司，可利用该光刻机完成7纳米、5纳米半导体工艺制造。
上述这些技能及设备，代表了该领域天下顶尖水平。目前，天下上没有任何一个国家同时具备制造极紫外光刻机所须要的全部技能。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，镜片必须采取高纯度透光材料和高质量抛光工艺。供应该项技能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，具有上百年技能积淀。
作为目前唯一能制造极紫外光刻机的阿斯麦公司，也不是大略的“拿来主义”——将这些顶尖设备大略地拼装起来。极紫外光刻机构造分为13个别系，共3万个分件和几百个实行器、传感器。工程技能职员必须将所有干系技能及设备集成起来，并实现精确掌握。任何一点偏差，都可能导致“差之毫厘，失落之千里”。
特殊是极紫外光极易被空气接管，因此光刻过程须要在真空和超清洁环境中进行。如他们培植的无尘车间，透风设备每小时能净化30万立方米空气，清洁度超出外部上万倍。这个大略的数据背后，同样是多年探索节制的一个关键核心技能。
来源： 中国军网-解放军报
