光刻机的前世今生——从照相机到光刻机

光刻机，因其高冷的技术而鲜为人知，自从华为进入实体清单这颗半导体工业的明珠进入了大众的视野，全世界最先进的EUV光刻机供应商ASML的董事长曾放出狠话：“如果我们交不出EUV，摩尔定律就会从此停止”，这个卡住华为脖子的光刻机是什么？它为什么如此重要？而它又为什么比原子弹还难造？

一、故事由照相机开始

1839年，法国画家达盖尔发明的银版摄影技术正式问世，于是世界上诞生了第一台可携式木箱照相机，这个形态笨重，色彩单一，结构复杂的照相机注定要改变世界。达盖尔把一块研磨过的银板表面涂上碘化银的感光膜，在自制的照相机内让它经由透镜投射光影曝光，再用设计的汞显影箱以汞蒸气显现影像出来，然后置于食盐水（后改用大苏打水）中定影，形成永久性的影像照片。于是可长期保存并成像清晰的摄影技术实现了。该技术的实现似乎是在默默等待着另一个技术的诞生。

16年后（1855）的一天，故事还是发生在法国，法国化学家柏德范将一种由重铬酸钾和蛋白构成的水溶液涂布覆盖在准备用于石印的整个石版表面，将其干燥后通过一张阴图片对版面进行曝光，然后用水冲洗版面，他发现没有见光部分的涂布液膜层全部被冲洗掉，石版表面再次完全裸露出来，而见光部分的涂布液膜层依然附着在石版上，形成了一幅与阴图片图案完全一样的影像，随后按照与上述石印相同的方法操作，油性墨水只附着在图案表面，非图案表面依然保持洁净。这种技术非常自然地被命名为Photomhography，即利用光化学方法制作印版的平印技术，标志着照相制版技术(Photomechanics) 的诞生。

二、光刻技术的出现

一直到1948年，美国发明了无粉腐蚀法，照相制版技术开始获得广泛使用，应用至集成电路板的制造上，不论技术进行怎样的迭代，但总万变不离其宗：利用照相复制和化学腐蚀相结合的技术制取金属印刷版的化学加工方法。它的原理是把所需的文字和图像按要求缩放到底片上，再将底片贴合在涂有感光胶的金属板上进行曝光，经过显影便可在金属板上形成所需要的文字或图像的感光胶膜。然后对胶膜进行抗蚀性处理，使之成为一种有很强的耐酸碱性、有光泽的珐琅质薄层。再将金属板浸入硝酸或三氯化铁溶液中，无珐琅质胶膜的金属表面便被腐蚀溶解，形成凸出的文字或图像的印刷版。

从用光生成图案到用光来制造印制电路板，照相制版技术不断迭代、演变，当半导体材料的研究获得突破时，这一古老的技术原理非常自然地被应用到半导体制造领域，而这一次的发展更为极致，逼近了物理学、材料学、精密制造的极限。

半导体芯片是以晶圆（圆形的高纯度硅晶片）作为衬底（相当于印制电路板的金属板），在晶圆上涂一层均匀的光刻胶（简单理解为感光材料）并适当加热，再将设计和加工好的线路图作为掩膜版放置在晶圆上方，经过整合的光，会选择性的透过掩膜版射向光刻胶，这一工艺就是曝光了，而部分曝光的光刻胶则会发生化学反应而导致性质发生变化，再通过显影、刻蚀等一些列操作，就可以将掩膜版上的图形刻蚀到被加工的存底上，以上即为光刻的原理。

由此不难发现，光刻是芯片由设计落地生产的关键加工工艺，决定了芯片的集成度、运算速率，没有光刻工艺就没有芯片的制造，更加不会有反应芯片性能周期指数增长的摩尔定律，因为摩尔定律必须经过光刻阶段才能实现。而光刻机就是实现光刻工艺的机器。

三、EUV娓娓道来

EUV什么？回答这个问题之前我们先来看看光刻机的分辨率的问题，这个问题是整个光刻机技术发展史的核心，所谓分辨率就是光刻机的精密度，为了制造集成度更高的半导体芯片，更高分辨率的光刻机犹如人类雕琢更小物品时寻求的更小的刻刀，只有刻刀足够精密，雕刻品才能足够精致。分辨率由瑞利公式决定：R=K1λ/NA，R越小分辨率越大，其中K1为工艺因子，λ为光波长，NA为物镜的光学数值孔径，由此可知，有三条途径可以提高光学分辨率：一是降低K1值，二是提高数值孔径NA，三是降低光波长。我们来看看降低光波长的过程，早期芯片制程工艺的光刻机行业门槛并不高，采用汞灯产生的紫外光源（UV），光刻工艺精度在微米级别，到了上世纪90年代采用深紫外光源（DUV），光刻工艺节点已实现了由微米量级向纳米量级的转变，2005年ASML使用ArF准分子激光作为光源，实现了90nm的精度，而随着几年来EUV（极紫外光源）的开发和使用，光刻技术科实现精度也突破至10nm以下。EUV光刻机就是以波长为10~14nm的极紫外光为光源的光刻设备。

光刻机一步一步地突破极限，是当今世界能达到的最高精度的加工技术，也堪称人类技术史上的一大奇迹！

上图为ASML一款光刻机简易工作原理图，首先由激光器出光，光经过能量控制器后得到稳定的光源，再经过光束形状设置得到具有特定形状的偏振光，然后经过能量探测器监测，通过掩膜版后，光成为特定图形，在经过物镜照射到曝光台上，完成曝光。

四、EUV有多难？

我们对照其系统结构来谈谈EUV的难度，光源系统、掩膜合系统、自动对准系统、调平调焦测量系统、掩膜传输系统、投影物镜系统和工作台系统为主要功能系统。

我们先来说说光源系统，EUV光刻机要满足商业化生产的要求，中心焦点处的EUV光功率必须提升到115W，大规模量产的要求更高，EUV功率必须达到250W，EUV功率并不是激光器的直接出光功率，激光器直接出光转换为EUV的光的效率十分低。2005年Powerlase公司研发的一款EUV光源，激光器输出功率为3.6KW，中心焦点处仅得到最低10W、最高20W的EUV，转换率在0.28%~0.56%，按照此转换效率，要达到115W的EUV功率，激光输出功率至少达到41KW，而量产水平至少要达到89.3KW的激光输出功率，这已经接近战术激光武器100KW的指标，当前美军驱逐舰上的激光炮也就是30KW输出级别的。

除了能量要求外，光源需要以每秒5万次的频率，以20KW的激光来击打20微米的锡滴，从而产生极紫外光，这好比在飓风中以每秒5万次的频率用乒乓球打中同一只苍蝇两次。

投影物镜系统中，上文提到需要高的物镜光学数值孔径，为了达到10nm以下的线宽以及1nm以内的套刻精度，聚焦反射镜必须非常平整，如果将设备中的反射镜想象成地球的大小，那么镜面上的最大误差只有人类头发那么细。

工作台系统中，为了控制曝光时间，ASML的EUV光罩承接平台将以20g的加速度加速，且不引起系统振动，请注意是20g，过山车高速俯冲时的加速度大约在4g到5g，F1方程式赛车可以达到6g。

由此就有了辅助系统：框架减振系统、环境控制系统、整机控制系统、整机软件系统、环境控制系统、硅片传输系统。

我们再来看看环境控制系统，首先如此高能的激光器需要在恒温下工作，因此需要冷却激光器，每秒需要4000升的水；其次ASML无尘室内的空气比外界干净1万倍，每小时30万立方米干净空气为了维持这样的空气流动效力，需要75000台风扇开启。几乎所有材料都能强烈吸收EUV（极紫外光），因此曝光只能在真空中进行。

这就是半导体皇冠上的明珠——光刻机，制造一辆汽车的零部件数为5000个，而一台光刻机至少要10万个零部件，如此复杂的设备即使是ASML要生产一台，也需要很长的时间，且55%的零部件都是源自美国技术，ASML曾说过，即便公开图纸，你们也造不出光刻机来，这话虽然听起来很刺耳，但现实就是如此残酷，短期内想突破光刻机，没有可能！