我们都知道，芯片的制造极其困难，而制造芯片的机器就是光刻机。那光刻机的原理是什么？如果你不是很清楚，那就把它理解成冲洗照片。但不一样的是，洗照片是把小的底片放大，而光刻机是把大的照片缩小，就是把电路图缩印到晶圆上。虽然原理看似很简单，但是光刻机的门槛却非常之高。高到什么程度呢？举个例子，给你一个电路图，如果要画在一张A4纸上很简单，如果要画在一张邮票上就困难一些，如果要画到一粒沙子上就更困难了，但如果把这个沙子放到一个赛车的挡风玻璃上，让你开另外一辆赛车一边追一边画，还不能出错，在这种极端精度下，很多原本可以忽略不计的细节全部都变成了障碍。比如说震动，这种精度下，任何震动都极度敏感。哪怕你关一个门的结果都可能是灾难性的。所以就必须搭配一个极度精密的减震系统。但是你以为就完了吗？这只是其中一个相对比较容易的难点而已。光源，物镜，超精密对准系统，光刻软件，超精密硅晶片，这其中的每一项的技术都难于上青天。而实际上，此时此刻，在全中国，跟这几个核心技术相关的高精尖人才，加起来可能都不会超过人。下面我们一项项来解读。

一、光刻机软件

目前能做光刻机商用软件架构的，全中国还没有一个人。商业化软件跟一般搞科研是不一样的，整个架构超级复杂，并且要经过客户很多年打磨、补bug才能成熟，其次还要有光学、物理、材料等方面的顶尖人才，外加晶元厂的配合才能一起完成这套软件。就单这套软件，如果完全靠本土培养人才，少则3年，多则10年。晶元厂有的测试软件是按天收费的，过了24点要重新授权，这其中的原因可想而知，除了技术难度，还有政治因素，外国卡我们脖子不是一两天的事了，他们是不会放过任何卡我们脖子的机会的。

二、对准系统

超精密对准系统的难度是几个核心技术中相对比较低的，但是注意，只是相对比较低而已，这还要得益于我们的机械领域比较长的积累，这个跟刻蚀机一样，很有难度，但没卡住我们。

三、光源系统

年，ASML推出了型号为NXTi的至尊版DUV光刻机，其套刻精度已经达到5纳米工艺节点所需要的精度，所谓套刻就是通过反复光刻来达到想要的尺寸，但工艺复杂度和良品率远不如EUV，所以如果ASML没有推出EUV，用至尊版DUV，今天还是能生产出5纳米的产品，只是成本会贵上不少。至此，纳米的DUV的极限已被榨干。

而EUV的光源系统的难度级别比DUV提高了很多，13.5纳米的极紫外光，再过去一点就是严格意义的x射线了，需要通过高功率的二氧化碳激光器激发熔融态锡滴，发生非线性多光子吸收后再通过自发辐射发出13.5纳米光波，就这个13.5纳米的光，全世界目前也找不出一种光学材料能够折射它，首先折射率基本都接近于1了，其次如此高能量的光子，还没穿透就被吸收了，甚至连空气都能把它吸收，所以EUV光刻机里必须抽真空，因此EUV里无论是收光系统还是物镜系统，全都是采用镀有多层钼硅干涉型光学膜的反射镜，而不像DUV一样还可以使用折射透镜。这个说起来很简单，其中原理并没有超出我们认知，但做不做得出来才是关键，是真的超级难。

实际上EUV用来光刻的光不是激光，而是由激光激发的二次发光。我们都知道，极紫外光很难获取，目前主要有4种方案，这里我们简单描述一下。

第1种光源技术是同步辐射源，高速带电粒子在磁场左右下会发射电磁波，因此可以利用这一特性来产生极紫外光波，但是要让粒子辐射满足要求的光波，必须要接近光速，大家想想粒子加速器是多么巨无霸，所以其系统太复杂，体积非常大。

第2种光源技术是激光等离子体，用几万瓦瞬时功率的激光轰击等离子材料，比如熔融的锡滴，锡滴会被激发出极紫外光，再用一个弧形反射镜来收集这些光。

第3种光源技术是放电等离子体，把金属，例如锡，涂覆在电极两端，加高压，这样两极之间也会产生等离子体，并且会发生箍缩效应，简而言之就是这些等离子体因为某种效应能量变得比较高，产生自发辐射，从而发出极紫外光。但是这种方法会产生锡的废屑，可能飞得到处都是，所以要在光学元件和电极间加一个阻隔。

第4种技术叫做激光辅助放电等离子体，就是第3和第4种方法的结合。

以上4种方法，第1种无法实现小型化；第3种，不仅光源本身易损坏，而且可能损坏其他光学元件，也不是很稳定；第4种，因为要结合第3种技术，所以第3种有的问题，它也有；综合来看，第2种的激光等离子放电是最可行的方案，ASML正是采用这种方法。虽然我们知道了结论，大家不要以为这个很简单，仅对靶材锡的使用方法，就做过很多的研究，例如用熔融锡滴的形式，就连锡的几何形状对效率也有影响，最后才总结出圆球形的液滴状是最好的，但是这个探索过程长达十数年。

我们再来看看光源的产生，第一束激光先把锡滴打散成雾状,也就是更精细，然后第二束主激光再打上去，锡滴彻底电离，发出极紫外光，这时候转化效率最高，但这也增加了制造难度，目前EUV光刻机中正是采用了该方法。

四、反射系统

由光电效应我们知道，光子能量越高，粒子吸收光子时能跃迁的能级就越多，因此能被各种物质吸收的概率也越高，到了极紫外光，连空气都会把它吸收，更别说玻璃之类的。为了不让光被吸收，肯定不能用折射系统，那只能用反射系统，普通的金属反射镜也是不行的，而且光学系统有好多块反射镜，如果反射率低了，那反射到后面能量就没了。那有什么好办法呢，利用光学干涉加强的特性，可以让反射率变高，而且可以镀介质膜，通过高低折射率搭配的膜层，就可以让反射率变得很高，而且膜层数越多，反射率越高。

因此EUV多层膜反射镜，作为光学系统的重要元件，成为了EUV光源的一项关键技术。科研人员们通过研究发现，采用钼Mo和Si多层膜制备出的反射镜，对中心波长为13.5纳米、光谱带宽在2%以内的EUV光，反射率可达70%。通过将Mo原子和Si原子交替排列，可使13.5纳米的EUV光在其中发生干涉，从而得到较高的反射效率。所以EUV中的镀膜技术其实是很难的，并不是因为不会设计，而是对工艺要求实在太高，

我们再来分析一下反射率的问题，13.5纳米的光波在最先进光学干涉薄膜的加持下，反射率也只能达到70%，而EUV光刻机的光学系统分为四个部分，我们来看一下总共有几个反射面，EUV收集系统一个，照明系统四个，掩模板一个，成像系统六个，一共12个，最后总反射率为1.38%,也就是2%不到的效率，所以还得把激光能量加大，这就是为什么需要大功率激光的原因。如果反射率能够到90%，那对激光功率的要求就降低为原来的一半，但相比于提高反射率，增大激光功率看起来更容易实现，还有一个方法就是降低反射镜的使用数量，不过要达到EUV的光刻要求，这已经是设计的极限了，4反的物镜系统还达不到要求，8反、10反的对激光要求又要提得更高。加上光刻胶对光能量的要求，以及锡滴的转换效率，那么我们就可以得到对激光器功率规格的要求。

五、碎屑处理

最后一个关键的问题是碎屑问题。激光和锡的反应其实是比较激烈的，因为激光是高能激光，锡是等离子态，等离子一般都是由高速带电粒子组成的，因此一些粒子会在此反应中被“溅射”出来，比如熔融的锡滴、微粒簇，高速带电粒子，低速能粒子，中性粒子等。由于“溅射”的熔融锡滴、微粒簇没有参加反应，这些都会影响转换效率；而高能粒子和低能粒子都会对光学元件产生物理性的破坏。为了对付这些碎屑，科学家们又想了很多办法。

比如微米以上大一点的碎屑，可以通过上面说的双脉冲方式解决；

比如加入磁场后，离子的“溅射”明显减少，这是因为带电离子受磁场约束影响；

比如对付中性粒子，冲入惰性气体后也能得到很好的缓解，同时对离子碎屑和其它碎屑都有缓冲作用。看到这里是不是感觉快要疯了。

这还没完，再比如掩膜板就是底片，在掩膜台上运动控制精度必须是纳米级别的，稍有偏差成像就会有问题。多次折射不能出现偏差，最终达到纳米级别光刻精度，所以镜片的纯度、打磨的难度和组装难度可想而知，而在生产的过程中，人类又成了最大的污染源，普通人每天要代谢，10亿个皮肤微粒，所以无尘车间的要求同样极高。

在如此高难度下，没有任何一家公司可以独立完成所有环节，即使ASML，其核心优势也只是在设计和组装校准，10多万个零件绝大部分都是外包，比如光源采用美国的Cymer，透镜是德国的蔡司。

一个看似简单的原理，在超高精度的制约下，需要结合光学材料、控制、电子、机械、化学等最顶尖的技术，才能最终完成这个人类历史上几乎最精密的机械。

#EUV光刻机#

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