制造一台光刻机，究竟有多难？
The following article is from 科学大院 Author 王智豪
FUTURE | 远见 闵青云 选编
在通讯和网络相关领域中，芯片起着至关重要的作用。由于众所周知的原因，大众对于芯片制造行业越来越关注。
图片来源：veer图库
我们常说的芯片也就是集成电路，是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件「集成」在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，这种复杂的电子系统能执行特定功能。而纵观整个芯片制造流程，其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。
为什么是7nm
「10nm」「7nm」「5nm」这些词大家想必都不陌生。2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。（但是成功研制刻蚀机并不代表我们就有能够制造7nm制程的芯片的实力，原因后面会讲到。）
这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓7nm的光刻机呢？
芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。
「7nm」中的数字最初指的就是晶体管中的沟道长度，它也是区分半导体加工技术换代的重要标志（当然现在的命名更多的是代表技术迭代，其实是要长于7nm的）。想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。
光刻的原理非常简单，和胶片相机的原理很相似。光线通过刻有电路图案的板子（我们可以叫他掩模版），硅片上的光刻胶曝光，曝光后的光刻胶会发生性质变化，从而将掩模版上的图案复制到硅片上。原理简单，难的是如何实现更精确的光刻。
光刻不难，难的是更精确地光刻
光刻机种类主要分为三种。
第一种是接近接触式光刻，这也是结构最简单的光刻机。将掩模版与被刻基片尽可能接近，然后紫外光会对光刻胶进行曝光。它最大的问题在于：如果要制造芯片，就必须制作同等精细度的掩模版（变成了套娃）。此外掩模版可能与光刻胶直接接触，可能对芯片造成污染。因此这种光刻机只能达到微米级。
第二种是直写光刻，直写光刻就像是打印，直接用强激光束将所需电路一点点刻出来，听到这里你可能已经发现了它的缺点，太慢了。纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低，不适于工业化制造。
第三种是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻，它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。和直写光刻的打印过程不同，光学投影式光刻就像是复印，掩模版上的图案经过光学系统投影后被缩小，再曝光到硅片上，就能实现最小纳米级的雕刻工艺。但是光学投影式光刻机问题是结构复杂，价格昂贵。
光刻机种类 | 图源：科普中国
如何实现更精确的光刻呢？这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。提高分辨率不仅要在理想情况，追求衍射极限；还要面对实际，尽量减小像差。
光学设计难题一：追求衍射极限
如果我们在物体上取两个相近的点，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。
要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于
瑞利判据 | 图源：光电学堂
根据瑞利判据的公式:
方法一：减小光源波长
光源的波长越小分辨率越高，但是制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。随着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。但是，氩（Ar）是典型的惰性气体，与几乎所有物质都不发生反应，只有氧化性最强的氟（F）元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子，难度可想而知。
目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。想激发出极致波长的光源，自然需要极致的办法。
光刻机采用的方法是激光等离子体型光源，即利用高功率的激光击打金属锡，产生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。其实这种方法很久之前就被证实，但是起初用的是锡板，而且只用激光激发一次，产生的光源强度很低，无法作为光刻的光源。经过十几年的研究，科学家诞生了一个天才的设想，锡板不行那用熔化的锡，一次不行，就打两次。锡金属被熔化形成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由下落。在下落过程中，首先是193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，并激发出EUV。下面是ASML的EUV宣传视频，真的太震撼了。
EUV的诞生 | 来源：ASML宣传片
仅仅是产生光源的难度就令人难以想象。首先两次光源需要准确击打到正在自由下落的金属液滴中，难度就好像用乒乓球击打空中的苍蝇，还是两次。而且激发产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟激发约50000次。此外，高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也是相当大，所需电源功率达到了200kW。那么如此高功耗的光所激发的极紫外光的功率多大呢？大约210W，效率只有5.5%，这还是经过数次技术的迭代实现的最高水平，要知道最初的发光效率仅有0.8%。
EUV每秒钟激发50000次 | 图源：ASML官网
有一些同学会问，x射线波长更短，为什么不用x射线做光刻的光源呢。确实x光做光源可以实现非常窄的刻蚀，但现在的相关应用更多用于直写光刻，效率不高。最大的问题在于它的穿透性太强了，用普通透镜无法进行放大缩小，因而无法实现光学投影式光刻。
方法二：提高数值孔径
人们能采取的方法主要就是改变环境的折射率（折射率越大，数值孔径就越大），于是浸入式光刻机应运而生。浸入式光刻概念其实早就有了。1999年，IBM使用257nm的浸入式干涉系统制作出精度89nm的图形，但未进行深入的研究。
2002年以前，业界普遍认为193nm的光源无法实现65nm的分辨率，而157nm光源将成为主流技术。然而，157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光能，只有CaF2 勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头精度很难控制，难度极高，价格也相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短，频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。
正当众多研究者在157nm光刻面前踌躇不前时，中国台湾人林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波长下是不透明的液体，但是对于193nm的波长则是几乎完全透明的。并且水在193nm的折射率高达1.44！如果把水当作相当理想的浸入液，配合已经十分成熟的193nm光刻设备，那么设备厂商只需做较小的改进，就可以实现更小的分辨率。相比于真空介质下分辨率只能达到65nm，浸没超净水介质的光刻机理论上可以达到22nm甚至更低的分辨率。
现在人们正在寻找除水以外具有更大折射率的液体。但这种液体要求非常严格：与光刻胶没有反应，光透过率高，折射率高，还要稳定。目前已研发出的第二代浸入液的折射率为1.64。
你可能觉得把整个光学系统浸没在水中很简单，但其实它有很多复杂的问题需要解决：浸入液如何充入、会不会对镜头造成污染，光刻胶在液体中的稳定性，会不会产生气泡，液体如何保证高纯度等。科学家解决了这些所有问题，才让浸入式光刻机目前成为芯片生产中最广泛使用的光刻机之一。
光学设计难题二：精确成像
在现实中，除了要尽力追求衍射的极限，还要严格控制像差。
像差可以理解为理想的成像与实际成像的差距。控制像差一般需要很多透镜共同作用，例如一个单反镜头有五到七枚透镜共同成像。那光刻机需要多少枚镜头呢，答案是29枚。
近60个光学表面，最大直径达到80厘米，500kg的重量，组成了DUV光刻机的投影物镜。并且每一枚镜头的平整度非常高，如果将镜头放大到中国东西距离那么大的直径，加工产生的高低起伏误差比乒乓球直径还要小。所有的镜头都只是为了尽可能完美地成像，将掩模版精确地复刻在芯片上。
DUV光刻机投影物镜 | 图源：光学系统Layout
DUV光刻机 | 图源：ASML官网
EUV光刻机难度更高了。极紫外线又称为软x射线，听名字就知道，它的穿透性也很强，因此DUV所用的透射式系统无法使它偏折。对于这么难搞的光源，我们只能使用全反射的投影系统。此外波长越短的光，越容易被吸收。几乎任何物质对于EUV都是强吸收，甚至空气都能吸收它的能量，因而整个光刻间都要处于真空状态，以尽量减少光能的损耗。
EUV全反射投影系统 | 图源：ASML官网
EUV所需要用到的镜子是具有极高精度的钼/硅反射镜。反射镜需要多精准呢？
首先它不仅需要提高对EUV的反射，还能吸收杂光。因此它上面镀了四十层膜，主要是钼和硅的交替纳米层制作的。其次是平整度，它的表面需要几乎完美的光滑与干净，每个原子都要在正确的位置，比DUV更离谱，如果将反射镜放大到地球这么大，那它上面只能有一根头发丝直径的小凸起。别忘了这还是镀数十层膜后的光滑度，意味着每一层膜都要更加平整。这可能是宇宙中最光滑的人造结构了。
即使是这样的镀膜水平，每个镜片依然会对EUV有30%的吸收率，而整个反射系统需要十一枚反射镜，因此真正用于光刻芯片的光强只剩下2%。
除了光学，还有其他挑战
上面描述的内容是否让你感到震惊?但这只是光学设计部分，还有大量挑战极限的事情。
比如镜片吸收光会产生热量，因而要对系统进行冷却，那如何解决过程中的振动导致精度问题呢?高分辨率的光刻自然需要高分辨率的光刻胶，如何制备呢？锡微流体如何精确控制大小与流速？整个体系如何确保高精密的机械控制？如何保证整体的可靠性呢？
这一切问题都需要系统中任一部分完美配合才能达到，因此EUV光刻机要比你想像的大——大约一辆公共汽车那么大。整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆。每台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车——卖家是不可能包邮的（狗头）。
而且，要制造芯片仅有一台光刻机可不够，它的工作环境非常挑剔。首先光刻需要的房间全部为纯净的黄光，因为短波长的光会造成光刻胶变性，无法实现功能。因此黄光对于光刻，就像暗房对于胶片一样。此外，光刻所需的无尘环境要求每立方米的空气中不能有超过10个颗粒，并且颗粒大小小于0.5微米，每小时要净化30万立方米的空气。厂房对地基要求也很严格，不能有任何微小的振动，因而某种意义上讲厂房需要类似「悬浮」。光刻需要的电能也达到非常恐怖的量级，一台EUV工作24小时，耗电量达到3万度。
EUV光刻机 | 图源：ASML官网
于是你现在知道了，为什么我们拥有了7nm的刻蚀能力，也不等于能够制造7nm的芯片。
毫不夸张的说，光刻机是在挑战人类文明的极限，是人类工艺的巅峰之作。
结语
现在让我们思考一个问题，国产光刻机及自研芯片的前路在哪里呢？
根据前面的科普，大家或许能了解制造光刻机的难度。光刻机目前不是任何一家公司或者国家能够独立研发的，ASML的全球供应商达到了五千家，遍布世界各地。由于《瓦森纳协定》，美国限制对于中国的光刻机出口，中国只能进行自主研发的道路，这将是一条充满荆棘的道路。
但是正如钱学森先生所说：外国人能搞，我们中国人就不能搞？原子弹如此，光刻机也如此。甚至连ASML总裁皮特韦尼克都说：只要15年，中国就可以自主生产，届时ASML将失去所有的中国市场。制造光刻机的重任肩负在年轻人身上，我们要不辜负上一代人的期盼，大众也要对国产芯片产业的未来充满信心。
参考文献：
[1] 美国专利-US20100323299A1 文献-光学系统Layout
[2] 美国专利：US20070070322A1 文献-光学系统Layout
[3] ASML公众号
[4]https://www.asml.com/en/technology/lithography-principles/light-and-lasers
[5]http://www.coema.org.cn/study/li/20190220/142629.html
作者单位：中国科学院长春光学精密仪器与物理研究所
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