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利用相移光刻掩膜版監(jiān)測光刻機臺焦距。

今年3月，有日本媒體報道稱，日本二手半導(dǎo)體設(shè)備特別是光刻機設(shè)備正大量流入中國，且價格大幅上漲，漲幅可達(dá)300%以上。就在月初，中芯國際宣布與荷蘭光刻機巨頭阿斯麥（ASML）采購協(xié)議，曾沖上微博熱搜。中芯國際在公告中披露了此前的購買金額，在2020年3月16日到2021年3月2日期間，中芯國際共使用12億美元購買光刻機。

光刻機究竟是什么？為什么中芯國際要花12億美元購買光刻機？中國何時能擁有自己的光刻機呢？

一、光刻機是什么？

光刻機是半導(dǎo)體生產(chǎn)制造的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，也是決定整個半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝水平高低的核心技術(shù)機臺。半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展都是以光刻機的光刻線寬為代表。光刻機通常采用步進式（Stepper）或掃描式（Scanner）等，通過近紫外光、中紫外光、深紫外光、真空紫外光、極短紫外光、X-光（X-Ray）等光源對光刻膠進行曝光，使得晶圓內(nèi)產(chǎn)生電路圖案。

從原理上講，光刻機的核心就是制造一個放大的透光的模子，把想要的電路印在模子上面，光通過模子照射在硅片上面，就能將電路復(fù)制到硅片上。

ASML公司制造的極紫外光刻機

光刻機的作用是制造精密的芯片。根據(jù)摩爾定律，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。如今，相鄰的兩個晶體管之間的距離僅有幾個納米。在如此小的尺寸下進行精密的操作是非常困難的，所以技術(shù)人員們使用放大的方法，在更大的尺寸上進行操作。而放大的方法就是利用光。光刻機的作用，就是利用光刻機發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上的圖形復(fù)印到薄片上，使薄片具有電子線路圖的作用。

通俗的說，光刻機工作其實類似于照相機照相，只不過照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

光刻機的原理/搜狐 

光刻機的發(fā)展十分迅速。光刻技術(shù)于上世紀(jì)60年代開始起步，在五十年的時間里，光刻機從一項各大芯片公司可以自主制造的機器，變成了只有少數(shù)公司能掌握的尖端科技，就是因為在技術(shù)發(fā)展的瓶頸期，只有少數(shù)的公司在技術(shù)上完成了突破。這些公司完成技術(shù)上的突破后便能進一步提升了光刻機的性能，而其他公司生產(chǎn)的光刻機就逐漸被淘汰。

光刻機的發(fā)展主要集中在兩個技術(shù)方面。

首先是掩膜與晶圓的接觸方式在不斷改變。最初的掩膜是1：1尺寸緊貼在晶圓片上，這種光刻機也被稱為接觸式光刻機。之后，光刻機經(jīng)歷了從接觸式光刻機、接近式光刻機、全硅片掃描投影式光刻機、分布重復(fù)投影式光刻機到目前普遍采用的步進式掃描投影式光刻機的發(fā)展歷程，光刻機的結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，制造的精度也逐漸提高。

其次，光源采用的波長也在逐漸減少。根據(jù)瑞利判據(jù)，一個光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨的尺寸正比于光的波長。所以想要分辨更小的尺寸，就需要光源發(fā)出波長更短的光。隨著光的波長不斷縮短，光刻機制造的芯片也更加精密。

ASML光刻機的發(fā)展 / 資料來源：ASML

光刻機目前技術(shù)的難點就在于如何產(chǎn)生短波長的光。193nm的深紫外光的技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，甚至已經(jīng)運用于醫(yī)療方面。但人們在縮短這種光時遇到了困難，如何繼續(xù)升級困擾了整個業(yè)界。直到EUV技術(shù)的出現(xiàn)，它運用193nm的光的脈沖去擊打金屬錫，便激發(fā)出了13.5nm的光波。同時為了保證產(chǎn)生的光的強度足夠大，每個金屬錫會被脈沖擊打兩次，第一次把錫的液滴打平，擴大打擊的面積；第二次再把光激發(fā)出來。這樣產(chǎn)生的光波長短，強度也足夠。目前，這一技術(shù)被荷蘭的阿斯麥（ASML）公司掌握，他們也憑借這一技術(shù)制造出了最先進的極紫外光刻機。

二、中國有光刻機嗎？

中國的光刻機研制在70年代后期起步，初期型號為接觸式或接近式光刻機。在1985年，中國機電部完成第一臺分步光刻機，采用436nm的光源，技術(shù)與美國1978年的光刻機相近。此后，光刻機的技術(shù)一直在推進，各個時間點均有代表性成果，如1990年中科院研制出工作分辨率為1.25微米的直接分步重復(fù)投影光刻機。在2000年左右，國家啟動了193nm ArF光刻機項目。2002年，上海微電子裝備有限公司承擔(dān)了“十五”光刻機攻關(guān)項目。截至2016年，上海微電子已經(jīng)量產(chǎn)90納米、110納米和280納米三種光刻機。中國的光刻機技術(shù)一直在發(fā)展，并未出現(xiàn)完全停滯的情況。

1977年中國制造的接觸式光刻機 / 知乎 

然而，中國的光刻機技術(shù)與世界頂尖水平有很大的差距。中國研究光刻機過程中有以下困難。首先是技術(shù)落后。中國雖然很早就擁有了光刻機，但技術(shù)水平與西方相差許多。1978年，西方已經(jīng)研制出成熟的分步投影光刻機，而我們才剛剛研制成功半自動的接觸光刻機。而技術(shù)落后這一問題一直持續(xù)到今天。今天我國雖然擁有光刻機，但因為技術(shù)落后，我們?nèi)孕枰獜膰膺M口。其次是政治方面，美國等西方國家利用政治手段阻止中國光刻機的發(fā)展。比如美國就頒布禁令，禁止將高端設(shè)備賣給中國，而阿斯麥公司的極紫外光刻機就處于管制范圍內(nèi)。

三、未來，中國的光刻機之路該怎么走？

雖然中國在研究光刻機的過程中遇到了許多困難，但中國并沒有停止對光刻機的研究。目前，中國在進口外國先進光刻機的同時，也一直在進行自主研發(fā)。

中國研究光刻機的路途雖然充滿困難，但也充滿可能。首先，中國不應(yīng)該“閉關(guān)鎖國”。光刻機作為一項頂尖技術(shù)，已經(jīng)不是一個國家或幾個企業(yè)能完成的工程，必須與全球頂級的光源、光學(xué)、材料關(guān)鍵部件的廠商進行合作。雖然美國對中國的進口施加了重重禁令，但中國擁有龐大的市場，巨額的需求量，這些條件對各大公司都有極強的吸引力，所以這些公司與廠商愿意與中國合作。我們應(yīng)該努力與國外的這些企業(yè)建立合作關(guān)系。其次，中國在光刻機這一技術(shù)上投入更多的資金，并加強對于人才的培養(yǎng)，在進口的同時進行自主研發(fā)，使中國在光刻機方面能研發(fā)出自己的核心技術(shù)。最后，光刻機的研發(fā)不是一個短期的過程，研究過程中切勿急功近利，不能因為失敗或遇到瓶頸就放棄。如能保持以上幾點，中國光刻機的技術(shù)能達(dá)到世界的頂尖水平。

總結(jié)：

光刻機是一種集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理與化學(xué)、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領(lǐng)域頂尖技術(shù)的產(chǎn)物，目前只有ASML一家公司掌握它的核心技術(shù)，它占據(jù)了全球光刻機市場的85%，利潤的107%。中國雖然一直在發(fā)展光刻機，但目前我國的技術(shù)明顯落后，而且發(fā)展的過程中還有許多阻礙。但中國研究光刻機的路途也充滿希望，若中國能nengnennen保持與國外公司的合作，加強人力、財力的投入，保持耐心，中國也能擁有屬于自己的光刻機。

來源: 了不起的中國制造