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光刻機|中國突破一項光刻機核心技術，打破荷蘭壟斷，國產光刻機未來可期( 二 )

光刻機asml


光刻機是芯片制造中的核心設備 ， 涉及各種高端先進技術 ， 是半導體制造中技術含量最高的設備 。
光刻機主要由投影物鏡、光源、以及工作臺三個核心系統構成 。
工作臺由硅片臺與掩模臺組成 ， 負責完成步進運動、曝光掃描、對準掃描、上下硅片及掩模等功能 ， 其運動控制性能的優劣直接決定了光刻機最終的分辨率、套刻精度和生產率等性能指標 。
目前世界上做的最好的就是荷蘭ASML的光刻機 。

ASML的硅片臺為 8 軸運動結構 ， 由洛倫茲平面電動機實現水平向3自由度的精密微動 ， 垂向調平調焦運動由3個直流電動機驅動的精密凸輪機構實現 ， 共同組成微動臺 。
大行程粗動臺采用氣浮軸承支撐 ， 由直線電動機驅動使其跟隨微動臺完成水平兩個方向高速、大范圍的運動 ， 掩模臺運動結構與硅片臺相似 ， 只是缺少一個方向的粗動跟隨 。
同時 ， ASML工作臺采用高精度激光干涉儀進行微動臺位移測量并構建閉環控制系統 ， 實現高速、大行程和納米級的超精密同步運動行程和納米級的超精密同步運動 。
光刻機分辨率地逐級提高對工作臺的運動控制性能提出較高要求 ， 光刻技術也面臨著焦深不斷減小的挑戰 ， 需要花費更多時間進行調平調焦和對準以提高精度 。

在2000年之前 ， 普通的光刻設備裝置只有一個工作臺 ， 晶圓片制作中所有的的對準與曝光流程都在同一個平臺上完成 ， 單工作臺每小時可以處理80片 。
直到2001年 ， ASML發明了雙硅片臺結構 ， 一個硅片臺進行掃描曝光的同時 ， 另一硅片臺進行上片、對準、調平調焦、下片等操作 ， 并在第一時間得到結果反饋 。 當曝光完成之后 ， 兩個工作臺再互換位置 ， 如此循環往復實現光刻機的高效生產 。
雙工作臺的處理速度多達每小時270--300片 ， 芯片制造效率提升35% ， 精度提升10%以上 。
雖然相比于單工作臺來說 ， 雙工作臺系統看起來僅僅是加了一個工作臺 ， 但技術難度增加了不少 ， 光刻機雙工作臺對其精度以及其轉移速度都有非常高的要求 。

對準精度與所需要測量的對準標記數量成反比 ， 大量的測量必然會導致工作臺光刻機的生產效率降低 ， 一般情況下 ， 曝光的時間要大于測量校正的時間 。
而在雙工作臺光刻機系統中工作可以保證做更多復雜的測量 ， 但是不會影響產能 。
可以說 ， ASML的這項雙工作臺技術 ， 在保證精度的同時還保證了生產效率 。
二
無奈的“現狀”
中國芯片制造因為光刻機技術的落后 ， 一直遲遲未得到更新 。 我國也早就已經意識到技術被國外“卡脖子”的困境 。
因此 ， 自“八五”以來 ， 我國一直立項追趕國外先進的光刻技術 。 工作臺方面 ， 曾有中國科學院上海光學精密機械研究所 ， 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 ， 清華大學 ， 浙江大學 ， 電子45所等單位進行了跟蹤研究 。
主要結構為氣浮支撐及雙臺疊加的形式 ， 該時期的工作臺技術屬于分步重復投影階段 ， 也是我國目前市場化的主流機型 。
工作原理如圖 。

掩模臺承載刻有電路圖案的掩模 ， 硅片臺則承載需要被曝光的硅片 。
曝光掃描時 ， 硅片臺運動到投影物鏡下方指定的曝光位置 ， 掩模臺運動至曝光光源下方 ， 同步開啟曝光快門 ， 硅片臺與掩模臺繼續勻速相向運動 ， 曝光光源遂將掩模圖案投射至硅片上 ， 工作臺運動到指定位置后 ， 曝光光源關閉 ， 由此完成一次掃描曝光過程 。
該過程要求掩模臺與硅片臺嚴格勻速同步 ， 并保持固定的速度比4：1(由投影物鏡的縮小比例決定) 。

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