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日前，華卓精科正在申請 IPO，這家公司以光刻機(jī)雙工件臺(tái)這一超精密機(jī)械領(lǐng)域的尖端產(chǎn)品為核心，與與國內(nèi)的光刻機(jī)龍頭廠商上海微電子保持良好的合作關(guān)系，并成為其光刻機(jī)雙工件臺(tái)的供應(yīng)商。就技術(shù)水平而言，華卓精科的雙工件臺(tái)接近國際水平。如果能夠順利 IPO，則可以從資本市場融資用于雙工件臺(tái)技術(shù)研發(fā)，為光刻機(jī)國產(chǎn)化替代添磚加瓦。
光刻機(jī)工作原理和組成
通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖（即芯片）。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程?，F(xiàn)在最先進(jìn)的芯片有 30 多層。
附一張 ASML 光刻機(jī)的簡易工作原理圖。
簡單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。
測量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái),也就是本次新聞里說的雙工作臺(tái)。一般的光刻機(jī)需要先測量，再曝光，只需一個(gè)工作臺(tái)，而 ASML 有個(gè)專利，有兩個(gè)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測量與曝光同時(shí)進(jìn)行。而本次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目則是在技術(shù)上突破 ASML 對雙工件臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)壟斷。
激光器：也就是光源，光刻機(jī)核心設(shè)備之一，之前已經(jīng)介紹過了。
光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。
能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。
光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。
遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片。
能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。
掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。
掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是 nm 級(jí)的。
物鏡：物鏡由 20 多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高。
硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫 flat、notch。
內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。
光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)意義幾何
過去，光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，所有流程都在一個(gè)工作臺(tái)上完成。雙工件臺(tái)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行曝光工作的同時(shí)，另外一個(gè)工作臺(tái)可以同時(shí)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提高大約 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻機(jī)，分辨率小于 22nm，生產(chǎn)效率可以達(dá)到 125 片 / 小時(shí)。
雖然看起來僅僅是加一個(gè)工作臺(tái)，但技術(shù)難度卻不容小覷——對換臺(tái)的速度和精度有非常高的要求，如果換臺(tái)速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率；如果換臺(tái)精度不夠，則可能因此而影響了后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開展。
特別是對浸沒式光刻機(jī)而言，由于物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，如何使液體在換臺(tái)使依舊停留在物鏡和硅片之間，不因換臺(tái)發(fā)生流動(dòng)，則是一個(gè)不小的技術(shù)難題。另外，還有避免污染的問題。
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現(xiàn)今技術(shù)成熟的雙工件臺(tái)系統(tǒng)主要是導(dǎo)軌式，驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣浮驅(qū)動(dòng)和磁懸浮驅(qū)動(dòng)。目前，ASML 公司已成功研發(fā)了磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠忽略摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)，其加工速度和精度是機(jī)械式和氣浮式工件臺(tái)所無法比擬的。不僅如此，ASML 公司基于磁懸浮工件臺(tái)的基礎(chǔ)，研發(fā)了無導(dǎo)軌式的平面編碼磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，通過平面編碼器對工作臺(tái)進(jìn)行精確定位，進(jìn)一步提升了精度。
目前，華卓精科的 DWS 系列雙工件臺(tái)主要適用于干式步進(jìn)式掃描光刻機(jī)，可用于 65nm 及以上工藝節(jié)點(diǎn) IC 前道光刻機(jī)。正在研發(fā)的 DWSi 系列雙工件臺(tái)適用于浸沒式光刻機(jī)，可用于 45nm 及以下工藝節(jié)點(diǎn) IC 前道光刻機(jī)。
中外光刻機(jī)差距巨大
光刻機(jī)被稱為人類最精密復(fù)雜的機(jī)器，業(yè)界將其譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術(shù)門檻和資金門檻非常高。也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機(jī)的廠商非常少，到最先進(jìn)的 14nm 光刻機(jī)就只剩下 ASML，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)。
目前，光刻機(jī)領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭 ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達(dá) 80%的市場份額，壟斷了高端光刻機(jī)市場——最先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)售價(jià)曾高達(dá) 1 億美元一臺(tái)，且全球僅僅 ASML 能夠生產(chǎn)。Intel、臺(tái)積電、三星都是它的股東，重金供養(yǎng) ASML，并且有技術(shù)人員駐廠，Intel、三星的 14nm 光刻機(jī)都是買自 ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機(jī)主要也是來自 ASML。
相比之下，國內(nèi)光刻機(jī)廠商則顯得非常寒酸，處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的光刻機(jī)中性能最好的是 90nm 光刻機(jī) ...... 國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口。
這不僅使國內(nèi)晶圓廠要耗費(fèi)巨資購買設(shè)備，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自主技術(shù)的成長也帶來很大不利影響——ASML 在向國內(nèi)晶圓廠出售光刻機(jī)時(shí)有保留條款 ...... 這很大程度上影響了自主技術(shù)和中國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
光源、物鏡目前還無法完全自主化
光源是光刻機(jī)的核心部件之一。在光刻機(jī)改進(jìn)中，所使用的光源也不斷改進(jìn)發(fā)展：
第一代是 436nm g-line。
第二代是 365nm i-line。
第三代是 248nm KrF。
第四代是 193nm ArF。
最新的是 13.5nm EUV。
目前，在集成電路產(chǎn)業(yè)使用的中高端光刻機(jī)采用的是 193nmArF 光源和 13.5nmEUV 光源。
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193nmArF 也被稱為申紫外光源。使用 193nmArF 光源的干法光刻機(jī)，其光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá) 45nm，采用浸沒式光刻、光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)后，其極限光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá) 28nm。
浸沒式光刻是指在物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，由于液體的折射率比空氣的折射率高，因此成像精度更高。因此，也就有了浸沒式光刻的叫法。
而當(dāng)工藝尺寸縮小到 22nm 時(shí)，則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)。然而使用兩次圖形曝光，會(huì)帶來兩大問題:一個(gè)是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個(gè)是工藝的循環(huán)周期延長。因而，在 22nm 的工藝節(jié)點(diǎn)，光刻機(jī)處于 EUV 與 ArF 兩種光源共存的狀態(tài)。
對于使用液浸式光刻+多次圖形曝光的 ArF 光刻機(jī)，工藝節(jié)點(diǎn)的極限是 10nm，之后將很難持續(xù)。EUV 光刻機(jī)，則有可能使工藝制程繼續(xù)延伸到 5nm。
目前，雖然在雙工件臺(tái)上，華卓精科的產(chǎn)品可以用于 65nm 光刻機(jī)，但在光源、物鏡等核心器件上，依然無法完全自主化。光刻機(jī)的國產(chǎn)化工作任重道遠(yuǎn)。
