一个公式打天下，ASML总监讲解光刻机关键技术

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2022-03-18 02:27:16 2

在“追光实验室”上海站启动仪式上，阿斯麦（ASML）中国区总裁沈波笑言，随着近年来半导体的社会关注度上升，ASML已经成功出圈，从一家只有业内人士了解的隐形*，成为*都能谈论几句的网红公司，几乎每天都能看到与ASML相关的报道和话题。ASML中国区技术总监高伟民甚至总结了媒体报道中对ASML的描述，他表示，专业媒体的形象化描述令人印象深刻，这种方式让大众很好理解，专业度也较为到位。

ASML中国区总裁沈波

但毕竟光刻机极其复杂精妙，有人类最复杂精密仪器的美名，难以全部用形象化描述来解读，为了让专业观众更深入了解光刻机原理，高伟民给与会媒体上了一堂技术课。

光刻机工作流程

半导体制造流程很长，前道制造大体可以分为七个环节，即涂胶、光刻、烘烤、刻蚀、离子注入、去胶、沉积，光刻是七大环节之一，也是最重要的一个环节，直接决定了半导体产线能够加工的晶体管尺寸大小（即工艺节点）和产出率。据西南证券收集的数据，光刻环节耗时占晶圆制造全流程的40%至50%，光刻工艺成本占芯片生成成本的30%左右。

图源：ASML年报

据高伟民介绍，光刻环节有三种设备联合工作，分别是光刻机、涂胶显影机和检测机。自动化产线将待加工的晶圆送到涂胶显影机上去涂光刻胶，涂完光刻胶的晶圆被送入光刻机进行曝光，曝光完成后的晶圆需要送回涂胶显影机进行显影，显影完成的晶圆通过检测机检测合格以后进入下一个环节，如果检测不合格，晶圆将被送回返工。

ASML中国区技术总监高伟民

从功能划分上，光刻机大致可以分为光源、光通路、掩膜版、投影物镜和晶圆加工区等几部分。在工作时，光刻机把掩膜版做好的图形通过投影镜，缩小四倍后照射在晶圆上，涂了光刻胶的晶圆发生化学变化，再送回涂胶显影机进行显影。为提高产能，晶圆运动速度极高，光刻机要在高速动态下完成光刻动作，控制精度在1到2个纳米之内，为保证高精度完成光刻动作，光刻机内置了成千上万个传感器，通过大量参数反馈来对光刻动作进行控制。“这是一个非常非常难的机器，难以想象的精密仪器。”高伟民说道。

图源：网络

在《ASML光刻机PK 原子弹，难度？》这篇文章中，就曾形象地描述：现在最先进的EUV光刻机可以做到的“雕刻精度”是7nm，这相当于一根头发的万分之一。在雕刻的过程中晶圆需要被快速移动，每次移动10厘米，可是误差必须被控制在纳米级别。这种误差级别相当于眨眼之间端着一盘菜从北京天安门冲到上海外滩，恰好踩到预定的脚印上，菜还保持端平不能洒。

一个公式打天下

光刻机决定了半导体工艺尺寸，那么什么决定光刻机的加工精度呢？高伟民介绍，ASML在光刻领域的创新，主要从阿贝公式入手。阿贝公式是光学设备分辨率公式，在ASML每个办公室的显著位置，都可以发现这个公式：CD =K1*λ/NA。该公式显示，光学系统最小分辨尺寸和三个参数有关，*个是波长（λ），第二个是数值孔径（NA），第三个是工艺因子或制程因子（K1）。即波长越小，能够分辨的尺寸就越小，分辨率越高；数字孔径越大，能够分辨的尺寸也越小，分辨率也越高；工艺因子越小，可分辨尺寸越小，分辨率越高。

图源：ASML年报

减小光源波长是光刻机提升加工精度的主要技术方向。市场主流光刻机的光源波长，也从1980年代的436纳米（所谓g-Line），缩小到如今13.5纳米的极紫外波长。在光刻机领域，ASML并不是一开始就像现在这样一枝独秀，在g-Line（436纳米波长光源）和i-Line（365纳米波长光源）时代，日本厂商优势明显，进入248纳米光源之后，ASML逐渐追上。

据高伟民介绍，2003年左右，ASML等光刻机厂商还开发过157纳米波长的光源，但由于配套材料不过关，157纳米光源并未投入商用，这反而因祸得福，ASML在193纳米波长的光源上开发出浸润式光刻技术，进一步扩大对日本厂商的*优势。

图源：网络

加大数值孔径是增加分辨率的另一个方向。但镜头尺寸有物理极限，主流光刻机的镜头尺寸已经非常大，再把镜头做大从成本和工程实现上来说都不太现实。但如果改变晶圆光路介质，提高折射率，就相当于扩大数值孔径，这就是浸润式原理。

浸润式光刻机将晶圆的光路介质由空气替换成水，增加了折射率，从而提升了分辨率。

除了波长和数值孔径，ASML还在光源优化方面做了很多研究，以提升光刻机分辨率。计算光刻就是光源优化的重要技术，ASML将之归类为阿贝公式中的K1，即制程因子。针对给定光学图形，ASML光刻机通过计算光刻机技术得出最佳光照形貌，设置微镜阵列将最佳光照形貌投射到晶圆上进行光刻，从而提高加工精度。

跨过理论到工程实现的鸿沟

阿贝公式如此简洁，日本厂商又在光学领域积累深厚，那么ASML是如何在激烈的竞争中杀出重围的呢？在沈波和高伟民的讲解中，大概可以得出答案，即重视研发、勇于尝试、负有使命。

以浸润式光刻工艺为例，原理非常简单，但在工程实现上挑战极大。只是将光路介质从空气换成水，就要考虑几点：如何保证水流过光刻胶不产生杂质和气泡，水流和晶圆高速摩擦产生的热如何散发，怎样均匀化水流的热场......

单是如何将水放置到对应的光刻位置，就是一个极大的技术难题。ASML用气体将水稳定在既定光刻位置，巧妙地解决了这个问题，但在如何让水在气体内流动、气流和水流之间如何平衡、水流如何通过气流散热等技术点上，ASML花了大量的时间才得以解决。

此外，浸润式光刻还需要加大镜头尺寸，以满足水作为光路介质时的应用需求。高伟民表示，和干式光刻的光学系统区别巨大，浸润式光刻的技术改变远比原理实现上看起来要复杂。

双工件台是另一个例子。半导体工艺集成度不断提高，能加工的线宽越来越小，为了保证良率仍能满足大批量工程生产的要求，光刻机在光刻过程中需要进行的参数测量和状态监控越来越多，测试参数增多导致测量时间加长，从而造成产能下降。采用双工件台并行加工是ASML给出的解决方案，在双工件台上，一次进入两个晶圆，一个晶圆做光刻，另一个晶圆做测试，这样就既能满足先进工艺对加工过程中测试测量的要求，也提高了产出率。据高伟民介绍，相比单工件台，双工件台产出率提升了约三分之一。亿

双工件台在工程实现上也有很多挑战，增加一个加工区域之后，整个平台直径约有两三米，这么大的部件高速运动时还要做到纳米级精度，对于运动控制和散热的要求极高，ASML将之前的气动平台改为磁悬浮平台，从而让“大块头”也能灵活运动。

以推动行业发展为使命

现如今，半导体制造不断逼近物理极限，作为半导体制造工艺中最关键的环节，光刻技术发展成为整个行业关注的焦点，在EUV光刻技术上ASML一骑绝尘，长期在无人区探索。如同高伟民所言，“ASML创新到什么程度，决定了产业能发展到什么阶段。”

产业进步靠科技，科技发展靠人才，作为行业领导者，ASML极其重视人才发展，研发投入占到销售额的15%到20%，2020年财报显示，ASML研发投入达到22亿欧元，全球有超过一万名工程师。在中国区的1000多名员工中，工程师比例很高，ASML在中国设有两个研发中心，沈波分享道：“过去的20年来，ASML中国在人才培养上取得的成就，归功于我们独特的人才培养体系和ASML 营造平等、尊重、包容和多元的环境。在帮助员工工作和成长的过程中，无论是项目战略发展，还是职业规划，员工都可以充分表达个人想法，在这里充分挖掘潜能，推动创新产品服务的迭代升级。”

为了让中国*人才参与到光刻技术发展过程中，也为了更好支持中国本土客户，ASML将向全国招聘上百个职位，覆盖*光刻解决方案的各块业务，提供如光刻设备方面的客户服务工程师、现场应用工程师、装机工程师等，计算光刻算法工程师、现场应用工程师、产品工程师等，以及量测检验方面的电子工程师等岗位。

沈波表示，ASML存在的使命，就是去解放产业发展潜力，将技术极限不断向前推进。他说：“通过探索前所未有的技术，去解决人类面临的挑战，如果我们进步，半导体行业就无法进步。”

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