浅谈“卡脖子”之一：光刻机

光刻机在集成电路中有着重要的作用，尤其是高端光刻机。集成电路产业是信息技术产业的核心，集成电路的应用无处不在。是“现代工业的粮食”，是物联网、大数据、云计算等新一代信息产业的基石。

光刻机是集成电路“IC，芯片”制造的核心装备，它决定了IC的性能——CPU的运行速度、存储器的容量等。

光刻机的功能：在照明系统形成的特定照明光瞳、偏振模式与照明光场照明下，掩模图形通过投影物镜被准确成像于硅片面制定位置的光刻胶层上，即实现IC图形的曝光复制。

光刻机的核心指标：

光刻分辨率：与曝光光源、照明系统、投影物镜等有关

套刻精度：与照明系统、投影物镜、掩模台/工件台有关

产率（良率）：与激光器功率、照明系统透过率、掩模台/工件台运动速度有关

目前制造IC的主流光刻机（IC光刻机）是采用紫外汞灯（波长：365nm）、深紫外准分子激光器（248nm-KrF激光器、193nm-ArF激光器）与极紫外光源（波长：13.5nm-EUV光源）的步进扫描投影光刻机；随着曝光波长的缩短，光刻机的光刻分辨率逐步提高

。在Moore定律驱动下，IC的分辨率越来越高，单位像素生产成本越来越低，还需要不断引入新的光刻技术：缩短曝光波长、提高NA、采用分辨率增强技术。

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登.摩尔（Gordon Moore）于1965年首次提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进度的速度。

目前高端光刻机及其部件相关技术仅被少数国外公司（ASML/Zeiss/Cymer/Nikon/Canon）掌握，并对我国实行严格的技术封锁，是“卡脖子”技术。在激烈的技术与市场竞争中，荷兰ASML公司的产品独占鳌头，其销售份额在全球占80%以上，Nikon、Canon逐步退出高端IC光刻机市场，转而发展先进封装、MEMS、显示器光刻机市场。

ASML公司目前生产与销售的主要光刻机型号

 汞灯i线：365nm
 KrF准分子激光器：248nm
 ArF准分子激光器：193nm
 EUV光源：13.5nm

ASML公司193nm浸没式光刻机采用ArF准分子激光器作为曝光光源的浸没式光刻机从XT:1700i、XT:1900i、NXT:1950i、NXT:1960i、NXT:1970i、NXT:1980i、
NXT:2000，一直发展到NXT:2050i，以及未来的NXT:2100i…..，其性能不断提高，光刻分辨率从45nm推进到38nm、28nm、22nm、16nm、7nm，甚至5nm，显示出强大的生命力 。

光刻机及其部件技术仅被少数国外公司（ASML/Zeiss/Cymer、Nikon）所垄断，且对我国严格封锁，是“卡脖子”技术；
 装备投资是IC生产线的主要投资，资金占比超过70%，而光刻机占20%以上
 1条28nm产线投资额为50亿美元，1条20nm产线投资额为100亿美元

那么IC光刻机和曝光机有什么区别：

 除了IC光刻机外，还有基于其他工作原理的“光刻机（曝光机）”，如“3D结构直写光刻机”，本人建议把名称改为“3D结构直写曝光机”。这与大家熟知的IC制造光刻机完全不同，直写曝光机主要用于微纳光电子器件等非IC器件（泛半导体）的制造。

 直写曝光机主要基于聚焦激光直写、双光束干涉直写、全息曝光 等曝光技术而不是基于从掩模到硅片面的“投影成像技术”，与IC光刻机完全不同；主要用于微纳结构光电子器件等非IC芯片（泛半导体）的图形曝光， 不适合规模化要求极高的IC量产制造。

 直写曝光机与IC光刻机相比存在多项显而易见的劣势：

 分辨率低——即使采用超分辨技术最高也只能达到百nm-几十nm量级光刻分辨率；

 套刻精度低——不适合多层图形曝光；

 产率低——采用单个或多个聚焦激光束扫描曝光，速度低（不是大面积图形的曝光复制）；

 成品率低——曝光所得图形质量低，如图形边缘粗糙度大、侧壁陡度小、缺陷多，不满足IC制造中后续刻蚀等工艺的要求。

我国光刻机发展情况：

我们知道，芯片被誉为信息产业的基石、现代工业的粮食，芯片及其制造技术、装备是中美贸易摩擦的首要目标。

目前我国是芯片用量大国，但高度依赖进口，约为石油进口额的2倍。
 2020年，芯片-3500.4亿美元，石油-1763.2亿美元，铁矿石-1189.4亿美元
2020年，我国芯片自给率约为15.9%，而总部位于中国企业生产的芯片价值占比仅为5.7%，发展空间巨大。