光刻機——人類工業設備皇冠上的明珠！

(資料圖片僅供參考)

光刻機現在大家都知道是半導體設備最高端的設備，有著“人類工業設備皇冠上的明珠”的美譽，一臺高端的光刻設備售價是幾千萬美金，甚至到幾億美金，堪比一架飛機的售價。

有人從字面意義上去理解光刻機，總以為是類似激光設備，在硅片上“刻”一些復雜的電路，其實這種理解是錯的，光刻機更準確的叫法應該是“曝光機”。

從原理上來講，光刻機并不復雜，本質上就是一個大型單反相機，它的工作是把掩膜板的圖形，經過一定比例的微縮后投影到硅片上，完成圖形化的第一步。由于目前晶體管最小尺寸，以及到了史無前例的幾納米水平，因此對光刻機的投影精度要求之高，分辨率之小，堪稱史上最變態。從技術難度上而言，光刻機的研發難度不亞于原子彈，甚至有過之而無不及。

而且光刻機和原子彈最大的區別是，原子彈有就行了，沒人會在意成本，畢竟原子彈存在的意義就是和對手有對等的核威懾能力，又不會買賣，誰會在意原子彈的成本？

但是光刻機它是工業設備啊，一款設備最核心的問題是你得好用，能幫客戶賺錢的設備才有它存在的意義?。。。〔荒苜嶅X的設備，客戶是無法接受的！??！

盡管國產光刻機在某些參數上已經追上國外同款，但是從幫客戶賺錢的角度而言，還需要不斷的迭代和改進，還有很長的路要走，期待這一天的早日到來。

畢竟設備又不是只用一次，不僅要效率高，還得有十年如一日的穩定性，這就是實驗室樣機到真正工業設備的漫漫長路。

在光的世界里，容不得半點誤差，任何瑕疵都將影響最終成像質量，導致成批的晶圓直接報廢，損失是巨大的。光刻機鏡片制造商德國蔡司曾經做過一個比喻，假如鏡片有德國這么大，那么鏡片的高低誤差只有正負一微米！只有這樣鏡片組，才能誕生人類世界最精細的光！

相信“國產最精細的光”也能在將來實現！

光刻三板斧

有人比喻光刻機的投影系統，相當于把一枚硬幣圖案的投影到月球上還能保持清晰。

為了實現這極其變態的縮影要求，蔡司光學設計大牛們，經過反復的理論計算，最終在DUV光刻機系列上設計了這種準對稱雙高斯光路結構來保證畸變和像質。

蔡司Starlith 19i系列鏡頭模型

在實際工作過程中，DUV光刻機所使用的193nm波長的深紫外光波長已經非常短了，如此短波長的光線每次穿過透光性再高的材料時候，依然會有部分能量被吸收，這部分損失的能量并不會消失，而是積累在鏡片上，因此鏡片的會因為長期工作積累熱量而導致變形，最終導致成像精確度出現變化，影響光刻的良率，這當然是不能忍受的，要是知道光刻機要變成印鈔機，就必須保證工作中極強的穩定性，以及投影效果的一致性。

早期至今的各個型號的光刻機投影系統

因此為了保證長期工作下積累的熱量不影響投影效果，不僅鏡片使用了特殊的晶體材料——氟化鈣，同時鏡片上會有特殊的涂層吸收多余熱量以達到控制鏡片變形，同時物鏡外部還加上各種冷卻系統及時把熱量排出去。

在光學鏡頭系統上還需要配備熱效應仿真軟件，進行實時校準功能，及時調整鏡片的位置和形變來進行校準和補償。因此部分鏡片被設計成可以移動的部件，配合系統量測結果和算法，實時微調鏡片之間的距離，來補償其他誤差，保證最終投影的焦點，始終精準落在硅片表面，并形成清晰的圖像。

同時在每次曝光之后，晶圓也要拿去做檢測，確保成影的圖像是符合設計要求的。

在光學檢測領域也有一家公司也叫“愛馬仕”——Hermes Microvision，HMI中文名漢民微測，這家“光學愛馬仕”在2016年的時候被ASML收購了。

有了它，ASML實現光刻“三板斧”，計算光刻，光刻，量測。所以ASML并不是簡單的光刻機制造商，而是圖形化解決方案供應商！

ASML收購了Brion(睿初科技)有了計算光刻OPC（光學臨近修正）能力；光刻，ASML自己有光刻機；量測方面有ASML Yieldstar和HMI的相關設備，其中HMI提供電子束方案，Yieldstar提供光學方案。

OPC光學矯正

因為有了在線量測技術，ASML做出了TWINSCAN系統(雙工件臺)，可以做到一邊做量測的準備工作，一邊做曝光，系統效率大幅上升。尼康受制于專利和技術，一直是單件臺方案，量測曝光同時在一片硅片上進行，結果在競爭中一落千丈。

可見高端的半導體圖形量測也是芯片制造過程中重要的一環！

明場與暗場

在芯片制造過程中，有大量的量測工作要做，看關鍵工藝是否符合指標，包括晶圓缺陷檢測，關鍵尺寸，套刻精度，膜厚等等，于是各種各樣的量測方案和設備就出現了。

來自中科飛測資料整理

從實際情況講，現階段的前道工藝中的檢測手段主要包括電子束和光學兩大技術路線。

從ASML這樣的光刻圖形化工藝解決方案商到晶圓工廠，各種各樣的量測方案基本都基于這兩種技術路線。

相比之下，光學檢測方案具有速度快，無接觸，兼容性好，容易集成等優點，在實際應用中多于電子束路線。

基于光學的路線，又分明場和暗場兩個系統。

明場（BF）和暗場（DF）的區別在于一個是透射束成像，一個是衍射束成像。二者在照明方法、成像原理等方面存在較大差異，技術難度上也有一定差別，整體而言明場系統對照明光束物理特征、成像系統、信噪比等方面的要求更加嚴格。一般來說，無圖形晶圓的缺陷檢測多用暗場系統，有圖形晶圓的缺陷檢測使用明場系統或是二者的結合。

兩者都是芯片檢測手段的一種，根據實際情況，通常會使用組合方案，盡可能的實現檢測準確性。

整個前道量測設備的市場規模并不小，一般在整個半導體設備中占10%-12%，2022年大約是100-120億美金左右的市場規模。是在高階制程的fab廠里，高端量測檢測的設備投資占比可能更大，畢竟28nm以下高階制程的工藝步數突然增加，達到甚至突破2000個steps！在如此多的工藝步奏下，顯然檢測環節變得更加重要，它是幫助晶圓廠控制良率的關鍵，因此檢測環節大增，對應的檢測設備用量也比普通成熟制程的要大。

相比之下，這些年國產設備在前道工藝設備上取得了長足的進步，在刻蝕，薄膜沉積，清洗，涂膠顯影，CMP，離子注入，熱處理，電鍍等環節均實現國產突破，甚至部分領域已經能與國外巨頭有一爭高下的實力。

但是在高端量測領域差距還是很大，KLA，ASML，日立，AMAT等公司依然占據超過95%以上的市場份額，特別是KLA，一家就占了一大半，不愧是世界級半導體公司，其地位難以撼動，而國產檢測設備公司，堪堪邁過0到1的階段。

之所以，國產量測設備到現在才將將突破，主要是量測設備的技術含量非常高，有著“小光刻機之稱”，其部分技術特點和難度，真的能媲美光刻機，而且售價也非常高昂，一臺高端的明場缺陷檢測售價高達數百萬至上千萬美金，高于刻蝕和沉膜一個檔次，價值可見一斑！

誰能勝出？

差距就是動力，這些年國產檢測設備也在不斷努力突破，包括精測，睿勵，中科飛測，東方晶源，御微，優睿譜，埃芯，中安等，以及通過收購相關資產進入這個領域的如賽騰，天準等。

這些公司各有所長，有些擅長明暗場系統，有些專注電子束，有些專注缺陷，有些主打膜厚，如百花爭艷一般，在不斷努力提高相關國產設備水平和國產化率。

最近精測電子表示，公司的深圳控股子公司精積微收購1.73億元訂單。

根據業內人士透露，應該是明場缺陷檢測設備，能對標KLA 2910/2915系列，可以用于28nm制程的相關前道檢測，而缺陷檢測也是前道量測設備中最關鍵的，占到55%左右。可以幸喜的看到國產設備在這個了領域終于有了重大突破。

KLA官網資料

結語

有著“小光刻機之稱”的前道量測設備，一直是我們的弱項，起步晚，底子薄，國際巨頭在這個領域積累多年，像一座難以逾越的的大山橫在面前，但是隨著國內同仁的不斷努力，終于實現了0到1的重大突破。

希望有更多的國產設備公司能夠在各個領域百花齊放！

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