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光刻機(jī)：超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰
芯片制造工藝主要是在半導(dǎo)體基底上通過氧化、光刻、擴(kuò)散、離子注入等一系列工藝流程，制作出晶體管、電容、電阻等元器件，并將它們互相連起來的加工工藝，而在整個集成電路制造過程中，光刻是最核心、最復(fù)雜的工藝步驟，利用光學(xué)原理在硅片上轉(zhuǎn)移電路圖形，決定了晶體管的最小特征尺寸及密度。
在集成電路芯片制造過程中，光刻工藝的費用約占制造成本的1/3左右，耗費時間占比約為40%～50%。光刻工藝所需的光刻機(jī)是最重要、最復(fù)雜、最昂貴的集成電路制造裝備，被稱為半導(dǎo)體制造的“母機(jī)”，其技術(shù)難度之大、單價之高在全球均屬罕見，又被譽(yù)為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰(zhàn)著人類超精密制造的精度和性能極限。
光刻機(jī)的工作原理，或者說現(xiàn)代芯片制作的基本原理本身并不難懂，這個過程大致包括:
(1)畫出線路圖；
(2)把線路圖刻到玻璃板上，制成掩模(也叫光罩)；
(3)把掩模上的線路圖用強(qiáng)光投射到涂了光刻膠的硅片(晶圓)上，光刻膠被強(qiáng)光照射的部分變得可以溶解，這樣就在硅片上曝光出了線路圖；
(4)對硅片上的線路圖多次使用刻蝕、擴(kuò)散、沉積等工藝做出復(fù)雜的晶體管和電路網(wǎng)絡(luò)。
光刻機(jī)工作原理
荷蘭的ASML公司作為光刻機(jī)技術(shù)的領(lǐng)頭羊，其光刻機(jī)的供應(yīng)鏈橫跨全球，涵蓋了5000家供應(yīng)商。這些供應(yīng)商在光學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)和軟件工程等多個領(lǐng)域，都提供了最前沿的研究成果。多學(xué)科交織的復(fù)雜系統(tǒng)注定了光刻機(jī)技術(shù)范疇極廣，技術(shù)體系和供應(yīng)鏈建設(shè)難度極大。
光刻機(jī)主要技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)鏈
熔融石英：光刻機(jī)實現(xiàn)精準(zhǔn)成像的基礎(chǔ)材料
光刻機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)是其最關(guān)鍵且最復(fù)雜的部分之一，包括照明系統(tǒng)和投影物鏡兩大核心組成部分。投影物鏡是光刻機(jī)中實現(xiàn)精準(zhǔn)成像的關(guān)鍵部件，它的主要作用是將掩模圖形按照一定縮放比例成像到硅片上。投影物鏡的構(gòu)造十分復(fù)雜，通常由多枚鏡片組成，如ASML的DUV光刻機(jī)鏡頭由29片鏡片組成，旨在最大程度消除像差。
EUV光刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)及主要組成系統(tǒng)
其中，折射式投影物鏡鏡頭的材料大多采用熔融石英，少量低端光刻機(jī)(汞燈g-線、i-線)鏡頭除了用熔融石英還會采用氟化鈣和其他玻璃等材料。據(jù)悉，可以提供滿足193 nm光刻等級的熔融石英的廠家僅有德國Heraeus公司、Schott公司、美國Corning公司、德國蔡司公司。
高純石英玻璃：高精密電路圖案的承載者
據(jù)《中國半導(dǎo)體用石英材料市場研究分析報告（2024~2027）》介紹，石英玻璃是光掩模版中的主要基板材料，其采購成本占光掩模版原材料成本90%。光掩模版是液晶顯示器、半導(dǎo)體等制造過程中的圖形“底片”轉(zhuǎn)移用的高精密工具，決定了電子元器件產(chǎn)品精度和質(zhì)量，對于其所使用的石英玻璃材料要求極高，通常采用高純合成石英玻璃作為基礎(chǔ)材料。
按《光刻用石英玻璃晶圓》（標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 34177-2017），石英玻璃基板中Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B等13種雜質(zhì)元素含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和應(yīng)不大于2.0μg/g。其中Li、Na、K這三種雜質(zhì)元素含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和應(yīng)不大于1.0μg/g，單一雜質(zhì)元素含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.5μg/g。
根據(jù)光刻技術(shù)的發(fā)展方向：曝光波長越來越短即從436nm(g線)—365nm(i線)—248nm(KrF)—193nm(ArF)—157nm（F2）—NGL(下一代光刻術(shù))，特征尺寸從技術(shù)上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm等節(jié)點的路線圖，對傳統(tǒng)和主流的光刻技術(shù)中用的光掩�；A(chǔ)材料—玻璃基片的要求也越來越苛刻，436nm—365nm波長范圍用普通玻璃或JGS2型石英玻璃即可達(dá)到要求，對248nm(KrF)—193nm(ArF)波長范圍的DUV光刻不能用普通玻璃作掩�；�，只能用對DUV吸收少的高純合成石英玻璃（JGS1型）方能達(dá)到曝光波長的要求，對193nm(ArF)—157nm（F2）波長范圍得用超高純合成石英玻璃。
合成石英光掩�；宓闹圃焱ǔＪ且許iCl4為原料，在氫氧焰中高溫水解或氧化生成SiO2微粒，沉積熔化形成透明的高純石英錠，按所需規(guī)格將石英錠切割成相應(yīng)尺寸的石英塊，通過熱加工方式形成石英板，經(jīng)過一系列的冷加工如切割、開方、倒角、磨拋等工藝的石英板最終形成光掩模基板。
光掩模石英基板生產(chǎn)工藝流程
目前，國外利用間接合成法制備半導(dǎo)體光刻技術(shù)用石英玻璃光掩�；澹瑴�(zhǔn)分子激光器和光電探測器等領(lǐng)域用石英玻璃透鏡和棱鏡等元件。據(jù)統(tǒng)計，在近年來德國賀利氏、美國康寧和日本信越化學(xué)等國際頂級石英玻璃研發(fā)機(jī)構(gòu)申請的專利中，利用間接合成法制造高端光學(xué)石英玻璃的專利超過其總數(shù)的50％，且逐年增長，以滿足半導(dǎo)體光刻和高能激光技術(shù)等領(lǐng)域?qū)棺贤廨椪�、深紫外透過、弱吸收等更高性能的指標(biāo)要求。
近期光刻集成電路的光掩模相關(guān)研究表明，石英玻璃中特定形式的羥基才有利于紫外光刻工藝，其他形式的羥基反而降低光刻效率，影響超大規(guī)模集成電路的制作。因此，高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)κ⒉ＡУ募兌�、金屬雜質(zhì)和羥基含量都有嚴(yán)格的要求，如何通過改善制備工藝降低氣泡數(shù)量和雜質(zhì)含量是石英玻璃生產(chǎn)企業(yè)的重要關(guān)注點。
摻鈦石英玻璃：極紫外光刻的必選材料
目前，作為最先進(jìn)的光刻技術(shù)，極紫外光刻機(jī)被行業(yè)賦予拯救摩爾定律的使命，是當(dāng)今國際上唯一能夠做到生產(chǎn)7nm及以下制程芯片的設(shè)備，尤其是數(shù)值孔徑達(dá)0.55的極紫外光刻機(jī)單臺售價高達(dá)3億美元。因此，開展極紫外光刻技術(shù)研究是國際集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
極紫外光刻技術(shù)中為減小掩模和投影物鏡系統(tǒng)的熱變形，掩模和反射鏡基底必須選擇超低熱膨脹系數(shù)的材料。摻鈦石英玻璃是以SiO2為主要成分，通過適量摻雜TiO2，從而變成具有超低熱膨脹系數(shù)的特種玻璃。其溫度膨脹系數(shù)極低且根據(jù)TiO2的摻雜比例可以調(diào)控溫度膨脹特性。通常，摻鈦石英玻璃的熱膨脹系數(shù)可達(dá)到10-8/℃～10-9/℃量級甚至達(dá)到零膨脹，是極紫外光刻的必選材料。
賀利氏石英玻璃板
由于光刻機(jī)用摻鈦石英玻璃在熱膨脹系數(shù)及其空間分布均勻性、熱膨脹系數(shù)過零溫度點、可加工特性、應(yīng)力、氣泡雜質(zhì)等方面都有特殊的要求，目前該類材料只有美國康寧、德國賀利氏、日本尼康等公司掌握其生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，而我國目前研制的摻鈦石英玻璃還無法滿足當(dāng)前極紫外光刻的應(yīng)用需求，所以國內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊正在攻關(guān)解決該類材料存在的關(guān)鍵技術(shù)問題。
參考來源：
[1]集成電路裝備光刻機(jī)發(fā)展前沿與未來挑戰(zhàn)，胡楚雄等，清華大學(xué)機(jī)械工程系高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室
[2]基于光刻機(jī)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析我國光刻機(jī)突破路徑，郭乾統(tǒng)等，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司
[3]半導(dǎo)體制造光刻機(jī)發(fā)展分析，柳濱，中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所
[4]現(xiàn)代光刻機(jī)的發(fā)展歷程與未來展望，伍強(qiáng)等，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院
[5]中國半導(dǎo)體用石英材料市場研究分析報告（2024~2027），粉體大數(shù)據(jù)研究
[6]高性能光學(xué)合成石英玻璃的制備和應(yīng)用，聶蘭艦等，中國建筑材料科學(xué)研究總院石英與特種玻璃研究院
[7]石英玻璃在光刻技術(shù)中的應(yīng)用，王佳佳等，中國建筑材料科學(xué)研究總院
[8]光刻機(jī)之戰(zhàn)，中國經(jīng)濟(jì)周刊
[9]《光刻用摻鈦石英玻璃》國家標(biāo)準(zhǔn)公開征求意見，中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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