華卓精科申請IPO 雙工件臺可用于65nm光刻機

日前，華卓精科正在申請 IPO，這家公司以光刻機雙工件臺這一超精密機械領域的尖端產(chǎn)品為核心，與與國內(nèi)的光刻機龍頭廠商上海微電子保持良好的合作關系，并成為其光刻機雙工件臺的供應商。就技術水平而言，華卓精科的雙工件臺接近國際水平。如果能夠順利 IPO，則可以從資本市場融資用于雙工件臺技術研發(fā)，為光刻機國產(chǎn)化替代添磚加瓦。

光刻機工作原理和組成

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)物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。然后使用化學方法顯影，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)在最先進的芯片有 30 多層。

附一張 ASML 光刻機的簡易工作原理圖。

簡單介紹一下圖中各設備的作用。

測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺,也就是本次新聞里說的雙工作臺。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而 ASML 有個專利，有兩個工作臺，實現(xiàn)測量與曝光同時進行。而本次“光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機研發(fā)”項目則是在技術上突破 ASML 對雙工件臺系統(tǒng)的技術壟斷。

激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一，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嚴重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設置：設置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，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行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是 nm 級的。

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，并且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在于物鏡的設計難度大，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缺口來確認硅片的坐標系，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：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機意義幾何

過去，光刻機只有一個工作臺，所有流程都在一個工作臺上完成。雙工件臺系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當一個工作臺在進行曝光工作的同時，另外一個工作臺可以同時進行曝光之前的預對準工作，使得光刻機的生產(chǎn)效率提高大約 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻機，分辨率小于 22nm，生產(chǎn)效率可以達到 125 片 / 小時。

雖然看起來僅僅是加一個工作臺，但技術難度卻不容小覷——對換臺的速度和精度有非常高的要求，如果換臺速度慢，則影響光刻機工作效率；如果換臺精度不夠，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，如何使液體在換臺使依舊停留在物鏡和硅片之間，不因換臺發(fā)生流動，則是一個不小的技術難題。另外，還有避免污染的問題。

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現(xiàn)今技術成熟的雙工件臺系統(tǒng)主要是導軌式，驅(qū)動方式主要分為氣浮驅(qū)動和磁懸浮驅(qū)動。目前，ASML 公司已成功研發(fā)了磁懸浮工件臺系統(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械式和氣浮式工件臺所無法比擬的。不僅如此，ASML 公司基于磁懸浮工件臺的基礎，研發(fā)了無導軌式的平面編碼磁懸浮工件臺系統(tǒng)，通過平面編碼器對工作臺進行精確定位，進一步提升了精度。

目前，華卓精科的 DWS 系列雙工件臺主要適用于干式步進式掃描光刻機，可用于 65nm 及以上工藝節(jié)點 IC 前道光刻機。正在研發(fā)的 DWSi 系列雙工件臺適用于浸沒式光刻機，可用于 45nm 及以下工藝節(jié)點 IC 前道光刻機。

中外光刻機差距巨大

光刻機被稱為人類最精密復雜的機器，業(yè)界將其譽為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術門檻和資金門檻非常高。也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機的廠商非常少，到最先進的 14nm 光刻機就只剩下 ASML，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄 EUV 光刻機的研發(fā)。

目前，光刻機領域的龍頭老大是荷蘭 ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達 80%的市場份額，壟斷了高端光刻機市場——最先進的 EUV 光刻機售價曾高達 1 億美元一臺，且全球僅僅 ASML 能夠生產(chǎn)。Intel、臺積電、三星都是它的股東，重金供養(yǎng) ASML，并且有技術人員駐廠，Intel、三星的 14nm 光刻機都是買自 ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機主要也是來自 ASML。

相比之下，國內(nèi)光刻機廠商則顯得非常寒酸，處于技術領先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的光刻機中性能最好的是 90nm 光刻機 ...... 國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

這不僅使國內(nèi)晶圓廠要耗費巨資購買設備，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自主技術的成長也帶來很大不利影響——ASML 在向國內(nèi)晶圓廠出售光刻機時有保留條款 ...... 這很大程度上影響了自主技術和中國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

光源、物鏡目前還無法完全自主化

光源是光刻機的核心部件之一。在光刻機改進中，所使用的光源也不斷改進發(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，其光刻工藝節(jié)點可達 45nm，采用浸沒式光刻、光學鄰近效應矯正等技術后，其極限光刻工藝節(jié)點可達 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。

而當工藝尺寸縮小到 22nm 時，則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術。然而使用兩次圖形曝光，會帶來兩大問題:一個是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個是工藝的循環(huán)周期延長。因而，在 22nm 的工藝節(jié)點，光刻機處于 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，工藝節(jié)點的極限是 10nm，之后將很難持續(xù)。EUV 光刻機，則有可能使工藝制程繼續(xù)延伸到 5nm。

目前，雖然在雙工件臺上，華卓精科的產(chǎn)品可以用于 65nm 光刻機，但在光源、物鏡等核心器件上，依然無法完全自主化。光刻機的國產(chǎn)化工作任重道遠。