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光刻機：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體基底上通過氧化、光刻、擴散、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、最復雜的工藝步驟，利用光學原理在硅片上轉移電路圖形，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是最重要、最復雜、最昂貴的集成電路制造裝備，被稱為半導體制造的“母機”，其技術難度之大、單價之高在全球均屬罕見，又被譽為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰著人類超精密制造的精度和性能極限。
光刻機的工作原理，或者說現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光投射到涂了光刻膠的硅片(晶圓)上，光刻膠被強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、擴散、沉積等工藝做出復雜的晶體管和電路網絡。
光刻機工作原理
荷蘭的ASML公司作為光刻機技術的領頭羊，其光刻機的供應鏈橫跨全球，涵蓋了5000家供應商。這些供應商在光學、電磁學、材料學、流體力學、化學和軟件工程等多個領域，都提供了最前沿的研究成果。多學科交織的復雜系統注定了光刻機技術范疇極廣，技術體系和供應鏈建設難度極大。
光刻機主要技術及其產業鏈
熔融石英：光刻機實現精準成像的基礎材料
光刻機中的光學系統是其最關鍵且最復雜的部分之一，包括照明系統和投影物鏡兩大核心組成部分。投影物鏡是光刻機中實現精準成像的關鍵部件，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。投影物鏡的構造十分復雜，通常由多枚鏡片組成，如ASML的DUV光刻機鏡頭由29片鏡片組成，旨在最大程度消除像差。
EUV光刻機總體結構及主要組成系統
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(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《中國半導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、半導體等制造過程中的圖形“底片”轉移用的高精密工具，決定了電子元器件產品精度和質量，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材料。
按《光刻用石英玻璃晶圓》（標準號：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種雜質元素含量的質量分數總和應不大于2.0μg/g。其中Li、Na、K這三種雜質元素含量的質量分數之和應不大于1.0μg/g，單一雜質元素含量的質量分數應不大于0.5μg/g。
根據光刻技術的發展方向：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)，特征尺寸從技術上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm等節點的路線圖，對傳統和主流的光刻技術中用的光掩�；A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�；澹荒苡脤UV吸收少的高純合成石英玻璃（JGS1型）方能達到曝光波長的要求，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，按所需規格將石英錠切割成相應尺寸的石英塊，通過熱加工方式形成石英板，經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�；�。
光掩模石英基板生產工藝流程
目前，國外利用間接合成法制備半導體光刻技術用石英玻璃光掩�；澹瑴史肿蛹す馄骱凸怆娞綔y器等領域用石英玻璃透鏡和棱鏡等元件。據統計，在近年來德國賀利氏、美國康寧和日本信越化學等國際頂級石英玻璃研發機構申請的專利中，利用間接合成法制造高端光學石英玻璃的專利超過其總數的50％，且逐年增長，以滿足半導體光刻和高能激光技術等領域對抗紫外輻照、深紫外透過、弱吸收等更高性能的指標要求。
近期光刻集成電路的光掩模相關研究表明，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，影響超大規模集成電路的制作。因此，高新技術領域對石英玻璃的純度、金屬雜質和羥基含量都有嚴格的要求，如何通過改善制備工藝降低氣泡數量和雜質含量是石英玻璃生產企業的重要關注點。
摻鈦石英玻璃：極紫外光刻的必選材料
目前，作為最先進的光刻技術，極紫外光刻機被行業賦予拯救摩爾定律的使命，是當今國際上唯一能夠做到生產7nm及以下制程芯片的設備，尤其是數值孔徑達0.55的極紫外光刻機單臺售價高達3億美元。因此，開展極紫外光刻技術研究是國際集成電路產業發展的必然趨勢。
極紫外光刻技術中為減小掩模和投影物鏡系統的熱變形，掩模和反射鏡基底必須選擇超低熱膨脹系數的材料。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的特種玻璃。其溫度膨脹系數極低且根據TiO2的摻雜比例可以調控溫度膨脹特性。通常，摻鈦石英玻璃的熱膨脹系數可達到10-8/℃～10-9/℃量級甚至達到零膨脹，是極紫外光刻的必選材料。
賀利氏石英玻璃板
由于光刻機用摻鈦石英玻璃在熱膨脹系數及其空間分布均勻性、熱膨脹系數過零溫度點、可加工特性、應力、氣泡雜質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關鍵技術，而我國目前研制的摻鈦石英玻璃還無法滿足當前極紫外光刻的應用需求，所以國內相關團隊正在攻關解決該類材料存在的關鍵技術問題。
參考來源：
[1]集成電路裝備光刻機發展前沿與未來挑戰，胡楚雄等，清華大學機械工程系高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室
[2]基于光刻機全球產業發展狀況分析我國光刻機突破路徑，郭乾統等，中國電子信息產業集團有限公司
[3]半導體制造光刻機發展分析，柳濱，中國電子科技集團公司第四十五研究所
[4]現代光刻機的發展歷程與未來展望，伍強等，復旦大學微電子學院
[5]中國半導體用石英材料市場研究分析報告（2024~2027），粉體大數據研究
[6]高性能光學合成石英玻璃的制備和應用，聶蘭艦等，中國建筑材料科學研究總院石英與特種玻璃研究院
[7]石英玻璃在光刻技術中的應用，王佳佳等，中國建筑材料科學研究總院
[8]光刻機之戰，中國經濟周刊
[9]《光刻用摻鈦石英玻璃》國家標準公開征求意見，中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/平安）
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