ASML与梵高的追光艺术：光刻机/光刻技术了解一下

shuszhao · 发表于 2021-7-31 14:34:55

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ASML（阿斯麦）最近在国内多个城市搭建“追光实验室”，展示ASML的光刻技术。ASML虽然在半导体制造领域的名头如此响亮——尤其作为全球唯一提供EUV光刻机的供应商，此前面向媒体的市场活动其实是不多的。
不过从上海的这场展示活动中，我们多少可以看到ASML似乎正以更开放的姿态，准备向大众揭开自身一直以来的“神秘面纱”，包括企业本身及其相关光刻的技术。ASML全球副总裁、中国区总裁沈波说：“我们做这样的活动，也是希望更多的人能了解我们；尤其是更多的对科技感兴趣的年轻人；并且会有加入我们的意愿。”

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最近ASML在上海搭建的“追光实验室”外墙是巨幅的梵高画作，辅以“The art of mastering light”字样。这是基于梵高与ASML的共通之初，除了都出自荷兰，即在于双方都对“光”有着神秘的掌控能力。
据说荷兰的梵高博物馆此前就找到ASML，进行梵高画作的检测和修复工作——得益于ASML在精密测试、控制方面的能力。想必摘得人类精密制造皇冠的ASML，对画作的修复与检测，应当也只是小菜一碟了。
ASML中国区技术总监高伟民说：“油画表面是凹凸不平的，因为年代的关系有颜料剥落，与此同时，还需要对颜色变化做还原和修复。”对图像做分析、推演，甚至包括三维形貌，故此ASML对于画作修复与博物馆进行合作。
借着这次参观和采访的机会，我们从比较粗线条的方向来看看ASML这家公司，及其光刻技术。比较遗憾的是，ASML在活动过程中分享的技术内容无法对外公开，所以我们只能从现有资料上做大致的呈现。相信未来ASML还会有同类的技术分享，让我们更多地了解光刻技术。

ASML光刻技术上的几个着眼点

有关ASML这家公司的相关内容，我们放到后面去谈，首先来看看很多爱好者关注的光刻技术话题——也是ASML追光实验室所要呈现的重点。

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上面这张图比较抽象地展示了光刻机内部，虽然这其实只是个便于理解的演示而已。光刻是半导体晶圆制造的其中一个步骤，通常是在晶圆上先涂上光刻胶，然后光刻机在光刻胶上进行曝光成像——或者形象地说是“微雕”，雕出很多的凹槽、窗口。在这个过程里，晶圆就像是相机里面的胶片一样。
当然这其中还涉及到掩膜版、显影之后的测试（并反馈、修正）等复杂的过程。大方向上，激光器把光打进光刻机中，一路通过光源、掩膜版、镜头，最终照到下方的晶圆上——抽象地说，就是把掩膜版上画好的图案，通过光学系统缩小4倍，刻到晶圆上。
上面这张图中比较具有显著特征的应该就是中间位置的镜头了。看起来是由一系列镜片组成的镜组（传说中来自蔡司）。
虽然我们不清楚镜组本身的具体工作方式，不过大方向的对焦过程应当与相机类似。值得一提的是，整个光刻过程是动态的，下面的晶圆以及上面的镜头、掩膜都在高速运动，且要维持1-2nm的对准精度。这其中可能还涉及到周边更多配合的辅助系统。

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在甫进入ASML上海办公室之时，就能立刻看到公司墙上印着的阿贝公式（瑞利公式），如上图所示（CD = k1 • λ / NA）。这则公式中CD表示关键尺寸（critical dimension）或者说最小可分辨尺寸，基本上可以理解为光刻中能够刻画最细密的线条。
公式中，它与至少3个参数有关，分别是λ波长、NA数值孔径、k1工艺因子（相关于芯片制造工艺的各种因子）。ASML追光实验室中展示的技术，基本都是围绕这几个参数的变化展开的，通过技术革新带来这几个参数的变化，并最终促成制造工艺的进步。
高伟民博士大体上介绍了4个ASML擅长的技术，第一是围绕波长展开的。关注半导体制造技术的同学应该不会陌生，从早年g-line 436nm波长的光源，到h-line、i-line等的演进，到很多人都比较熟悉的DUV ArF（氟化氩）193nm，以及现在越来越多的人所知的EUV极紫外光，就是波长不断变小的历史。所谓的EUV光刻机，指的就是光源波长处在极紫外光波段。这应当也是光刻技术不断前进的关键。

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第二，相关NA数值孔径——最近我们才刚刚撰文提到I ntel预计要从A SML拿到第一批 E UV的 h igh-NA光刻机。对显微镜比较了解的读者，对数值孔径这个词应该也不会陌生，简单理解，它描述的是光学系统能够捕捉到的锥面与整个球面的比；与摄影镜头中的光圈也有些类似。
从阿贝公式来看，NA越大则分辨率越高。但就像光圈很难做大一样，光刻机中NA数值孔径要做大，整颗镜头做大也受制于技术、成本。所以NA做大也从来不是随心所欲的。
在193nm阶段，有个相当知名的浸没式光刻技术（以及157nm波长光源的流产），应该也是很多人耳熟能详的了。ASML是浸没式技术方面开展最为成功的一家企业。浸没式光刻有别于干式光刻，是在镜头下方加水——让水也成为光学系统中的一环。
光通过水发生折射，前文提到的阿贝公式就要在NA这个数值上再考虑折射率的问题。光线衍射角变大，实际上就相当于数值孔径增大，以进一步减小线宽、提升光刻分辨率。相对而言，如果没有水的参与，则其他条件相同前提下的光刻过程，部分光线就会在镜头底部发生全反射、无法成像。
高伟民博士有特别谈到ASML在实现这种浸没式光刻技术上遭遇的难点，包括全过程中水必须是流动的，水需要与晶圆接触摩擦，不能有气泡、也不能产生污染（与光刻胶接触可能产生污染）、还不能滴下来（似乎下方还有配套的气流系统做水流的支撑），以及需要控制热场等问题，所以技术上有着万分复杂的工程挑战。
ASML此前在解决浸没式光刻技术的工程问题上，还是花了相当大的精力和投入的。虽然更多爱好者关注的是EUV光刻，但高伟民博士在带我们参观追光实验室的时候提到，ASML最近庆祝交付第1000台浸没式光刻机，所以这种技术是目前半导体制造行业的主力军。
第三，相关k1值的部分。公式中的λ和NA都说了，自然就轮到k1了。与k1相关的因子可能很多，比如说光源相关的技术。点光源的大小，对最终成像对比度、保真度都有影响。对照明的具体形貌做优化，也就成为一个重要课题。具体如何做照明形貌的优化，就相关到ASML的“计算光刻（Litho Computing Platform）”了。（我们有特别问到高博士，ASML的计算光刻具体在做什么，他提到除了照明形貌优化，还有相关掩膜版修正等相关的技术）
高伟民博士有提到ASML的“自由形状照明（Freeform Illumination）”，通过改变照明形态来提高分辨率的，不过这部分我们也无法再做深入探讨了。
第四，ASML追光实验室特别展示了ASML光刻机的“双工件台”。晶圆在进入光刻流程之前，需要先做测量和对准。以前传统的光刻机就只有一个工作台，在这个工作台上要进行测量、对准、光刻等所有的流程。

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所谓的“双工件台”或者叫“双晶圆工作台”就是指光刻机中，一个工作台对晶圆做光刻，而另一个可以进行测量。双方配合实现测量与曝光的无缝衔接，提升产率。据说双工件台的发明，让产率提高了几乎1/3。
虽然听起来很简单，这其中的门道还不少。此前单工作台时用的是气浮式平台。但双工件台整体尺寸变大，运动质量也大，所以改用磁悬浮——这种技术升级本身对高精度有价值。而且据说双工件台的一大价值还体现在同时运动时可以保持相对平衡，对精度也有价值。
这里有一点尤为值得一提，即晶圆本身是不平整的，所以实际的光刻过程并不只是单纯的x、y轴运动，在z方向上也需要实时做调整。我们有特别询问高博士，光刻机镜头部分是如何达成这种高精度运动的。高博士并未透露太多，只是提到镜头会做精密的焦距调整。在我们的理解中，z方向的这种运动实则也极大提高了光刻流程的难度。
所以另一个工件台的测量流程需要对包括平整度在内的复杂的参数做精密测量，将模型反馈给光刻机，才能做对应的控制与调整。果然是人类精密制造的皇冠啊。

ASML公司及其3C文化

这些技术虽然可能只是光刻技术的很小一部分，但相信未来我们还能从ASML获得更多的技术资讯。聊完一些大方向的技术，再来说说ASML这家公司在中国目前的布局情况。ASML全球副总裁、中国区总裁沈波花了比较多的篇幅介绍ASML的企业文化及这家公司当前在中国的发展情况，也给了我们不可多得的机会来了解ASML公司本身。
很多人应该知道，ASML每年研发支出占到其总销售额的15-20%，这在行业内是比较大的量了，应该也不会有人质疑ASML是技术驱动的企业，毕竟放眼望向市场，似乎也并没有其他竞争对手可在光刻技术上，站在与ASML相同的高度上。这家公司于1984年成立，分布于全球60个国家——相信其早年历史，是很多关注半导体制造的读者都十分了解的。
而ASML China成立于2000年，目前在国内大陆地区，在上海、北京、合肥、厦门等12个城市设有办公室；分别在北京和深圳设有两处研发中心；1个培训中心；11个仓储物流中心。中国的ASML员工已经超过1000人——这1000人在国内12个城市的分布，在ASML的人员管理中应该也具备相应的特殊性。据说之所以在那么多城市设立办公室，就是为了与客户靠得更近。

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沈波表示：“我们在深圳有一个将近200人的团队做计算光刻；北京有一百五六十人的团队，做电子束检测（eBeam Metrology）。”ASML的光刻解决方案是个铁三角，包括了光刻机、计算光刻、量测检验。由此看来，ASML在中国国内的布局还是相当完整的。
ASML在国内的知名度打响虽然是近几年才有的事情，但从沈波的介绍来看，ASML在国内从事的活动其实一点也不少。比如说“让西北贫困地区的女孩接触科学，我们前年在陕西，找一些山区、贫困县比较偏远地区，上中小学的女孩到我们的办公室，让工程师和她们去谈技术，去她们的学校做技术介绍，让这些女孩都有机会接触前沿的科技。”沈波说。
与国内教育和行业相关的活动，从中小学、高校“支持‘梦想中心’科技创客活动”、在上海“赞助未来工程师竞赛”，到大学高校技术论坛合作、赞助高校技术竞赛；行业方面对诸多论坛、峰会等的参与，应该也是当前ASML市场活动的重要组成部分。“我们希望这些都是长期的事情：帮助行业，也加强大家在这方面的了解、意识，同时为未来培养这方面的人才。”

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在沈波介绍ASML这家公司的过程中，相对令人印象深刻的应该是被称为“3C”的企业文化。3C分别是指Challenge、Collaborate和Care，中间围绕客户、供应商、社会、雇员、股东等要素。据说这三个C的中文，是从国内ASML征集获得的，似乎在解释上有了对应的外延。
Challenge挑战求精：毕竟ASML面对的是制造业最复杂的技术挑战，不过“技术只是一方面，其实还有很多其他方面，包括我们每天要面对的工作”；Collaborate合作共进：这一点原本就是半导体领域的“主旋律“，沈波把ASML称作“集成者”，其中的大量组件都来自供应商和合作伙伴，需要业内协力才能达成目标——这一点应当也包括了光刻作为半导体制造的其中一个步骤，也需要其他组成部分的配合，共同推进技术与行业的进步。
而Care中文译作了“关爱致远”：“关爱员工、客户，提供好的环境和服务；而‘致远’，我们的愿景、宗旨，是期望帮助行业走得更远，所以care不只是面向员工、客户，也在于这个行业。关心行业的发展，让行业继续往前走——这是我个人对于我们3C文化里头，感觉到内涵最深刻的地方所在。”沈波强调。
“通过我们自己的技术进步，帮助社会、人类推进技术，解决大家可能面临的一些很复杂、艰巨的挑战。”沈波说，“我自己的感觉，除了大家都说ASML技术很先进，形容黑科技也好、烧脑科技也好，我们始终是很有使命感和情怀的一家公司。”

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从ASML本次活动的多番表达来看，这家公司目前正在很积极地在中国进行品牌科普，似乎比从前任何时候都更加积极。这可能与ASML今年下半年有大量的工程师人才招聘计划相关，覆盖软硬件以及前文提到的光刻机、计算光刻、量测检验全方位的。ASML追光实验室活动本身，大概也是要表达对人才的渴望态度。
从媒体的角度来看，我们也期望未来ASML能够分享更多相关光刻的技术，毕竟此前ASML，对我们而言都只是“传说中的ASML”。这次活动是个相当积极的信号。